运动控制

运动控制系统处理机械系统中一个或多个坐标上的运动以及运动之间的协调，实现精确的位置控制、速度和加速度控制、转矩和力的控制等。

单轴的运动控制系统可分为开环、半闭环和闭环伺服系统。

多轴运动控制系统可以分成点位控制、连续轨迹控制和同步控制。

典型的运动控制系统，从结构上看，包括上位机控制窗口、运动控制器、驱动器、电机以及测量反馈系统等几个部分组成：

实时以太网

实时以太网(RTE, Real Time Ethernet)是常规以太网技术的延伸，以便满足工业控制领域的实时性数据通信要求。目前，国际上有多种实时工业以太网协议，根据不同的实时性和成本的要求使用不同的原理，大致可以分为以下三类:

(1)基于TCP/IP实现的工业以太网仍使用TCP/IP协议栈，通过上层合理的控制来解决通信过程中的不确定因素。这种方式具有较高的传输速率，适应于大量数据通信，更适合作为网关和交换设备的应用，不能实现很好的实时性。常用的通信控制方法有:合理调度，减少冲突的概率;定义帧数据的优先级，为实时数据分配最高优先级;使用交换式以太网等。使用这种方式的典型协议有Modbus/TCP和Ethernet/IP等。

(2)基于以太网实现的工业以太网仍然使用标准的、未修改的以太网通信硬件，但是不适用TCP/IP来传输数据。它使用特定的报文进行传输。TCP/IP协议栈能使用时间控制层分发一定的时间片来利用网络资源。该类协议主要有Ethernet Powerlink, EPA C Ethernet for Plant Automation ), PROFINET IRT等。通过这种方式可以实现较好的实时性。

(3)通过修改以太网协议实现的工业以太网，实现应答时间小于lms的硬实时，从站使用特定的硬件实现。由实时MAC控制实时通道内的通信，从根本上避免报文间的冲突。非实时数据依然能在通道中按原协议通信。典型协议有德国倍福的EtherCAT、西门子的PROFINET IRT等。
 

EtherCAT简介

EtherCAT（EtherNet Control Automation Technology）是由德国公司BECKHOFF公司于2003年提出的实时工业以太网技术。其具有高速、高数据有效率的特点，支持多种设备的连接拓扑结构。从站节点使用专用的控制芯片，例如：microchip公司的Lan9252、BECKHOFF公司的ET1100等ESC（EtherCAT slave controller）芯片。主站的搭建方式有很多，例如：开源主站IGH、SOEM、商业化主站TwinCAT等。

传统的以太网在通信的过程当中每个节点是以接受、处理、转发依次进行，而EtherCAT则是同时传输和处理EtherCAT数据。每个从站的节点都有FMMU（现场总线内存管理单元），FMMU的功能是对经过从站节点的数据包进行地址分析，将逻辑地址转化为物理地址，如果数据包中有当前从站所用的数据则读出，并同时转发报文至下一个从站节点，同样的，在报文经过时也可以插入数据。

每个EtherCAT从站在接收到的报文中提取或者插入用户数据，然后将处理好的报文发送到下一个EtherCAT从站，报文在依次被所有从站处理之后由最后一个EtherCAT从站回传，并由第一个从站作为响应报文返回给EtherCAT主站控制单元。整个过程基于以太网的全双工模式，通过TX线发送出去的报文会从RX线返回，因此在EtherCAT通信系统中，任何物理拓扑结构在逻辑上永远是环形。

 EtherCAT原理介绍

EtherCAT从站设备在报文经过其节点时读取相应的数据报文，同样输入数据也是在报文经过时插入到报文中。整个过程报文只有几纳秒的时间延迟，实时性获得极大提高

EtherCAT作为一种工业以太网总线，充分利用了以太网的全双工特性。使用主从通信模式，主站发送报文给从站，从站从中读取数据或将数据插入至从站。

主站可使用标准网卡实现，
从站选用特定的EtherCAT从站控制器ESC(EtherCAT Slave Controller)或者FPGA实现，
主要完成通信和控制应用两部分功能，EtherCAT物理层选用标准以太网物理层器件。

