用于運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線技術(shù)

學(xué)術(shù)活動(dòng)用于運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線技術(shù)2014年

12月12日提綱背景介紹主流以太網(wǎng)總線技術(shù)EtherCAT協(xié)議EtherCAT文獻(xiàn)調(diào)研總結(jié)與展望提綱清華大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)論文答辯背景介紹主流以太網(wǎng)總線技術(shù)EtherCAT協(xié)議EtherCAT文獻(xiàn)調(diào)研總結(jié)與展望背景介紹傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)：在工業(yè)控制領(lǐng)域使用的以太網(wǎng)技術(shù)，在技術(shù)上與遵循IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的商用以太網(wǎng)相兼容，在產(chǎn)品穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性等方面能夠滿足之前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的要求。性能：管控一體化、與Internet集成、傳輸速度快。1.實(shí)時(shí)性能：傳輸速度、響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間1ms~100ms，傳輸速度達(dá)到百兆、千兆以上。2.通信不確定性：采用CSMA/CD介質(zhì)訪問(wèn)機(jī)制

反復(fù)偵聽(tīng)、檢測(cè)，數(shù)據(jù)傳遞中出現(xiàn)不可預(yù)知的延遲，影響實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)性和通訊不確定性的限制催生了實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線背景介紹實(shí)時(shí)以太網(wǎng)基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)

實(shí)時(shí)以太網(wǎng)(realtimeEthernet，RTE)：是工業(yè)以太網(wǎng)的延伸，可以滿足工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)通訊實(shí)時(shí)性和同步性的要求。不再兼容IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（嚴(yán)格意義上，不再是以太網(wǎng)），遵循的是IEC61158IEC61784-2標(biāo)準(zhǔn)，性能：1.實(shí)時(shí)性：響應(yīng)時(shí)間幾十μs，傳輸速度達(dá)到百兆、千兆以上。2.通信不確定性：克服，對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)的修改部分采用全雙工交換式以太網(wǎng)技術(shù)（AFDX），則交換機(jī)各端口之間的輸入和輸出不受CSMA/CD機(jī)制的約束，避免了沖突。背景介紹實(shí)時(shí)以太網(wǎng)分類基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)按照不同的實(shí)時(shí)性和成本要求使用不同的原理分為三類：基于TCP/IP、以太網(wǎng)、修改以太網(wǎng)背景介紹實(shí)時(shí)以太網(wǎng)分類基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)按照不同的實(shí)時(shí)性和成本要求使用不同的原理分為三類：基于TCP/IP、以太網(wǎng)、修改以太網(wǎng)1、基于TCP/IP實(shí)現(xiàn)通過(guò)上層合理的控制來(lái)應(yīng)對(duì)通訊中非確定性因素。只適用于實(shí)時(shí)性要求不高的工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化應(yīng)用。（Modbus/TCP、Ethernet/IP）背景介紹實(shí)時(shí)以太網(wǎng)分類基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)按照不同的實(shí)時(shí)性和成本要求使用不同的原理分為三類：基于TCP/IP、以太網(wǎng)、修改以太網(wǎng)2、基于以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)—使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)通信硬件，但不使用TCP/IP來(lái)傳輸，引入專門(mén)的過(guò)程數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，使用特定以太網(wǎng)幀進(jìn)行傳輸?？梢詫?shí)現(xiàn)較高的實(shí)時(shí)性。（EthernetPowerlink、EPA、PROFINetRT）背景介紹實(shí)時(shí)以太網(wǎng)分類基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)按照不同的實(shí)時(shí)性和成本要求使用不同的原理分為三類：基于TCP/IP、以太網(wǎng)、修改以太網(wǎng)3、修改以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)——在實(shí)時(shí)通道內(nèi)由實(shí)時(shí)MAC接管通訊控制，徹底避免報(bào)文沖突，簡(jiǎn)化通訊數(shù)據(jù)處理。從站由專門(mén)的硬件實(shí)現(xiàn)。（EtherCAT、SERCOS—III、PROFINetIRT）提綱清華大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)論文答辯背景介紹主流以太網(wǎng)總線技術(shù)EtherCAT協(xié)議EtherCAT文獻(xiàn)調(diào)研總結(jié)與展望總線產(chǎn)品總線種類基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)類型技術(shù)名稱種類類型技術(shù)名稱種類Type1TS61158現(xiàn)場(chǎng)總線Type11TCnetRTEType2CIP現(xiàn)場(chǎng)總線Type12EtherCATRTEType3Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線Type13EthernetPowerlinkRTEType4P2NET現(xiàn)場(chǎng)總線Type14EPARTEType5FFHSE高速以太網(wǎng)Type15Modbus2RTPSRTEType6SwiftNet被撤消Type16SERCOSⅠ.Ⅱ現(xiàn)場(chǎng)總線Type7WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線Type17VNET/IPRTEType8INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線Type18CC2Link現(xiàn)場(chǎng)總線Type9FFH1現(xiàn)場(chǎng)總線Type19SERCOSⅢRTEType10PROFINETRTEType20HART現(xiàn)場(chǎng)總線IEC61158第四版規(guī)定了20種現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)和實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，其中實(shí)時(shí)以太網(wǎng)八款。實(shí)時(shí)以太網(wǎng)性能對(duì)比基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)四款常用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線性能對(duì)比：總線產(chǎn)品比較項(xiàng)EthernetPOWERLINKProfiNetIRTSERCOSIIIEtherCAT抖動(dòng)<<1uS1uS<1uS<<1uS循環(huán)周期100uS(Max)1ms25us100uS傳輸距離100m100m40m100m是否需特殊硬件無(wú)ASICFPGA或

