基于EtherCAT总线的多轴运动控制系统研究与开发

摘要

运动控制系统是数控装备实现精密加工的关键设备。随着工业自动化技术的不断发展，网络化、智能化和柔性化的运动控制系统成为未来的发展趋势。传统的基于现场总线技术的运动控制系统已不能满足需求，工业以太网以其实时性强、通信容量大、开放性好等优点逐步被广泛应用于运动控制系统当中。EtherCAT工业以太网因其通信速度快、可靠性高以及同步性好而备受青睐。
　　本文将EtherCAT实时工业以太网技术引入多轴运动控制系统当中，在深入研究多轴运动控制技术和EtherCAT网络技术的基础上，进行了从站运动控制器软硬件开发，设计了EtherCAT主站数控软件。运动控制系统在通过一系列测试后，成功应用在数控转塔冲床上。论文主要研究内容和成果如下：
　　1．研究了运动控制系统在国内外的发展现状，在比较了主流的实时工业以太网后，采用EtherCAT以太网来实现控制系统内部的通信。对EtherCAT协议进行了深入研究，提出了运动控制系统总体的设计方案，又分别设计了控制系统硬件和软件方案。
　　2．选用无风扇的工业PC机作为控制主站，详细设计了从站运动控制器的EtherCAT通信电路、ARM控制电路、伺服接口电路以及电源电路，在完成PCB板的布局布线后成功开发出控制器样机。
　　3．在主站PC机软件部分，改造了linux实时性、安装了EtherCAT主站和LinuxCNC、编写了数控界面。从站运动控制器软件部分完成了ARM主控制程序、ET1200通信程序、FSMC总线驱动以及加减速控制算法。实现了从G代码文件输入到控制轴精确定位的整套软件。
　　4．在控制系统软硬件设计完成后，搭建了实验平台，进行了主从站之间的通信测试、控制系统的基本功能测试、G代码解释功能测试、圆弧插补功能测试以及多轴同步功能测试，在通过一系列实验测试后在LX230B型数控冲床上进行了高速点动实验，实现了预期的运动控制效果。运动控制系统总体测试结果达到设计要求，为进一步研究奠定了良好的基础。

目录

第一章 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 运动控制系统的基本概念

1.3 实时工业以太网的比较

1.4 国内外研究现状

1.5 课题来源与主要研究内容

第二章 控制系统总体方案设计

2.1 EtherCAT总线技术

2.2 控制系统架构设计

2.3 控制系统设计指标

2.4 控制系统硬件方案设计

2.5 控制系统软件方案设计

2.6 本章小结

第三章 控制系统硬件设计与实现

3.1 主站硬件选型

3.2 运动控制器EtherCAT通信电路设计与实现

3.3 运动控制器ARM控制电路设计与实现

3.4 运动控制器伺服接口电路设计与实现

3.5 电源电路设计与实现

3.6 多层PCB设计与实现

3.7 本章小结

第四章 控制系统软件设计与实现

4.1 PC机软件设计

4.2 运动控制器软件设计

4.3 本章小结

第五章 控制系统测试与结果分析

5.1 系统实验平台搭建

5.2 实验过程及结果分析

5.3 LX230B型数控转塔冲床应用测试

5.4 本章小结

总结与展望

1.总结

2.展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

声明

致谢