从站能将收到的报文直接处理，并读取或插入有关的数据，再将报文发送给下一个EtherCAT从站。最末尾的EtherCAT从站返回处理完全的报文，然后由第一个从站发送给主站。整个通信过程充运行于全双工模式下，TX线发出的报文又通过RX线返回给主站:

 EtherCAT网络协议栈

EtherCAT的数据帧格式

EtherCAT在基于传统以太网数据帧格式做出了修改，将其中的EtherType(帧类型)修改为了0X88A4，EtherType是以太帧中的一个字段，用来指明应用于帧数据字段的协议。例如：0X0806 地址解析协议ARP、0X08DD IPV6等。

传统的以太网帧结构由以太网帧头、以太网数据、FCS帧校验组成，最大1514字节。在这里EtherCAT并未修改数据帧结构，而是对数据区域做了细分，将EtherNet data分为了EtherCAT头和EtherCAT数据。其中EtherCAT头包括了EtherCAT数据长度、保留位、类型，将EtherCAT数据区分为了多个子报文，每个报文含有子报文头、数据、WKC（工作计数器）。具体细分如下图。

目的地址：接收方的MAC地址     源地址：发送方的MAC地址     帧类型：0X88A4 EtherCAT帧     FCS(Frame check sequence):帧校验序列

EtherCAT头（数据长度）：EtherCAT数据区的长度     EtherCAT头（类型）：1表示与从站通信，其余保留 

EtherCAT子报文结构定义：

其中子报文头的作用是确定此子报文由哪一个从站使用、什么操作命令、处理多长的数据等。WKC主要是记录报文被对应从站操作的类型和次数，主站在发送EtherCAT报文前会根据要进行的操作预设一个WKC值，将数据帧发给从站，如果从站操作成功（RD+1、WR+2、RD/WR+3），从站以硬件方式使WKC增加，最终返回报文携带该数值与主站预设值进行对比，来检查EtherCAT数据报是否有效的处理。

EtherCAT的寻址方式

（1）网段寻址

• 直连模式：主站设备通过与EtherCAT网段的直接端口连接来对MAC地址进行广播。
• 开放模式：主站设备通过以太网交换机与EtherCAT网段进行连接，网段可以使用EtherCAT数据帧当中的目的地址来做MAC地址。

（2）设备寻址

EtherCAT数据帧中的子报文头有32位地址区，其中前16位是从站设备的设备地址，后16位是设备内部物理存储空间地址。16位从站设备地址可以寻址65535个从站设备，每个设备最多可以有64K字节的本地地址空间。

• 顺序寻址（自动增量寻址）：从站的地址由物理连接顺序决定，从站地址自动加一，一般用于主站启动阶段，主站为从站分配地址，无需从站设置。

  

• 设置寻址：该地址与从站物理连接顺序无关，通常有两种配置方式：1 >数据链路层启动阶段由主站配置给从站  2>在上电初始化的时，从站从自身的EEPROM的配置文件中读取出来。主站利用顺序寻址的方式来读取从站设置的地址，掉电后固定地址会丢失。

（3）逻辑寻址

在逻辑寻址模式下，报文内的32位地址空间用来寻址，整个网段有4GB地址空间可以被寻址。逻辑寻址方式由FMMU（现场总线内存管理单元）来实现，ESC芯片中的FMMU单元将从站本地的物理地址映射到网段内的逻辑地址。当从站收到来自主站的报文时，会检查报文中的地址是否与FMMU中的地址相符，如果有，将根据操作类型进行读写操作。

应用层协议

应用层AL(Application Layer) 为用户与网络之间提供接口，应用层在EtherCAT 通信协议层次结构中是与用户联系最紧密最直接的一层，它可以直接与用户进行交互，实现面对具体的应用程序和控制任务等功能， EtherCAT 应用层为各种服务协议与应用程序之间定义了接口， 使其能够满足应用层所要求的各种协议共同工作的需求。

EtherCAT 作为网络通信技术，支持CAN open 协议中的CiA402，以及 SERCOS 协议的应用层( 即 CoE 和SoE)等多种符合行规的设备和协议。

EtherCAT状态机 设备和网络的启动

邮箱接口和协议 设备的存取变量 异步传输

协议：

EOE: Ethernet over EtherCAT
COE: CANopen over EtherCAT
FOE: Filetransfer over EtherCAT
SOE: Servo Drive over EtherCAT
 