ASICASIC開(kāi)放性開(kāi)源技術(shù)需授權(quán)需授權(quán)需授權(quán)20萬(wàn)人民幣始創(chuàng)公司B&R（貝加萊）SIEMENSRexrothBeckhoff拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)任意拓?fù)涫芟奘芟蓿ōh(huán)形）靈活拓?fù)渫椒绞絀EEE1588時(shí)鐘同步IEEE1588時(shí)鐘同步

分布時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)編程簡(jiǎn)單復(fù)雜復(fù)雜復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)關(guān)注I/O，運(yùn)動(dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)總線運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)控制I/O，運(yùn)動(dòng)控制提綱清華大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)論文答辯背景介紹主流以太網(wǎng)總線技術(shù)EtherCAT協(xié)議EtherCAT文獻(xiàn)調(diào)研總結(jié)與展望基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)由于EtherCAT網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)具有高速度、強(qiáng)實(shí)時(shí)性、支持分布時(shí)鐘、布線方便等特點(diǎn)，支持多種設(shè)備連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在運(yùn)動(dòng)控制中應(yīng)用廣泛。在實(shí)時(shí)通道內(nèi)由實(shí)時(shí)MAC接管通訊控制，徹底避免報(bào)文沖突。從站由專門(mén)的硬件實(shí)現(xiàn)。一般主站直接購(gòu)買(mǎi)，從站在BECKHOFF提供芯片ET1100的基礎(chǔ)上二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。EtherCAT抖動(dòng)<<1uS循環(huán)周期100us傳輸距離100m是否需特殊硬件ASIC開(kāi)放性需授權(quán)始創(chuàng)公司Beckhoff拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活拓?fù)渫椒绞椒植紩r(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)關(guān)注I/O，運(yùn)動(dòng)控制1.不需要專門(mén)的運(yùn)動(dòng)控制單元2.多軸精確同步3.靈活的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)4.避免報(bào)文沖突，實(shí)時(shí)性基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)EtherCAT(EthernetforControlAutomationTechnology)由德國(guó)Beckhoff公司于2003年提出的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)，使用主從模式介質(zhì)訪問(wèn)控制，主站發(fā)送以太網(wǎng)幀到各個(gè)從站，從站讀取數(shù)據(jù)。主站使用的是標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口卡，從站使用專門(mén)的EtherCAT從站控制器ESC（EtherCATSlaveController）。

“數(shù)據(jù)列車(chē)”方式發(fā)送數(shù)據(jù)EtherCAT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)EtherCAT支持三種物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：線形、樹(shù)形、星形等EtherCATEtherCAT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)其性能有很大的影響數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)EtherCAT幀結(jié)構(gòu)目的地址：接收方MAC地址源地址：發(fā)送方MAC地址幀結(jié)構(gòu)：0x88A4數(shù)據(jù)長(zhǎng)度：報(bào)數(shù)據(jù)區(qū)長(zhǎng)度類型：是否通訊，1通訊FCS：校驗(yàn)序列一個(gè)EtherCAT以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀包含一個(gè)或多個(gè)EtherCAT子報(bào)文，

每個(gè)子報(bào)文尋址獨(dú)立的設(shè)備或存儲(chǔ)區(qū)域。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)一個(gè)EtherCAT以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀包含一個(gè)或多個(gè)EtherCAT子報(bào)文，

每個(gè)子報(bào)文尋址獨(dú)立的設(shè)備或存儲(chǔ)區(qū)域。EtherCAT子報(bào)文結(jié)構(gòu)命令字節(jié)：子報(bào)文類型索引號(hào)：子報(bào)文編碼子報(bào)文地址：從站地址長(zhǎng)度：報(bào)文數(shù)據(jù)區(qū)字節(jié)數(shù)R：保留位M：是否為最后一個(gè)報(bào)文中斷：中斷到來(lái)時(shí)標(biāo)志數(shù)據(jù)：用戶發(fā)送數(shù)據(jù)WKC：工作計(jì)數(shù)器分布時(shí)鐘基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)

