如何同步运行？--基于EtherCAT的柔性电机驱动系统

在自动化生产线中，EtherCAT网络轻松实现了过去难以同步控制的成百上千个电机，如流水线等。本文将探讨如何通过柔性电机驱动系统，在EtherCAT网络环境中实现对多电机的精确控制。

 

 脉冲信号传统的伺服电机采用I/O脉冲信号控制，主站发一个脉冲，电机走一步。这种驱动器，引线太多、连接不可靠，而且主站也没办法扩展出成百上千组信号出来！
 CAN总线既然I/O脉冲控制接线多、又不能控制太多电机，那能否使用总线统一控制？ 答案是可以！首先流行起来是CAN总线。CAN总线的时间同步是通过在总线上传输时间戳来实现，能保证总线上的全部从节点统一时间处理数据！但CAN总线理论上最多只支持110个从节点，在实际应用中，由于电气特性的限制，通常不能多于100个节点。而且数据传输速度也不高，常用的CAN2.0A在超高速模式下才1Mbps。这些也导致满足不了数百个电机驱动器的同步要求。但在CAN总线的使用中，CANopen协议应运而生。CANopen中最重要的通讯协议栈是DS301，而DS402是在DS301基础之上拓展出的伺服类控制协议。DS402把一个伺服控制系统应该具有的功能都定义好了，厂家和使用者按照协议即可开发和使用符合标准的设备。正是有了DS402协议标准，为后面的EtherCAT总线铺平了伺服控制的道路。
 EtherCAT总线EtherCAT是一个开发的架构，基于太网为基础的现场总线系统。具有以下优点：

1. 高速传输，使用双绞线或光线，可以在30uS内处理1000个分布式I/O信号，或在100uS内处理100个电机轴。
2. 精确同步，具有纳秒级别的同步性，协议栈处理延迟仅需几纳秒。
3. 灵活拓扑，EtherCAT网络最多可支持65535个从设备，且对拓扑的结构没有限制，线性、树形、星型等拓扑都支持。

对于通讯协议，CANopen被直接移植到EtherCAT总线上使用，称为COE（CANopen over EtherCAT）。对于电机控制，CANopen下的DS402协议被顺理成章地使用。在CAN总线上数据传输速度不高、节点不能多、同步性一般的问题都被迎刃而解。

 柔性电机驱动系统致远电子推出柔性电机驱动系统，能满足个性化的接口需求。该系统采用EtherCAT为网络，从站模块面积59mm*50mm，采用40脚标准排针接口。电机驱动、I/O、模拟采集、电源、耦合器等多种模块选择。用户按需制作分线底板即可，从站板插在底板上通过EtherCAT网络级联，最多支持255个。

图3ZMD-E1050ETC步进电机驱动模块

• 24V~48V/1.5A的两相步进电机；
• 1/2/4/8/16/32/64/128/256细分选择；
• CiA402运动控制协议，支持CSP/PP/HM/PV模式；
• 3个数字输入，1组ABZ正交编码输入；
• 开环或编码器闭环控制可选。

理论上只要底板做得足够大，就可以串接数百个步进电机驱动模块。但是为了提高可靠性和易用性，每个底板通常只安装10~50个电机模块或其他功能的模块；并通过ZPWB-240302电源模块给EtherCAT部分独立供电；然后通过ZCPB-80600 EtherCAT耦合器，用网线接通上级和下级的底板；最后形成数百个的电机驱动系统。

图4

后面的专题，我们将剖析DS402协议中的两种位置控制模式CSP和PP，如何在柔性电机驱动系统中发挥作用。敬请留意。表1 电机模组选型表

表2 I/O模组选型表