应用程序只要符合此应用层协议，都可以在应用层的控制下协同完成控制任务。EtherCAT协议中支持的应用层协议包括以下四种：

1）CANopen over EtherCAT, CoE。CANopen最初是为CAN总线控制系统所开发的应用层协议。EtherCAT协议在应用层支持CANopen协议，并作了相应的扩充。主要功能有：使用邮箱通信访问CANopen对象字典及其对象，实现网络初始化；使用CANopen应急对象和可选的事件驱动PDO消息，实现网络管理；使用对象字典映射过程数据，周期性传输指令数据和状态数据。我司的从站软件站也主要实现应用层CoE协议

2) Servo Drive over EtherCAT, SoE。IEC61491是国际上第一个专门用于伺服驱动器控制的实时数据通信协议标准，其商业名称为SERCOS(Serial Real-time Communication Specification)。EtherCAT协议的通信性能非常适合数字伺服驱动器的控制，应用层使用SERCOS应用层协议实现数据接口，可以实现以下功能：使用邮箱通信访问伺服控制规范参数(IDN)，配置伺服系统参数；使用SERCOS数据电报格式配置EtherCAT过程数据报文，周期性传输伺服指令数据和伺服状态数据。

3) Ethernet over EtherCAT, EoE。EtherCAT支持IP标准的协议，比如TCP/IP、UDP/IP和所有其他高层协议（HTTP和FTP等）。EtherCAT能分段传输标准以太网协议数据帧，并在相应的设备完成组装。这种办法可以避免为长数据帧预留时间片，大大缩短周期性数据的通信周期。此时，主站和从站需要相应的EoE驱动程序的支持。

4）File Access over EtherCAT, FoE。该协议通过EtherCAT下载和上传固件程序和其他文件，其使用类似TFTP(Trivial File Transfer Protocol，简单文件传输协议)的协议，不需要TCP/IP的支持，实现简单。

EtherCAT状态机

状态机构建于数据链路层
定义EtherCAT从站设备一般信息状态
指定对EtherCAT从站设备启用网络时初始化和错误处理
状态和主从站之间通信关系相一致
从站设备的请求状态和当前状态反应于应用层和应用层注册中

定义了五种状态：

Init                // 应用层没有数据交互，主站对数据传输信息注册有同路
Pre-Operational     // 应用层上的邮箱通信。没有过程数据交互
Safe-Operational    // 应用层上的邮箱通信。过程数据通信，但是仅仅是输入被评估，输出置于Safe状态
Operational         // 输入和输出都是有效的

Bootstrap           // 定义了固件更新。是可选的，但是在固件必须要更新时推荐选择
                    // 只能和init进行状态间转换，没有过程数据通信，通过应用层的邮箱进行通信，根据需要的情况对邮箱进行配置，只能使用FoE协议。

在系统网络运行中，EtherCAT状态机负责主站从站之间的运行的协调关系。由主站发起状态的变化，在相应的工作完成之后从站程序确认状态的转换。如图2-8所示，EtherCAT支持四种状态和一个可选的状态：Init（初始化）、Pre-Operational（预运行）、Safe-Operational（安全运行）、Operational（运行）、Boot-Strap（引导状态，可选）。从初始状态到运行状态，必须按“初始化→预运行→安全运行→运行”顺序进行，不可以越级转化，然而返回时可以越级。引导状态可选，只允许与初始状态相互转化。

1) 初始化。初始化状态定义了主站与从站在应用层之间的初始通讯关系。此时，主站利用初始化来对ESC的一些寄存器进行初始化。

2) 预运行。在该状态下，邮箱通信被激活。主站和从站都可以利用邮箱服务和适当的协议来交换与应用层程序相关的初始化操作和参数。这个状态不支持过程数据通讯。

3) 安全运行。从站的应用程序将输入的实际数据读入，无输出信号产生，输出被设置为“安全状态”。

4) 运行。在设备运行状态下，从站的应用程序读取实际输入的报文数据，主站的应用程序输出实际相应数据，从站设备输出信号，EtherCAT系统处于正常的运行状态。

5）引导状态（可选）。引导状态只用于实现设备固件程序的下载，并且只和初始化状态交互。在引导状态下，主站可以并且只限使用FoE协议的邮箱数据通信，给从站写入一个新的固件程序。

