EtherCAT 伺服驅動器

EtherCAT ? 是 Beckhoff 開發的一種基于以太網的高性能確定性網絡協議。經行業證明，它可以通過標準 100 base-T 硬件提供高速、確定性控制，并在要求苛刻的應用中實現超快、一致的結果。EtherCAT 是一種開放技術，這意味著每個人都可以使用、實施并受益于該技術。因此，EtherCAT 伺服驅動器已成為運動控制行業的重要組成部分。

EtherCAT 可用于我們所有的 FlexPro? 系列和我們的許多 DigiFlex ? Performance? （DP 系列）數字伺服驅動器，它們在扭矩、速度和位置模式下運行，并提供對所有伺服回路的全面調諧控制，以實現最高您的應用程序的性能。

支持 PCB 安裝的 EtherCAT 伺服驅動器還利用 ADVANCED Motion Controls 獨特的專有高速多軸通信接口和 I/O 擴展功能（“DxM”? 和“DxI/O”? 技術）。現在，單個 EtherCAT ? 節點可以容納多達 4 個運動軸的組合，每個軸具有 32 個數字輸入、32 個數字輸出、4 個模擬輸入和 2 個模擬輸出。結果是用于單軸或多軸應用的高度集成的高價值運動控制解決方案。

ADVANCED Motion Controls 的插件模塊 EtherCAT 伺服驅動器在 Design News 的年度金捕鼠器獎中被評為獲獎者，以表彰我們在產品設計中的工程創新和創造力！ ADVANCED Motion Controls 最新的伺服驅動器系列 FlexPro?是第一個從一開始就考慮到 EtherCAT ? 的伺服驅動器系列。

EtherCAT 的基本原理是透讀。與其他主節點單獨輪詢每個節點的協議不同，EtherCAT 向一個節點發送一條消息，然后將該消息傳遞到下一個節點和后續節點，直到網絡中的所有節點都接收到該消息。這是有效的，因為消息包含網絡中所有節點的信息和指令。每個節點只讀取和響應自己的數據，每個節點還可以通過在消息通過時將數據插入到消息中，將信息發送回 Master。例如，它可以在消息中添加位置、速度和狀態信息。一旦消息通過所有節點并返回給主節點，主節點就會讀取添加的數據。

當消息返回 EtherCAT 主站時，網絡中的每個節點都從主站接收到新的輸入數據，并將新的輸出數據返回給主站。可以將 EtherCAT 網絡比作鐵路，其中每個車站都可以在火車保持行駛狀態時卸載和重新裝載火車車廂。在沒有針對特定節點的小負載或消息的不足的情況下，EtherCAT 伺服驅動網絡可以實現最大的帶寬利用率。

所有 EtherCAT 數據包均由主站使用全雙工傳輸生成和發送。網絡上的所有 EtherCAT 電機控制器都可以在 EtherCAT 數據包經過時從 EtherCAT 數據包讀取數據并將數據寫入數據，每個從設備（與數據包的大小無關）只有很短的恒定延遲（通常小于 500 ns）。通常，僅使用一個數據包即可容納大量從設備，從而優化帶寬使用并降低中斷率。一項研究表明，在具有 50 臺設備和每臺設備 100 字節有效負載的千兆網絡上，最小循環時間為 50 微秒。即使在這個節點數和有效負載遠高于典型伺服系統的示例中，循環時間仍然比伺服驅動器的位置環和電流環更新速率更快。

EtherCAT 足夠快，可以通過分布式或集中式控制運行

分布式控制

通過分布式運動控制，伺服驅動器以速度模式或位置模式（與扭矩模式相反）運行。這允許主控制器專注于外部控制回路，讓伺服驅動器擔心內部回路。結果是控制器命令和控制運動所需的計算開銷更少，因為伺服驅動器通過關閉速度環和/或位置環來分擔一些責任。此外，伺服驅動器和控制器之間的網絡流量也減少了，因為需要發送的命令更少。