分布時(shí)鐘(DC，DistributedClock)：主站連接的第一個(gè)具有分布時(shí)鐘功能的從站作為參考時(shí)鐘，以參考時(shí)鐘來(lái)同步其他從站和主站的從時(shí)鐘。實(shí)現(xiàn)使得所有EtherCAT設(shè)備使用相同的系統(tǒng)時(shí)間，控制各設(shè)備的同步執(zhí)行。與其他總線的顯著區(qū)別，IEEE1588時(shí)鐘。優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)段內(nèi)從站之間時(shí)鐘同步。EtherCAT時(shí)鐘初始偏差量：每個(gè)分布時(shí)鐘從站都有本地時(shí)鐘，本地時(shí)鐘獨(dú)立運(yùn)行，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)本地時(shí)鐘與參考時(shí)鐘之間的差值。傳輸延遲：數(shù)據(jù)幀在從站之間的傳輸存在延遲，包括設(shè)備內(nèi)部的延遲和物理連接的延遲。延時(shí)與偏移量基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)在EtherCAT工作前，時(shí)鐘初始偏差量和傳輸延遲均需要測(cè)量出來(lái)，寫(xiě)入從站時(shí)鐘。測(cè)量過(guò)程在分布時(shí)鐘初始化過(guò)程完成EtherCAT測(cè)量過(guò)程傳輸延遲信號(hào)傳送到第n的從站時(shí)，參考時(shí)鐘從站T1，從站n時(shí)間為T(mén)2(n)總線通訊時(shí)鐘同步基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)初始化過(guò)程，時(shí)鐘初始偏差量和傳輸延遲數(shù)值已經(jīng)保存在從站中，在同步時(shí)，先計(jì)算出本地系統(tǒng)時(shí)間，然后計(jì)算時(shí)鐘漂移量本地系統(tǒng)時(shí)間時(shí)鐘漂移量同步方法：從站控制本地時(shí)間是以10ns為單位，當(dāng)時(shí)鐘漂移量為正時(shí)，本地時(shí)鐘比參考時(shí)鐘快，則本地時(shí)鐘每10ns增加9ns，否則，每10ns增加11ns。提綱清華大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)論文答辯背景介紹主流以太網(wǎng)總線技術(shù)EtherCAT協(xié)議EtherCAT文獻(xiàn)調(diào)研總結(jié)與展望文獻(xiàn)調(diào)研基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)2013年，北京航空航天大學(xué)的郇極、劉艷強(qiáng)、單春榮等結(jié)合EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，在EtherCAT主從站配置方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。并利用時(shí)序分析儀，對(duì)EtherCAT總線延遲時(shí)間和周期時(shí)間進(jìn)行理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?？刂浦髡疽恢卑l(fā)送周期性數(shù)據(jù)幀控制兩個(gè)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，通信周期2ms另外，對(duì)EtherCAT冗余主站進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，可以應(yīng)對(duì)突發(fā)故障，提高穩(wěn)定性郇極等,實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT時(shí)序特性分析系統(tǒng).北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2013.39(09):文獻(xiàn)調(diào)研基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)許雄.實(shí)時(shí)以太網(wǎng)下多軸運(yùn)動(dòng)控制的同步問(wèn)題研究[D].上海交通大學(xué)同時(shí)，在考慮實(shí)時(shí)以太網(wǎng)延遲等因素的基礎(chǔ)上，根據(jù)軌跡誤差最小提出分布式位置同步控制，并進(jìn)行仿真預(yù)實(shí)提出驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)時(shí)以太網(wǎng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和高精度的多軸同步控制均方根誤差（RSME）2013年，上海交通大學(xué)的許雄、熊振華，針對(duì)實(shí)時(shí)多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線IEEE1588時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)鐘同步算法的研究，提出一種針對(duì)長(zhǎng)級(jí)聯(lián)路徑實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的時(shí)鐘同步算法，設(shè)計(jì)基于卡爾曼濾波器的PI時(shí)鐘伺服，降低同步誤差的增長(zhǎng)率。文獻(xiàn)調(diào)研基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)2008年，北京交通大學(xué)的汪雅楠、譚南林，詳細(xì)介紹了EtherCAT分布時(shí)鐘同步過(guò)程，建立了引入誤差量的從站延時(shí)模型，之后結(jié)合建立的模型針對(duì)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。汪雅楠,譚南林.EtherCAT時(shí)鐘同步的誤差仿真分析[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2011(7):22-26.仿真分析時(shí)，只需要得出各個(gè)從站的系統(tǒng)時(shí)間，以第一個(gè)從站為參考時(shí)鐘，系統(tǒng)時(shí)間為0，進(jìn)入下一從站是，增加三部分，時(shí)鐘初始偏移量、從站處理延遲和從站傳輸延遲。其中，初線性拓?fù)錁?shù)型拓?fù)浣Y(jié)論：1.300個(gè)從站的時(shí)鐘同步誤差遠(yuǎn)小于1μs（仿真），與ETG給出的數(shù)據(jù)一致。2.針對(duì)線性拓?fù)洌?，K約為0.23~0.25，誤差累積速率，可以估算線性拓?fù)溲舆t。始偏移量取為（0~