邮箱传输

交换变量数据的标准方式
邮箱接口是可选择的，但是推荐使用
如果过程数据是可设置的，或者有其他的非周期性服务，必须邮箱通信
全双工能力 从站可以发起一个数据交互
预留两个同步管理器通道： Sync Manager 0(主站到从站)，Sync Manager 1(从站到主站)
数据交互的早期阶段，邮箱方式是可利用的(State Pre-Operational)
支持多种协议的能力

邮箱通信协议的类型：

EOE: Ethernet over EtherCAT     // 通过EtherCAT传输的标准以太网帧
COE: CANopen over EtherCAT      // 访问CANopen对象字典和它的对象，CANopen紧急事件和事件驱动的PDO消息
FOE: Filetransfer over EtherCAT // 下载上传固件和其他的一些文件
SOE: Servo Drive over EtherCAT  // 存取伺服轮廓检验(IDN)

从站信息接口
强制从站信息接口SII(Slave Information Interface)由所有能被持久保持的对象组成
信息被存储于一个EEPROM，EtherCAT从站控制器和EEPROM之间有一个SPI接口。

SII包括：

boot设置数据
设备一致性
    vender id，产品序列号，修正号，serial no
    和CoE对象0x1018里，相同的信息
应用程序信息数据

设备配置(Device Profile)

设备行规描述了设备的应用参数和功能特性，如设备类别相关的机器状态等。现场总线技术已经为I/O设备、驱动、阀等许多设备类别提供了可利用的设备行规。用户非常熟悉这些行规以及相关的参数和工具，因此，EtherCAT无需为这些设备类别重新开发设备行规，而是为现有的设备行规提供了简单的接口。该特性使得用户和设备制造商可以轻松完成从现有的现场总线到EtherCAT技术的转换过程。

EtherCAT实现CANopen (CoE)
CANopen设备和应用行规广泛用于多种设备类别和应用，如I/O组件、驱动、编码器、比例阀、液压控制器，以及用于塑料或纺织行业的应用行规等。

EtherCAT可以提供与CANopen机制[7]相同的通讯机制，包括对象字典、PDO（过程数据对象）、SDO（服务数据对象），甚至于网络管理。

因此，在已经安装了CANopen的设备中，仅需稍加变动即可轻松实现EtherCAT，绝大部分的CANopen固件都得以重复利用。并且，可以选择性地扩展对象，以便利用EtherCAT所提供的巨大带宽。

EtherCAT实施伺服驱动 设备行规IEC 61491 (SoE)
SERCOS interface 是全球公认的、用于高性能实时运行系统的通讯接口，尤其适用于运动控制的应用场合。

用于伺服驱动和通讯技术的SERCOS框架属于IEC 61491标准[8] 的范畴。该伺服驱动框架可以轻松地映射到EtherCAT中，嵌入于驱动中的服务通道、全部参数存取以及功能都基于EtherCAT邮箱（参见图12）。在此，关注焦点还是EtherCAT与现有协议的兼容性（IDN的存取值、属性、名称、单位等），以及与数据长度限制相关的扩展性。过程数据，即形式为AT和MDT的SERCOS数据，都使用EtherCAT从站控制器机制进行传送，其映射与SERCOS映射相似。并且，EtherCAT从站的设备状态也可以非常容易地映射为SERCOS协议状态。EtherCAT从站状态机可以很容易地映射到SERCOS协议的通信阶段。

EtherCAT为这种在CNC行业中广泛使用的设备行规提供了先进的实时以太网技术。这种设备行规的优点与EtherCAT分布时钟提供的优点相结合，保证了网络范围内精确时钟同步。可以任意传输位置命令，速度命令或扭矩命令。取决于实现方式，甚至可能继续使用相同的设备配置工具。

