基于EtherCAT通信的伺服电机驱动系统设计

廖 平,刘晓明

(中南大学，高性能复杂制造国家重点实验室，湖南长沙 410083)

0 引言

伴随工厂工业自动化的发展，交流伺服系统在网络化、响应速度、实时性等方面已经无法满足高精度、多轴同步控制的需求。为了达到快速的动态响应和高精度的位置跟踪，工业以太网技术已被应用于交流伺服驱动器中[1]。EtherCAT是实时工业以太网技术，它以修改标准以太网的方式实现，具有全双工通信，数据传输具有高速、高效的特点，总线利用率高，其数据有效率可达 90%以上，并支持线型、树型、星型网络拓扑结构[2]。目前，EtherCAT通信在应用中多采用MCU+EtherCAT控制芯片作为从站的方案，增加从站数量时，导致MCU的数量增加，成本增高，系统复杂。

文中采用将EtherCAT控制芯片集成到交流伺服电机驱动系统中的方案，省去对MCU的需求。该系统使用TMS320F28335 DSP芯片和ET1100芯片，采用磁场定向控制算法，通过在主站上运行TwinCAT-3软件即可实现位置控制、速度控制、转矩控制3种控制模式，同时具有伺服专用I/O接口和模拟信号采集接口。

1 系统结构及工作原理

主站为标准PC机，运行TwinCAT-3软件，使用8255x系列网卡，通信模块采用ET1100 芯片实现与主站通信，驱动模块采用DSP 28335实现伺服电机的驱动，主站和驱动器之间采用普通网线连接，如图1所示。

1 系统结构图

1.1 系统EtherCAT通信原理

EtherCAT协议使用一个特殊类型的以太网数据帧，帧类型为0x88A4。其结构如图2和表1所示，EtherCAT以太网数据帧的数据区由多个子报文组成，每个子报文包括子报文头、数据域和相应的工作计数器(WKC)，每个子报文都服务于1个特定的逻辑映像区[3]。本文驱动系统中只使用了1个子报文。PC主站发送包含数字伺服控制指令的数据帧在设备中持续传输，从站设备中的 FMMU在数据帧通过时读出该数据帧中映射到此设备的逻辑地址中的数据。同时可以将数字伺服状态数据即输入数据，在数据帧通过时插入到相应的逻辑地址区中，数据帧在整个过程仅有几ns的延时。整个过程利用了以太网设备独立处理双向传输(TX和RX)的特点，并运行在全双工模式下，发出的数据帧又通过RX线返回到控制单元[4]。通常每个通信周期只需要传输1个以太网数据帧，这个数据帧沿着逻辑环传输1周，完成所有的广播式、多播式以及从站间的通信。这种通信方式极大提高了EtherCAT的通信速率和有效数据率。

图2 EtherCAT数据帧结构

表1 EtherCAT帧结构定义

1.2 电机驱动磁场定向算法原理

永磁同步电机的控制是基于对电机定子电流的幅值和相位的控制。磁场定向算法就是引入空间矢量和矢量变换的方法，将电机的定子的电流通过Clarke变换和Park变换进行解耦，达到控制的目的，如图3所示。

图3 磁场定向算法结构框图

Clarke变换是将三相定子坐标系变换成两相正交坐标系，在固定正交坐标系中定子电流矢量的投影为

(1)

式中：ia为采集电机中的U相电流；ib为采集电机中的V相电流；ic为采集电机中的W相电流，ic等效成一个空间矢量is，然后再将is在旋转的参考坐标系中分解成isα和isβ。

为了完全消除转矩和转子的磁通位置的关系，达到解耦的目的，将两相交流坐标系(isα，isβ)在两相直流坐标系(isd，isq)投影，进行Park变换，相应变换方程为

(2)

式中：isα,isβ为Clarke变换结果；θe为电机角度。

2 系统硬件结构设计

系统硬件包括EtherCAT通信模块和 TMS320F28335伺服驱动模块，如图4和图5所示。EtherCAT通信模块设计2个标准RH45网络接口，用于连接主站和下一从站。EtherCAT通信模块通过 PDI Selector 选择通过何种接口(8位或16位并行接口、SPI 接口、SSI接口)和DSP微处理器相连，考虑数据传输速度和接口数最少，本系统中选用SPI接口方式与DSP连接，实现数据传输。DSP使用磁场定向空间矢量完成对智能功率IPM的控制，实现DC-AC的逆变，驱动电机转动，通过正交编码电路接口检测电机位置和速度信号，DSP的A/D单元检测DC母线电压和电流。同时，系统设计了外接MCU的模拟信号输出，数字信号输入输出电路和485通信模块，方便调试。

图4 EtherCAT通信模块

图5 伺服驱动模块

2.1 EtherCAT通信模块硬件设计

本模块主要包括：EtherCAT从站控制芯片ET1100、以太网PHY芯片KS8721、以太网数据变压器H1102和RJ45连接器。ET1100实现数据链路层数据帧处理，其通过MII接口模式与物理层KS8721连接。物理层与数据变压器组成网络接口，其中数据变压器主要是实现隔离和阻抗匹配。从站配置数据和从站描述数据保存于EEPROM中，主站通过读写ET1100的控制寄存器来读写EEPROM。

2.2 DSP伺服驱动模块硬件设计

DSP和ET1100通过SPI接口连接，启动时主站发送数据帧给ET1100，DSP读取数据帧，解析数据后进行电机伺服控制，同时将反馈数据通过ET1100发送给主站[5]。

