EtherCAT 伺服驅(qū)動器

EtherCAT ? 是 Beckhoff 開發(fā)的一種基于以太網(wǎng)的高性能確定性網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。經(jīng)行業(yè)證明，它可以通過標(biāo)準(zhǔn) 100 base-T 硬件提供高速、確定性控制，并在要求苛刻的應(yīng)用中實現(xiàn)超快、一致的結(jié)果。EtherCAT 是一種開放技術(shù)，這意味著每個人都可以使用、實施并受益于該技術(shù)。因此，EtherCAT 伺服驅(qū)動器已成為運動控制行業(yè)的重要組成部分。

EtherCAT 可用于我們所有的 FlexPro? 系列和我們的許多 DigiFlex ? Performance? （DP 系列）數(shù)字伺服驅(qū)動器，它們在扭矩、速度和位置模式下運行，并提供對所有伺服回路的全面調(diào)諧控制，以實現(xiàn)最高您的應(yīng)用程序的性能。

支持 PCB 安裝的 EtherCAT 伺服驅(qū)動器還利用 ADVANCED Motion Controls 獨特的專有高速多軸通信接口和 I/O 擴(kuò)展功能（“DxM”? 和“DxI/O”? 技術(shù)）?，F(xiàn)在，單個 EtherCAT ? 節(jié)點可以容納多達(dá) 4 個運動軸的組合，每個軸具有 32 個數(shù)字輸入、32 個數(shù)字輸出、4 個模擬輸入和 2 個模擬輸出。結(jié)果是用于單軸或多軸應(yīng)用的高度集成的高價值運動控制解決方案。

ADVANCED Motion Controls 的插件模塊 EtherCAT 伺服驅(qū)動器在 Design News 的年度金捕鼠器獎中被評為獲獎?wù)?，以表彰我們在產(chǎn)品設(shè)計中的工程創(chuàng)新和創(chuàng)造力！ ADVANCED Motion Controls 最新的伺服驅(qū)動器系列 FlexPro?是第一個從一開始就考慮到 EtherCAT ? 的伺服驅(qū)動器系列。

EtherCAT 的基本原理是透讀。與其他主節(jié)點單獨輪詢每個節(jié)點的協(xié)議不同，EtherCAT 向一個節(jié)點發(fā)送一條消息，然后將該消息傳遞到下一個節(jié)點和后續(xù)節(jié)點，直到網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都接收到該消息。這是有效的，因為消息包含網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的信息和指令。每個節(jié)點只讀取和響應(yīng)自己的數(shù)據(jù)，每個節(jié)點還可以通過在消息通過時將數(shù)據(jù)插入到消息中，將信息發(fā)送回 Master。例如，它可以在消息中添加位置、速度和狀態(tài)信息。一旦消息通過所有節(jié)點并返回給主節(jié)點，主節(jié)點就會讀取添加的數(shù)據(jù)。

當(dāng)消息返回 EtherCAT 主站時，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都從主站接收到新的輸入數(shù)據(jù)，并將新的輸出數(shù)據(jù)返回給主站?？梢詫?EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)比作鐵路，其中每個車站都可以在火車保持行駛狀態(tài)時卸載和重新裝載火車車廂。在沒有針對特定節(jié)點的小負(fù)載或消息的不足的情況下，EtherCAT 伺服驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)最大的帶寬利用率。

所有 EtherCAT 數(shù)據(jù)包均由主站使用全雙工傳輸生成和發(fā)送。網(wǎng)絡(luò)上的所有 EtherCAT 電機(jī)控制器都可以在 EtherCAT 數(shù)據(jù)包經(jīng)過時從 EtherCAT 數(shù)據(jù)包讀取數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)，每個從設(shè)備（與數(shù)據(jù)包的大小無關(guān)）只有很短的恒定延遲（通常小于 500 ns）。通常，僅使用一個數(shù)據(jù)包即可容納大量從設(shè)備，從而優(yōu)化帶寬使用并降低中斷率。一項研究表明，在具有 50 臺設(shè)備和每臺設(shè)備 100 字節(jié)有效負(fù)載的千兆網(wǎng)絡(luò)上，最小循環(huán)時間為 50 微秒。即使在這個節(jié)點數(shù)和有效負(fù)載遠(yuǎn)高于典型伺服系統(tǒng)的示例中，循環(huán)時間仍然比伺服驅(qū)動器的位置環(huán)和電流環(huán)更新速率更快。

EtherCAT 足夠快，可以通過分布式或集中式控制運行

分布式控制

通過分布式運動控制，伺服驅(qū)動器以速度模式或位置模式（與扭矩模式相反）運行。這允許主控制器專注于外部控制回路，讓伺服驅(qū)動器擔(dān)心內(nèi)部回路。結(jié)果是控制器命令和控制運動所需的計算開銷更少，因為伺服驅(qū)動器通過關(guān)閉速度環(huán)和/或位置環(huán)來分擔(dān)一些責(zé)任。此外，伺服驅(qū)動器和控制器之間的網(wǎng)絡(luò)流量也減少了，因為需要發(fā)送的命令更少。

