高性价比EtherCAT总线伺服控制系统

[ 发布日期:2021-03-11 ] 来源: 【打印此文】 【关闭窗口】

国内工业总线基本介绍


     国内工业控制总线经过多年的发展,目前最常见的是CAN 总线和EtherCAT总线。而一般常见总线芯片无非是485通讯芯片,CAN通讯芯片,其实这种高低压电平方式传输的通讯总线并不稳定,用在工业产品上不是很适合的。且此通讯总线已经在中国市场流行了几十年,先入为主,加上入门技术门槛低,因而被广泛应用于各种工业控制设备中,比如PLC,运动控制系统,远程IO等等。很多工程师们也熟悉这两种总线技术。但是由于硬件性能和软件协议的限制,CAN总线更多的是应用在通信数据量小,实时性不高的应用场景,对于大数据量,低延时的应用场景,其能力就有点捉襟见肘。

     随着工业4.0信息时代的到来,工业现场应用对于大数据量通信和实时性有了越来越高的要求。基于此,高速工业以太网总线应运而生,基于以太网的硬件性能和改进的数据交换协议,可以满足大部分的高速、大数据量和高实时性场景。在各种工业以太网总线中,又以EtherCAT总线在国内尤为流行。其流行主要有以下几个原因:

1、EtherCAT协议是一个完全开放的协议。任何公司都可以使用它,可以免费加入会员。

2、主站采用标准的物理层和数据链路层,不需要增加和改变现有的硬件。EtherCAT总线协议只改进了数据在以太网协议中的流动方式,完全是一种软件改动。

3、有很多芯片厂商直接集成了EtherCAT从站实现,这使得EtherCAT从站设备非常容易实现。

     然而EtherCAT总线并没有像CAN总线那样更广泛流行的原因,原因是EtherCAT主站的实现成本和技术门槛太高所致。


华成工控工业控制主站产品介绍


     华成工控自成立以来,一直专注于专用运动控制系统的研发,从一开始的注塑取出机械手控制系统到现在的机器人控制系统等等;在控制执行方面,经历了从脉冲,CAN总线,RTEX总线到EtherCAT总线的发展,一步一个脚印,可以说在工业运动控制领域,积累了很多丰富的经验。2015年国家大力倡导工业4.0,我们积极响应,开始着手研发驱控一体系统和EtherCAT总线伺服系统。配合自身的EtherCAT总线伺服系统发展,我们发现市场上实现的EtherCAT主站方案,要么使用Beckhoff(倍福)公司的Twincat软件方案,要么就是使用其它一些外国公司的软件授权方案,价格都非常高昂。作为一种工业4.0的关键技术,始终受制于人,我们无法接受这一事实。从那时候起,我们就下定决心一定要研发一款适合我们运动控制系统使用的EtherCAT主站。

     自主研发不一定非要另僻蹊径,我们选择先站在巨人的肩膀上,快速看清方向。我们的主站系统使用IgH开源项目,搭配Linux系统加实时补丁的路线。整个主站系统的初期,其实时性和稳定性并不能达到市场主流的EtherCAT主站性能水准。但是我们同时也自研了EtherCAT总线伺服,根据自身运动控制系统的要求,定制了专用的通信协议而并没有完全遵循CiA402的伺服控制方式。让EtherCAT主站可以搭配我们自研的EtherCAT总线伺服同时落地,应用在我们专用的运动控制系统中,该控制系统的性能和部署的便捷性都远远超越我们之前脉冲型和CAN总线系统,取得了质的飞跃,同时也得到了市场的广泛认可。

     到了特殊的2020年,一场疫情让制造业迎来了改革的春天,工业自动化的需求越来越迫切。基于此,我们决定把自研的低成本EtherCAT主站方案和EtherCAT总线伺服,突破实时性的技术难点,使其完全遵循CiA402协议,然后推向市场,让更多的行业可以使用上EtherCAT总线带来的性能提升和便利。经过这一年努力,终于将主站的实时性能接近了主流的标准,实现了完美的转变。目前,我们主站系统的主要功能和性能参数如下:

 

硬件参数

CPU

ARM A8架构 1G主频

内存

256M

硬盘

4G

EhterCAT接口

1个

标准以太网接口

1个

CAN口

1个

RS485

2个

RS422

1个可搭配华成工控专用手持

数字量IO

32路输入,32路输出

软件参数

EtherCAT通信

1. CiA402协议 或者根据具体设备自定义协议

2. 支持设备XML文件导入并进行通信数据关联

3. 桁架8轴:最小250us通信周期

4. 机器人8轴:最小1ms通信周期

5. 抖动时间 < 40us

运动控制

1. 六关节串联机器人、SCARA、DELTA等20余种机器人结构,并可根据客户需求定制开发

2. 提供二次开发库

Modbus RTU

主从站支持

Modbus TCP

主从站支持

CANopen

支持作为管理节点

基于JSON的TCP/IP通信协议

支持,可用于与视觉系统交换或者其他集成系统进行更灵活的数据交互

逻辑编程

华成工控自定义编程语言


华成工控EtherCAT总线伺服产品介绍


     ES2A系列产品是华成工控历时4年自主研发的迭代两代的高性能总线伺服驱动器,是华成工控对市场不断钻研、对技术不懈追求的结晶。ES2A系列产品使用独特的单/双轴模块化设计,客户可根据实际应用自由选择电机功率(50W~2KW/轴),搭配组合成16轴以内任意轴数且总功率不超过6KW的总线伺服系统,这大幅提高产品性能和易用性。


EtherCAT总线伺服控制系统


ES2A系列产品特点


     ✔40%体积减少和50%接线工时减少

     相比传统单轴伺服,ES2A安装体积大幅缩减,其中4轴缩减约40%, 6轴缩减约50%,8轴缩减约60%,10轴缩减约70%;采用集中式电源模块管理的多轴模块化伺服,省去每个伺服轴的动力电源线、辅助电源线、控制线束、制动电源线,大幅减轻客户现场的布线工作,提高电气盘柜效率,节约安装与维护成本。

     ✔30%能耗降低

     华成工控特有的伺服驱动模块互联专利,轻松实现多轴扩展。通过共直流母线电气拓扑,配合控制系统先进的能耗管理算法,将制动轴产生的回馈电能供给非制动轴而不是通过制动电阻以热能形式消耗掉,极大地提升了电能的利用率。相对于传统单体伺服,可降低约30%能耗。

     ✔高性能EtherCAT总线通讯方式

     EtherCAT是一种基于工业以太网技术、采用分布式时钟同步的总线通讯方式,华成工控EtherCAT有如下特点:

     1、传输速率达2×100Mbps,100伺服轴刷新时间仅为0.1ms;

     2、通信周期最短可达250us;

     3、通过分布式时钟的精确调制,同步精度小于1us;

     4、接线更加灵活,以最常用的线型拓扑为例,各节点通过一条网线串接起来,节点地址可自动分配且不受新加入节点影响可保持;

     5、支持CiA402标准协议;

     ✔高响应带宽

     电流环带宽最高达3.2KHz,速度环带宽最高达2KHz,专门面向高速度与高精度的运动控制场景,极大缩短系统响应时间,提高设备效率。

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