(1)外部MCU控制电路设计。目前伺服电机驱动都能实现位置、速度和转矩控制和数字I/O控制。本文中转矩和速度控制电路可以将外部MCU输入的-10～+10 V的模拟量转化0～3.3 V电压信号，由DSP ADC模块进行采集。位置控制采用“脉冲+方向”控制，经过光耦后发送给DSP。系统设计有8路数字I/O输入使用光耦HCPL2530进行隔离，包括伺服使能、速度指令方向等信号；5路数字I/O输出使用TLP523进行隔离，包括伺服准备好信号、零速信号等。

(2)电流检测定标模块设计。图6为U相电流采集电路，采用2个霍尔传感器ASC712-20分别检测U、V相电流，将电流信息转化为电压信息，经过一级运放隔离后由DSP的A/D模块转化为数字信号，为电流环调节提供电流反馈。

图6 U相电流检测电路

ACS712-20输出电压Vout和被检测的电流Ip间的关系为

(3)

(4)

ADC采样电压Vin和被检测的电流Ip间的关系为

(5)

(3)编码器反馈信号电路设计。电机自带的编码器反馈信号以 A+、A-，B+、B-，Z+、Z- 3对差分信号经过差分接收器AM26LV32转换成单端信号，并经高速光耦6N137隔离后，送入DSP的EQEP单元接收。该模块主要用于确定电机定子电气位置和机械速度。

(4)功率逆变电路设计。该电路通过DSP发出的PWM信号通过光耦HCPL4504控制IPM内的IGBT开关实现DC-AC的逆变。智能功率模块IPM具有响应速度快、功耗低、集成度高等优点，本系统选用了6MBP30VAA060-51器件。

(5)强弱电隔离设计。电源模块中，强电部分包括一路310 V直流母线电压和一路15 V/0.5 A的IPM控制信号电压，2组电源相互隔离；弱电部分包含2路5 V/1 A电源，1路用于芯片DSP和ET100供电，1路用于外设电路供电，2路电源共地，图7为示意图。弱电模块通过DSP发出的PWM波控制强电模块产生可控交流电，中间通过6个HCPL4505连接。进行强电测量时，示波器电源应隔离以免短路。

图7 强弱电隔离示意图

3 系统软件设计

3.1 EtherCAT从站XML配置文件

系统中EtherCAT从站运行在周期性数据模式下，采用同步模式在中断服务处理周期性数据[6]。XML文件是从站设备描述文件，写入在了 EEPROM里面，ET1100 上电后，会从 EEPROM 加载配置参数，完成启动初始化过程。主站设备扫描从站时，会读取 EEPROM 描述信息，完成对从站的初始配置。在COE下，XML里定义的对象字典和PDO(过程数据对象)设置，需要和程序里的对象字典相对应。RxPdo为从站接收主站数据，本系统设计了从站4组IO信号和3组模拟量信号输入，分别为数字量伺服使能、速度方向、报警清除、中断信号和模拟量速度控制、转矩控制和位置控制。TxPdo为主站接收从站数据，本系统设计了从站3组IO信号和1组模拟量输出，分别为数字量伺服准备好信号，速度到达信号和电机旋转输出；模拟量当前电压值和电流值。具体索引映射配置如表2所示。

3.2 DSP软件设计

交流伺服电机驱动系统系统上电或复位后，DSP先执行初始化程序，实现对DSP内部各个功能模块、I/O口、ET1100通讯的初始设定和系统整体的初始状态的检测。上述工作完毕，打开系统中断，循环等待TwinCAT3主站指令，执行相应程序。主程序软件框图，如图8所示。

表2 索引映射配置

图8 主程序流程框图

初始化模块主要功能模块包含：对DSP系统控制寄存器和外设进行配置；读取系统重要的运行参数和变量赋初值；驱动板上电软启动；外部输入模拟信号检测；驱动电路母线电压、相电流检测和PWM控制信号输出。检测主电路出现的过流、过/欠压和IPM电源欠压等故障信号。

ET1100通信模块包含：DSP通过从站实现与主站TwinCAT的I/O量、模拟量的传输。

3.3 主站软件设计

主站使用基于VisioStudio2013的TwinCAT-3软件，运行在Win7 64位系统。在TwinCAT-3中新建Project文件，右键Devices选择Scan开始扫描设备和I/O，右键PLC选择“添加新项”双击POUs，点击MAIN开始编程。将变量进行声明后，编程赋值。生成代码并进行编译，在test Instance中将输入输出变量进行变量连接，激活运行程序即可控制电机。

4 实验及分析

实验电机各项参数分别为电阻5.83 Ω、电感12.23 mH、额定电流1.2 A和额定转速1 000 r/min。设定电机空载转速3 000 r/min，在TwinCAT-3中发送启动指令。使用Wireshark网络分析器观测EtherCAT通信情况，抓包部分情况如图9所示，将驱动器的RS485接口连接到PC，获得电流数据波形如图10。

图9 Wireshark抓包部分数据

图10 U相电流波形

通过图9中第7帧和第6 帧数据时间，计算报文延迟为2.187 ns，捕获到的61字节循环周期为0.092 s，证明了主从站的通信性能良好。

由图10可看出，电机启动后电流突然增大，经过0.5 ms的时间达到额定电流，峰值为1.6 A，电机内产生了交流电，磁场定向算法运行稳定。

通过实验验证了基于EtherCAT通信的伺服驱动系统在EtherCAT通信和电机驱动控制方面的有效性。

5 结束语

本文对基于EtherCAT通信的交流伺服电机驱动系统进行了研究，着重介绍了EtherCAT通信原理和磁场定向算法，给出了软件硬件设计方案。实验验证了该系统能够通过EtherCAT通信控制电机，为EtherCAT通信在工业自动化应用中提供设计参考，具有一定的实用价值。