第2期 2017年2月
组合机床与自动化加工技术
Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique
文章编号：10012265(2017)02006805
D0I:10. 13462/j. cnki. mmtamt. 2017.02.017
基于EtherCAT的多轴运动控制系统设计*
谢鳍，颜钢锋
（浙江大学电气工程学院，杭州310027）
No.2 Feb.2017
摘要：针对多轴控制系统中的同步性问题，设计了一款基于EtherCAT的多轴运动控制系统，并提出了对主站和从站均采用实时操作系统的解决方案。对于EtherCAT主站，在嵌入式平台上，构建了基于Xenomai-Linux和Etherlab的主站方案，人机界面使用Qt来编写，EtherCAT从站采用的是uC/OS-ⅢI实时操作系统，通过抢占式内核保证了从站之间的数据实时性。通过主从站的双实时设计方案，保证了系统中多轴之间的同步性。实验结表明，基于双实时操作系统的EtherCAT运动控制系统，连接便利，同步时间在微秒级别，具有很好的实时性。
关键词：实时以太网EtherCAT；ARMXenomai-Linux;uC/OS-III;Qt；多轴运动控制系统
中图分类号：TH166；TC659
文献标识码：A
DesignofMotionControlSystemBasedonEtherCAT
XIE Kai, YAN Gang-feng
(College of Electrical Engineer, Zhejiang University,Hangzhou 310027, China）
Abstract : For the shortages of current multi-axis motion control system in synchronization and the control a bility, a multi-axis motion control system based on EtherCAT is designed. The master station and slave sta-tion are constructed using real-time operating system. A solution of building embedded EtherCAT master is
slave of this system is based on uC/Os-III operating system, which uses preemptive kernel to guarantee the real-time data among slaves. Thus, this system can ensure the synchronization among multi-axis. The results shows that, the multi-axis motion control system based on EtherCAT has a facilitate connection and the syn-chronization time is at microsecond level, which can meet the requirement of real-time and synchronization Key words: EtherCAT; ARM; Xenomai-Linux; uC/OS-III; Qt; servo motion control system
0前言
在传统的数控加工设备，工业机器人和机电一体化中，信号传输主要使用的是电缆或者光纤，由于传输介质的特点，便得多轴在进行协调工作时，存在一定的不同步性，从而影响工业加工的精度，并且传统系统构成比较复杂，成本比较高，维护比较困难。传统的控制系统主要是"PC机+控制卡”或者是"DSP+FPGA”的方案，系统性能受到很大的限制，同时，轴的控制数量不会超过6个，在需要控制的轴数目增多时，控制系统的成本会大大的增加。新时期的发展对多轴之间的实时性和协调性提出了很高的要求，传统的技术已经难以解决新时期的问题。
随着计算机技术和工业以太网技术的发展与融
收稿日期：2016-05-31；修回日期：2016-06-27*基金项目：国家自然基金（61175106
合，工业以太网由于其速度快，成本低，扩展性好，抗干扰性强等特点得到了广泛的应用2]。目前国际上有很多种实时以太网，EtherCAT（EthernetforControlAuto-mationTechnology）技术是由德国Beckhoff公司提出的一种解决方案，此方案是基于标准的以太网技术，使用特殊的以太网数据顿类型（0x88A4）[3]，系统配置简单，数据传输全双工，高速，高效，总线利用率较高，数据有效率达到90%以上[4]，支持多种网络拓扑结构每个系统从站数量可以扩展到65535个。
为适应生产设备的系统化、规模化的发展需求，本多轴控制系统引人EtherCAT技术，针对目前EtherCAT 主站复杂等缺点，在嵌入式微处理器上实现EtherCAT 主站，在uC/OS-III实时操作系统上实现EtherCAT从站，从而利用双实时操作系统实现了多轴控制，具有实
作者简介：谢错（1991一），男，河南商丘人，浙江大学硕士研究生，研究方向为工业以太网和机器人技术，（E-mail）xk2010@163.com；通信作者
额钢锋(1959一），男，渐江大学教授，博士生导师，研究方向为大系统以及混杂系统的建模和控制、数码纺织系统工程、电气传动及其控
制、企业综合自动化，（E-mail）ygf@ zju.edu.cn。方方数据