EtherCAT实现以太网(EoE)
EtherCAT技术不仅完全兼容以太网，而且在“设计”之初就具备良好的开放性特征——该协议可以在相同的物理层网络中包容其它基于以太网的服务和协议，通常可将其性能损失降到最小。对以太网的设备类型没有限制，设备可通过交换机端口在EtherCAT段内进行连接。以太网帧通过EtherCAT协议开通隧道，这也正是VPN、 PPPoE (DSL) 等因特网应用所普遍采取的方法。EtherCAT网络对以太网设备而言是完全透明的，其实时特性也不会发生畸变（参见图13）。

EtherCAT设备可以包容其它的以太网协议，因此具备标准以太网设备的一切特性。主站的作用与第2层交换机所起的作用一样，可按照编址信息将以太网帧重新定向到相应的设备。因此，集成万维网服务器、电子邮件和FTP 传送等所有的因特网技术都可以在EtherCAT的环境中得以应用。

EtherCAT实现文件读取(FoE)
这种简单的协议与TFTP类似，允许存取设备中的任何数据结构。因此，无论设备是否支持TCP/IP，都有可能将标准化固件上载到设备上。

ADS over EtherCAT (AoE)
ADS over EtherCAT (AoE)是由EtherCAT规范定义的客户端-服务器邮箱协议。尽管CoE协议提供了详尽的描述，但AoE则更适合路由与并行服务的应用：通过网关设备访问子网络，如EtherCAT至CANopen 或EtherCAT至IO-Link 网关设备。AoE使EtherCAT主站应用（如PLC程序）可以访问所属CANopen 或 IOLink从站的各个参数。AoE路由机制开销远低于因特网协议（IP）所定义的开销，并且发送方和接收方寻址参数始终包含在AoE报文中。因此，EtherCAT主站和从站端的实施更为精简。AoE也通过EtherCAT自动化协议（EAP）进行非周期通信的标准化，从而为上位机MES系统或主计算机、EtherCAT主站及其从属的现有设备之间提供无缝通信。同时，AoE也提供了从远程诊断工具获取EtherCAT网络诊断信息的标准化方法。
 

主站设计

EtherCAT可以在单个以太网帧中最多实现1486字节的分布式过程数据通讯。其它解决方案一般是，主站设备需要在每个网络周期中为各个节点处理、发送和接收帧。

而EtherCAT系统与此不同之处在于，在通常情况下，每周期仅需要一个或两个帧即可完成所有节点的全部通讯，因此，EtherCAT主站不需要专用的通讯处理器。主站功能几乎不会给主机CPU带来任何负担，轻松处理这些任务的同时，还可以处理应用程序，因此EtherCAT无需使用昂贵的专用有源插接卡，只需使用无源的NIC卡或主板集成的以太网MAC设备即可。EtherCAT主站很容易实现，尤其适用于中小规模的控制系统和有明确规定的应用场合。

例如，如果某个单个过程映像的PLC没有超过1486 字节，那么在其周期时间内循环发送这个以太网帧就足够了。因为报文头运行时不会发生变化，所以只需将常数报文头插入到过程映像中，并将结果传送到以太网控制器即可。

EtherCAT映射不是在主站产生，而是在从站产生（外围设备将数据插入所经以太网帧的相应位置），因此，此时过程映像已经完成排序。该特性进一步减轻了主机CPU的负担。可以看到，EtherCAT主站完全在主机CPU中采用软件方式实现，相比之下，传统的慢速现场总线系统通过有源插接卡方可实现主站的方式则要占用更多的资源，甚至服务于DPRAM的有源卡本身也将占用可观的主机资源。

系统配置工具（通过生产商获取）可提供包括相应的标准 XML 格式启动顺序在内的网络和设备参数。

已经在各种实时操作系统上实现了EtherCAT主站，包括但并不限于：eCos, INtime, MICROWARE OS-9,MQX, On Time RTOS-32, Proconos OS, Real-Time Java, RT Kernel, RT-Linux, RTX, RTXC, RTAI Linux,PikeOS, Linux with RT-Preempt, QNX, VxWin + CeWin, VxWorks, Windows CE, Windows XP/XPE with CoDeSys SP RTE, Windows NT/NTE/2000/XP/XPE/Vista with TwinCAT RTE, Windows 7 and XENOMAI Linux.
可以获得开源主站协议栈，作为示例代码或商业软件。也有各种公司提供各种硬件平台上的实施服务。可以在EtherCAT网站上的产品区找到快速增长的供应商信息[1]。