如果驅(qū)動器在 PVT 模式下運行，則可以進(jìn)一步減少網(wǎng)絡(luò)流量。在這種模式下，驅(qū)動器會收到一系列位置、速度和時間值。每個 PVT 點定義在給定時間，電機(jī)將處于指定位置并以指定速度移動。PVT 點的“T”元素可以間隔超過 10 毫秒，從而大大減少網(wǎng)絡(luò)流量。然后驅(qū)動器在點之間進(jìn)行插值?？梢詫⒍鄠€ PVT 點發(fā)送到伺服驅(qū)動器并存儲在緩沖區(qū)中，以便在適當(dāng)?shù)臅r間使用。使用 PVT，驅(qū)動器處理所有運動控制任務(wù)，而控制器只定義運動路徑。CANopen 等較慢的網(wǎng)絡(luò)可以極大地受益于 PVT 控制。使用 EtherCAT，

在集中控制中，控制器向電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送扭矩命令并關(guān)閉所有回路。在計算要求和網(wǎng)絡(luò)流量方面，集中控制的開銷比分布式控制要高得多。幸運的是，EtherCAT 的速度足夠快，可以使用集中控制方案進(jìn)行操作。那么回報是什么？為什么要集中控制運行？在高性能應(yīng)用中，系統(tǒng)設(shè)計人員可能希望使用專門的控制算法、過濾器、前饋，或者希望比插補(bǔ)移動更緊密地遵循運動路徑。集中控制使系統(tǒng)設(shè)計人員可以完全控制系統(tǒng)中的運動控制。

在運動控制中的高速網(wǎng)絡(luò)之前，來自電機(jī)和其他設(shè)備的反饋和信號線必須一路回到控制器。如果您查看傳統(tǒng)的集中式多軸控制器，您不會驚訝地發(fā)現(xiàn)所有信號線都有 50 到 100 個端子。在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，每個伺服軸至少需要 11 根電線才能返回到控制器：

帶差分信號的編碼器 – A、B、I、電源 = 8 線

命令信號 = 2 線

禁止線 = 1 線

例如：具有 3 軸運動控制的機(jī)械臂很容易成為布線和可靠性的噩夢。使用嵌入在每個關(guān)節(jié)中的集成伺服電機(jī)和驅(qū)動器，您必須將至少 33 根電線從手臂向下饋入控制器。當(dāng)線束到達(dá)肩關(guān)節(jié)時，它將最大并且擁有最多的電線。整個捆綁仍然需要可靠并承受手臂的所有彎曲和扭曲。在一個真正的機(jī)械臂中，考慮到制動繼電器、傳感器、伺服驅(qū)動電源和其他組件，這個數(shù)字實際上更接近 50-75。每增加一根電線都會降低可靠性并使安裝更加困難。

幸運的是，對于 EtherCAT 等高速網(wǎng)絡(luò)，這不再是問題。如果需要，可以將 EtherCAT 信號加上邏輯電源的信號線數(shù)量減少到 6 根。通過位于每個臂關(guān)節(jié)處的集成伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動器，EtherCAT 伺服驅(qū)動器可以充當(dāng)所有外圍設(shè)備和控制器之間的接口。這些設(shè)備甚至不需要與 EtherCAT 兼容，只要它們與伺服驅(qū)動器兼容即可。伺服驅(qū)動器看到的任何信號都可以被解釋并發(fā)送到控制器。包括電機(jī)位置、速度、電機(jī)電流和 I/O 狀態(tài)。通過使用伺服驅(qū)動器上的模擬輸入，甚至模擬傳感器也可以用作網(wǎng)絡(luò) I/O。驅(qū)動器的 A/D 轉(zhuǎn)換器可以將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后通過 EtherCAT 將值發(fā)送到控制器。

• 基于 100baseT 的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)

• 實時到 I/O 級別

• 可能的多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) - 線型、星型、樹型、菊花鏈、分支線 - 可以任意組合使用

• 不需要特殊的以太網(wǎng)硬件 - 可以使用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口卡 (NIC)

• CANopen over EtherCAT (CoE) 允許通過 EtherCAT 使用 CANopen 協(xié)議和功能集

• Ethernet over EtherCAT (EoE) 允許在同一物理網(wǎng)絡(luò)上使用其他基于以太網(wǎng)的服務(wù)和協(xié)議

• 2x100 Mbit/sec 最大速度

• 10 kHz 更新率

• < 1 毫秒抖動

由于其快速的循環(huán)速率，EtherCAT 可用于實時運動控制系統(tǒng)中的集中式和分布式控制方案。EtherCAT 的速度足夠快，不僅可以進(jìn)行運動控制，還可以傳輸來自外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)。通過 EtherCAT 傳輸所有數(shù)據(jù)需求可以顯著減少易受故障影響的電線數(shù)量，從而提高可靠性。EtherCAT 是一種所有人都可以使用的開放技術(shù)。