日趨激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，要求設(shè)備或機(jī)器制造商交付儀器時(shí)要擁有更大的吞吐率，同時(shí)要有更小的運(yùn)行成本。不斷增加的成本和環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)，也要求工程師的設(shè)計(jì)具有更小的能源消耗。正因?yàn)槿绱?，設(shè)備制造商不再設(shè)計(jì)僅僅針對(duì)單一目標(biāo)的設(shè)備，而是通過采用現(xiàn)代控制系統(tǒng)和邏輯算法，在機(jī)械結(jié)構(gòu)中融入高端電子和通信技術(shù)，著力創(chuàng)造更靈活有效的多用途設(shè)備。
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圖1. 使用機(jī)械零件的傳統(tǒng)應(yīng)用

圖2. 如今的方法使用多個(gè)同步軸

在一個(gè)典型系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)控制器負(fù)擔(dān)著日益復(fù)雜的要求。通過處理多軸同步，這些控制器可以提供齒輪和凸輪功能，以及諸如限位開關(guān)、驅(qū)動(dòng)器使能和急停等安全功能。除此之外，該運(yùn)動(dòng)控制器還需要提供傳統(tǒng)的功能并以最佳的性能和效率運(yùn)行控制算法。

1. 運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)趨勢(shì)

傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用使用一個(gè)專門的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)處理更大的控制復(fù)雜性。當(dāng)代自動(dòng)控制器性能的提升，如可編程的自動(dòng)化控制器或可編程的邏輯控制器，推動(dòng)了將運(yùn)動(dòng)控制器的功能直接整合到自動(dòng)化控制器這樣一種趨勢(shì)，并將其視作一個(gè)優(yōu)先級(jí)高于其它自動(dòng)化任務(wù)的方式來(lái)運(yùn)行。

20世紀(jì)80年代初以來(lái)，自動(dòng)化系統(tǒng)是基于數(shù)字總線來(lái)執(zhí)行諸如傳輸過程數(shù)據(jù)和執(zhí)行工業(yè)通信任務(wù)的。相對(duì)于模擬總線，它們更可靠，功能更強(qiáng)大，特別是對(duì)于遠(yuǎn)距離通信來(lái)說更是如此。此外，數(shù)字網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化了布線，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S以串行方式連接多個(gè)單元，而不是單獨(dú)連接每個(gè)元素。這樣的系統(tǒng)在布線方面更加便宜，更容易維護(hù)。

出于對(duì)性能的需要，許多年來(lái)運(yùn)動(dòng)控制行業(yè)都采用另一個(gè)方法，即通過模擬總線或?qū)Ｓ眠\(yùn)動(dòng)控制總線來(lái)連接驅(qū)動(dòng)器。這個(gè)額外的通信策略提高了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性。隨著數(shù)字驅(qū)動(dòng)器的趨勢(shì)日趨明顯和高性能數(shù)字總線的出現(xiàn)，現(xiàn)在可以在運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)處理當(dāng)中使用同一個(gè)總線，來(lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)。同時(shí)，通過EtherCAT, CANopen, PROFIBUS, Ethernet POWERLINK, 或 SERCOS等數(shù)字總線，可以獲得顯著的性能提升。

特別是在執(zhí)行分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制的應(yīng)用中，數(shù)字總線有很大的優(yōu)勢(shì)。它們可以提供更高的靈活性，并允許使用分布到驅(qū)動(dòng)器層次的處理能力和決策能力來(lái)開發(fā)系統(tǒng)。使用同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，用戶就可以簡(jiǎn)單地將不同的供應(yīng)商的系統(tǒng)整合起來(lái)，為他們的特定應(yīng)用選擇最佳的方案。

通過使用經(jīng)由數(shù)字總線進(jìn)行通信的數(shù)字驅(qū)動(dòng)器，供應(yīng)商和制造商不僅可以使用交換控制相關(guān)的數(shù)據(jù)，而且可以傳輸狀態(tài)信息或安裝參數(shù)來(lái)創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)器。自動(dòng)化用戶所關(guān)心的一個(gè)主要問題就是，對(duì)于通用的自動(dòng)化應(yīng)用和特定的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用來(lái)說，哪個(gè)才是正確的協(xié)議。

最常見的基于以太網(wǎng)的協(xié)議：

EtherCAT

SERCOS II/III

CANopen

Modbus IDA

PROFINET

PROFIBUS

EtherNet/IP

Ethernet POWERLINK

由于存在很多不同的總線標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，客戶需要確保他們想使用的零部件可以提供正確的接口。這意味著制造商常常不得不為自己的零部件開發(fā)幾個(gè)不同的版本。這增加了開發(fā)成本，而且要同時(shí)滿足多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組織的要求。National Instruments等公司努力提供開放式的系統(tǒng)，與各種總線標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議進(jìn)行交互。

在對(duì)所有主要工業(yè)協(xié)議提供支持，并對(duì)所有標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)提供互聯(lián)的同時(shí)，National Instruments選擇EtherCAT作為針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的主要通信協(xié)議。

2. 針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的EtherCAT技術(shù)

EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)）是一種高性能、用于確定性以太網(wǎng)的工業(yè)通信協(xié)議。它使用可預(yù)測(cè)的時(shí)序和精確的同步數(shù)據(jù)擴(kuò)展了IEEE 802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議。在EtherCAT技術(shù)組的管理下，這個(gè)開放性標(biāo)準(zhǔn)已作為IEC 61158的一部分被公布，并通常用在諸如機(jī)械設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)控制等應(yīng)用中。

EtherCAT通過標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)連接實(shí)現(xiàn)主/從架構(gòu)。National Instruments的EtherCAT主控器包括雙以太網(wǎng)端口實(shí)時(shí)控制器，如NI CompactRIO，PXI和工業(yè)控制器等。每個(gè)NI從設(shè)備也包含兩個(gè)端口，允許從主控制器以菊花鏈的方式進(jìn)行連接。

EtherCAT協(xié)議在標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀內(nèi)直接傳輸數(shù)據(jù)，而不改變其基本結(jié)構(gòu)。當(dāng)主控制器和從設(shè)備在同一子網(wǎng)時(shí)，EtherCAT協(xié)議只是替代了以太網(wǎng)幀中的Internet協(xié)議（IP）。

圖3. 使用EtherCAT的以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)在主控設(shè)備和從設(shè)備之間以過程數(shù)據(jù)對(duì)象(PDO)的形式進(jìn)行通信。每個(gè)PDO有針對(duì)一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備的特定地址，這個(gè)“數(shù)據(jù)和地址”的組合（加上用于驗(yàn)證的工作計(jì)數(shù)器）作出了一個(gè)EtherCAT電報(bào)。一個(gè)以太網(wǎng)幀可以包含多個(gè)電報(bào)，而一個(gè)控制周期可能需要多個(gè)幀來(lái)可容納所有必要的電報(bào)。

高速性能
EtherCAT是專為單點(diǎn)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)高性能、高通道數(shù)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，例如控制應(yīng)用。由于從設(shè)備的讀寫可以發(fā)生在同一個(gè)幀內(nèi)，對(duì)EtherCAT電報(bào)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，可以實(shí)現(xiàn)分散的I / O。此外，完整的協(xié)議處理通常發(fā)生在硬件上，因而與協(xié)議棧運(yùn)行時(shí)、CPU性能或軟件執(zhí)行都無(wú)關(guān)。

定時(shí)和同步
在實(shí)現(xiàn)確定性網(wǎng)絡(luò)時(shí)的另一個(gè)因素便是主控制器需要負(fù)責(zé)使用分布式時(shí)鐘、用同一個(gè)時(shí)間同步多個(gè)從設(shè)備。在所有從設(shè)備當(dāng)中，必須有一個(gè)包含主時(shí)鐘，以同步其它從器件的時(shí)鐘。在NI的方案中，第一個(gè)從設(shè)備被指定至主時(shí)鐘，主控制器在每一個(gè)掃描周期中發(fā)送一個(gè)特殊的同步電報(bào)，以讀取主時(shí)鐘。然后這個(gè)電報(bào)更新和重新調(diào)整所有其它從設(shè)備的時(shí)鐘，以防止漂移。

精確的同步對(duì)于在大范圍上分布、并需要同步動(dòng)作的過程來(lái)說非常重要，如在多個(gè)運(yùn)動(dòng)軸之間協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。NI使用時(shí)間戳來(lái)衡量離開幀和返回幀之間的時(shí)間差。通過這種方式，在節(jié)點(diǎn)之間計(jì)算傳播延遲，可以對(duì)分布式時(shí)鐘進(jìn)行精確調(diào)整以實(shí)現(xiàn)精確的同步(小于1微秒)。

由于高速性能，及其嚴(yán)格的定時(shí)和同步功能，EtherCAT對(duì)于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)或分布式運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用來(lái)說是一個(gè)理想的解決方案。其中，一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)時(shí)控制器作為在EtherCAT的主控器，并運(yùn)行運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用程序，與外部的分布式EtherCAT從驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行通信。

National Instruments EtherCAT伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器
NI EtherCAT的伺服驅(qū)動(dòng)器性能強(qiáng)大，同時(shí)擁有靈活性相、可擴(kuò)展性、和功率范圍，使用圖形化編程的NI LabVIEW與LabVIEW NI SoftMotion模塊，可以滿足幾乎任何應(yīng)用獨(dú)特的性能要求，從基本的扭矩和速度的應(yīng)用 – 到多軸運(yùn)動(dòng)控制。

標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)電纜，大大簡(jiǎn)化了高達(dá)128軸的菊花鏈的布線和能力。一個(gè)高性能實(shí)時(shí)控制器允許在幾分鐘內(nèi)安裝一個(gè)分布式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。使用LabVIEW項(xiàng)目配置和驗(yàn)證的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了安裝和圖形化編程的過程。使用高層次的運(yùn)動(dòng)函數(shù)或?qū)傩哉{(diào)用節(jié)點(diǎn)的API，用戶可以實(shí)現(xiàn)通過簡(jiǎn)單易用的圖形化編程定制運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用。

圖4. 通過LabVIEW項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)軸的圖形

NI實(shí)時(shí)控制器，AKD EtherCAT伺服驅(qū)動(dòng)器，NI LabVIEW, 和 LabVIEW NI SoftMotion 模塊使EtherCAT技術(shù)簡(jiǎn)單易用，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)式或分布式運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用。