另一种EtherCAT主站的实现方式是使用样本代码，花费不高。软件以源代码形式提供，包括所有的EtherCAT主站功能，甚至还包括EoE（EtherCAT实现以太网）功能（见图15）。开发人员只要把这些应用于Windows环境的代码与目标硬件及所使用的RTOS加以匹配就可以了。该软件代码已经成功应用于多个系统。

从站设计

EtherCAT从站设备使用一个价格低廉的从站控制器芯片ESC。从站不需要微处理器就可以实现EtherCAT通信。可以通过I/O接口实现的简单设备可以只由ESC和其下的PHY，变压器和RJ45接头。给从站的过程数据接口是32位的I/O接口。这种从站没有可配置的参数，所以不需要软件或邮箱协议。EtherCAT状态机由ESC处理。ESC的启动信息从EEPROM中读取，它也支持从站的身份识别。

更复杂的可配置从站有使用一个CPU。这个CPU和ESC之间使用8位或16位并行接口或串行SPI接口。要求的CPU性能取决于从站的应用，EtherCAT协议软件在其上运行。EtherCAT协议栈管理EtherCAT状态机和应用层协议，可以实现CoE协议和支持固件下载的FoE协议。EoE协议也可以实施。

从站控制器通常都有一个内部的DPRAM(DUAL PORT RAM)，并提供存取这些应用内存的接口范围：

串行SPI（串行外围接口）主要用于数量较小的过程数据设备，如模拟量I/O模块、传感器、编码器和简单驱动等。该接口通常使用8位微控制器，如微型芯片PIC、DSP、Intel 80C51等(见图16)。
8/16位微控制器并行接口与带有DPRAM接口的传统现场总线控制器接口相对应，尤其适用于数据量较大的复杂设备。通常情况下，微控制器使用的接口包括Infineon 80C16x、Intel 80x86、Hitachi SH1、ST10、ARM和TI TMS320等系列(见图16)。
32位并行I/O接口不仅可以连接多达32位数字输入/输出，而且也适用于简单的传感器或执行器的32位数据操作。这类设备无需主机CPU(见图17)。

PDO（过程数据对象）、SDO（服务数据对象）

报文通过从站控制器时，从站读取出相关命令并进行对应处理，数据处理通过硬件完成，延间约为100-_500ns，通信性能独立于MCU的响应时间。每个ESC最大有容量为64KB的可用的内存编址，能进行连续或同步的读写。多个EtherCAT命令数据可以被嵌入到一个以太网报文中，每个数据对应独立的设备或内存区。

EtherCAT极大提高了以太网的性能，比如操作1000个I/O信号的时间约为30微秒。单个报文至多容纳1486字节的过程数据，和12000位I/O信号相当，更新所需时间约为300微秒。控制100个伺服单元的时间约为100微秒。

在基于PC的主站中，一般使用网络接口卡NIC(Network Interface Card)其中的网卡芯片集成了以太网通信控制器和物理层数据收发器。但是在嵌入式主站中，通信控制器通常集成在微处理器中。

EtherCAT从站设备同时实现应用控制和数据通信两部分功能，其组成如图所示，由四部分组成:从站控制微处理器、EtherCAT从站控制器ESC芯片、物理层器件和其他应用层器件。

EtherCAT报文由从站控制器来处理，使用双端口存储区完成主从站间的数据交换。每个从站ESC在环路上按各自的顺序移位读写数据。当数据帧经过从站时，ESC从中读取发送给自己的命令数据并放到内部存储区，插入的数据又被从内部
存储区写到子报文中。

从站控制微处理器主要负责处理EtherCAT通信和完成控制任务。微处理器从ESC获取控制数据实现设备控制功能，并采样设备的反馈数据写入ESC。从站控制微处理器的选型根据设备控制任务，可以使用ARM或DSP; 8位、16位或32位的处理器。EtherCAT从站采用MII接口模式时，需要使用标准以太网物理层器件:物理层芯片PHY,隔离变压器等。采用EBUS接口时不需要任何其他芯片。

EtherCAT从站芯片板卡介绍