4294967296ns）的隨機(jī)數(shù)，從站處理延時(shí)誤差（0~10ns）的隨機(jī)數(shù)，從站的傳輸延時(shí)誤差取（0~60ns）的隨機(jī)數(shù)，從站數(shù)目取300，得出每個(gè)從站的同步誤差。文獻(xiàn)調(diào)研基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)大連理工大學(xué)的王磊、謝香林、李木國(guó)，基于EtherCAT實(shí)時(shí)總線開(kāi)發(fā)出用于海洋環(huán)境的伺服系統(tǒng)（海水的波動(dòng)），同樣開(kāi)發(fā)配置主從站，在從站中設(shè)計(jì)伺服控制器，并對(duì)EtherCAT總線進(jìn)行性能的分析，同時(shí)分析了電機(jī)伺服系統(tǒng)的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。對(duì)不同的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)進(jìn)行性能分析比較，對(duì)延遲時(shí)間、循環(huán)周期進(jìn)行分析，同樣，EtherCAT性能更具優(yōu)勢(shì)。謝香林.EtherCAT網(wǎng)絡(luò)及其伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究[J].2008,WangL,GuoliM,WangJ.ImplementingforNetworkedMotionControlSystemwithLarge-CapacityDataAcquisition[J].ProcediaEngineering,2011,15:28-32.WangL,LiM,QiJ,etal.DesignApproachBasedonEtherCATProtocolforaNetworkedMotionControlSystem[J].InternationalJournalofDistributedSensorNetworks,2014,2014:1-15.文獻(xiàn)調(diào)研基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)2012年武漢科技大學(xué)的黎妞、方康玲，2012年南昌航空大學(xué)的張根華、2011年華南理工大學(xué)的許陽(yáng)釗等均基于EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)結(jié)合各自環(huán)境條件，開(kāi)發(fā)配置從站。2012年，廣東工業(yè)大學(xué)的方稱生、高偉強(qiáng)，開(kāi)發(fā)了基于EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的開(kāi)放數(shù)控系統(tǒng)，并進(jìn)行性能測(cè)試，包括實(shí)時(shí)性、同步性時(shí)間差（小于80μs）、聯(lián)動(dòng)性能測(cè)試。2013年，湖南大學(xué)的張舜、周炎濤，基于EtherCAT總線開(kāi)發(fā)和配置從站控制器，并對(duì)其同步性能進(jìn)行分析。方稱生.基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].廣東工業(yè)大學(xué),2012.黎妞.基于EtherCAT的伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究[D].武漢科技大學(xué),2012.文獻(xiàn)調(diào)研基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)都靈理工大學(xué)的Cena,G;BertolottiI.C.;Scanzio,S等對(duì)EtherCAT分布時(shí)鐘的結(jié)構(gòu)、性能等進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析。CenaG,BertolottiIC,ScanzioS,etal.EvaluationofEtherCATDistributedClockPerformance[J].IEEETransactionsonIndustrialInformatics.CereiaM,BertolottiIC,ScanzioS.PerformanceofaReal-TimeEtherCATMasterUnderLinux[J].IEEETransactionsonIndustrialInformatics.CenaG,SenoL,ValenzanoA,etal.PerformanceanalysisofEthernetPowerlinknetworksfordistributedcontrolandautomationsystems[J].ComputerStandardsInterfaces對(duì)其他實(shí)時(shí)以太網(wǎng)時(shí)鐘同步性能也進(jìn)行了研究，如Powerlink總線的性能。主要研究EtherCAT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)同步誤差的影響，通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)對(duì)EtherCAT分布時(shí)鐘性能進(jìn)行定量分析（ns級(jí)別），其同步特性與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及數(shù)量有關(guān)。文獻(xiàn)調(diào)研基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)ABB研究中心的PrytzG,DalimirOrfanus等對(duì)EtherCAT和PROFINETIRT性能進(jìn)行比較分析，并對(duì)延遲誤差進(jìn)行理論分析。在實(shí)時(shí)性能上，EtherCAT性能優(yōu)于PROFINETIRT；同時(shí)，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的抖動(dòng)特性進(jìn)行分析、測(cè)量。KnezicM等對(duì)EtherCAT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行