EtherCAT总线在运动控制系统的应用

EtherCAT 分布式时钟 (<< 1 μs同步精度）
▪ 各个驱动器之间以及驱动和I/O之间精准同步(<< 1 μs!) — 通过分布时钟的精确校准实现
M
S
∆t IPC
.... DVI
S
S
I/O
EtherCAT总线
SSSSS
误差<1 μs
伺服驱动
驱动技术 2020/8/3 8
EtherCAT从系统上突破了传统总线
from/to Ethernet Controller per
Direct Memory Access):
negligible
驱动技术 2020/8/3 12
灵活的拓补结构
IPC I/O
EterhCAT总线 伺服驱动
驱动技术 2020/8/3 13
冗余功能: 防止网络断线
Master
RX Unit TX Unit
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
不再需要I/O内部总线
驱动技术 2020/8/3 10
EtherCAT：采用一网到底的结构
▪ EtherCAT系统结构
I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task
EtherCAT总线在运动控制系统中的应用
驱动技术 2020/8/3 1
全球40多个驱动产品制造商发布了具有EtherCAT接口的驱动器 全球850个EtherCAT会员单位
AMK BECKHOFF CT Danaher KEB LTI（LUST） SEW Stober 鲍米勒 力士乐 伦茨 百格拉 正频
DVI
23
2
Telegram structure Ethernet HDR HDR 1
PLC Data
HDR 2 NC Data
HDR n
Data n
CRC
Data n PLC Data NC Data
SubTelegram 1
SubTelegram 2
SubTelegram n
0
驱动技术 2020/8/3 7
驱动技术 2020/8/3 5
运行原理：飞速传输的以太网协议
Slave Device
EtherCAT Slave Controller
Slave Device
EtherCAT Slave Controller
▪ 在帧的传输过程中过程数据被提取或插入 ▪ 每个从站对过程数据的大小几乎无限制（1 Bit…60 Kbyte,
I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task 不再需要特殊的主站接口
Tmpd
Bus Cycle Bus Cycle Bus Cycle Bus Cycle Bus Cycle Bus Cycle Bus Cycle
TI/O
驱动技术 2020/8/3 11
EtherCAT：采用一网到底的结构
▪ EtherCAT系统结构
I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task
TDMA (NIC) TEtherCAT Cycle
TDMA (time for Data transfer
▪ 对于设备的控制EtherCAT采用经过大量实践检验的现有协议 ▪ CANopen over EtherCAT: I/O, 驱动, 阀导，等.. ▪ SERCOS over EtherCAT: 用于伺服驱动
CANopen
?
Device Profile
Aቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Device Profile
B
Device Profile
RX
TX
MAC 1 MAC 2 RX TX RX TX
只需要两个以太 网口，无需其他
特殊硬件
JJ
Slave 1 Slave M-1
... RX TX RX TX
TX RX TX RX
JJ
Slave M+1
Slave N
... RX TX
RX TX
TX RX
TX RX
驱动技术 2020/8/3 14
在EtherCAT 上层的运动控制协议
如果需要则使用几个以太网帧传输） ▪ 每一个循环中帧的报文数据构成可以不同。如：超短循环时
间用于轴数据，稍长循环用于I/O刷新 ▪ 并支持异步的、事件触发的通信
驱动技术 2020/8/3 6
EterhCAT协议架构
logical Process image: up to 4 GByte
IPC
....
驱动技术 2020/8/3 2
系统结构图
IPC I/O
EterhCAT总线 伺服驱动
驱动技术 2020/8/3 3
EtherCAT是什么？
超超高高速速工工业业以以太太网网
驱动技术 2020/8/3 4
EtherCAT 性能表现
▪ 传输速率: 2 x 100 Mbaud （全双工） ▪ “火车” (以太网帧) 不停地飞速行使 ▪ 100 伺服轴(每个8 Byte IN+OUT) ：100 μs = 0.1 ms ▪ 分布于100 节点的1000 开关量I/O ：30 μs = 0.03 ms ▪ 200 模拟量I/O (16 bit) ：50 μs, 20 kHz 采样频率
传统的总线数据传输----需要经过3次接力数据才能到达程序
I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task
Tmpd Bus Cycle Bus Cycle Bus Cycle Bus Cycle Bus Cycle Bus Cycle Bus Cycle
C
Device Profile
X
OSI Layer 7: EtherCAT Spec „Communication Profile“
OSI Layer 2: OSI Layer 1: Bus-Line
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
Input
Output
最大输入读取时间：= I/O内部总线传输时间+现场总线传输时间+CPU传输到内存时间
驱动技术 2020/8/3 9
EtherCAT：采用一网到底的结构
▪ 总线直达I/O，不再需要I/O内部总线到现场总线的接力. ▪ DMA直接将总线传上来的数据复制到内存，不再经过CPU.