如果驅動器在 PVT 模式下運行，則可以進一步減少網絡流量。在這種模式下，驅動器會收到一系列位置、速度和時間值。每個 PVT 點定義在給定時間，電機將處于指定位置并以指定速度移動。PVT 點的“T”元素可以間隔超過 10 毫秒，從而大大減少網絡流量。然后驅動器在點之間進行插值。可以將多個 PVT 點發送到伺服驅動器并存儲在緩沖區中，以便在適當的時間使用。使用 PVT，驅動器處理所有運動控制任務，而控制器只定義運動路徑。CANopen 等較慢的網絡可以極大地受益于 PVT 控制。使用 EtherCAT，

在集中控制中，控制器向電機驅動器發送扭矩命令并關閉所有回路。在計算要求和網絡流量方面，集中控制的開銷比分布式控制要高得多。幸運的是，EtherCAT 的速度足夠快，可以使用集中控制方案進行操作。那么回報是什么？為什么要集中控制運行？在高性能應用中，系統設計人員可能希望使用專門的控制算法、過濾器、前饋，或者希望比插補移動更緊密地遵循運動路徑。集中控制使系統設計人員可以完全控制系統中的運動控制。

在運動控制中的高速網絡之前，來自電機和其他設備的反饋和信號線必須一路回到控制器。如果您查看傳統的集中式多軸控制器，您不會驚訝地發現所有信號線都有 50 到 100 個端子。在傳統系統中，每個伺服軸至少需要 11 根電線才能返回到控制器：

帶差分信號的編碼器 – A、B、I、電源 = 8 線

命令信號 = 2 線

禁止線 = 1 線

例如：具有 3 軸運動控制的機械臂很容易成為布線和可靠性的噩夢。使用嵌入在每個關節中的集成伺服電機和驅動器，您必須將至少 33 根電線從手臂向下饋入控制器。當線束到達肩關節時，它將最大并且擁有最多的電線。整個捆綁仍然需要可靠并承受手臂的所有彎曲和扭曲。在一個真正的機械臂中，考慮到制動繼電器、傳感器、伺服驅動電源和其他組件，這個數字實際上更接近 50-75。每增加一根電線都會降低可靠性并使安裝更加困難。

幸運的是，對于 EtherCAT 等高速網絡，這不再是問題。如果需要，可以將 EtherCAT 信號加上邏輯電源的信號線數量減少到 6 根。通過位于每個臂關節處的集成伺服電機和伺服驅動器，EtherCAT 伺服驅動器可以充當所有外圍設備和控制器之間的接口。這些設備甚至不需要與 EtherCAT 兼容，只要它們與伺服驅動器兼容即可。伺服驅動器看到的任何信號都可以被解釋并發送到控制器。包括電機位置、速度、電機電流和 I/O 狀態。通過使用伺服驅動器上的模擬輸入，甚至模擬傳感器也可以用作網絡 I/O。驅動器的 A/D 轉換器可以將模擬信號轉換為數字信號，然后通過 EtherCAT 將值發送到控制器。

• 基于 100baseT 的標準以太網

• 實時到 I/O 級別

• 可能的多種拓撲結構 - 線型、星型、樹型、菊花鏈、分支線 - 可以任意組合使用

• 不需要特殊的以太網硬件 - 可以使用標準網絡接口卡 (NIC)

• CANopen over EtherCAT (CoE) 允許通過 EtherCAT 使用 CANopen 協議和功能集

• Ethernet over EtherCAT (EoE) 允許在同一物理網絡上使用其他基于以太網的服務和協議

• 2x100 Mbit/sec 最大速度

• 10 kHz 更新率

• < 1 毫秒抖動

由于其快速的循環速率，EtherCAT 可用于實時運動控制系統中的集中式和分布式控制方案。EtherCAT 的速度足夠快，不僅可以進行運動控制，還可以傳輸來自外圍設備的數據。通過 EtherCAT 傳輸所有數據需求可以顯著減少易受故障影響的電線數量，從而提高可靠性。EtherCAT 是一種所有人都可以使用的開放技術。