基于EtherCAT的工业机器人控制器通信系统设计

摘要

随着科学技术的逐步发展，生产制造业的自动化、智能化水平的逐步提高，工业机器人也得到越来越广泛的应用，同时机器人系统对实时响应、信息处理的要求也不断提高。机器人控制器是机器人的“大脑”，鉴于以工业控制计算机为核心的工业机器人控制器存在硬件资源不能充分利用、体积偏大、成本高等不足，受南京某机电股份公司委托，由南京工程学院自动化学院和东南大学检测技术与自动化装置研究所合作研发以嵌入式处理器为核心的工业机器人控制器。根据导师的安排，本学位论文工作内容为独立负责设计和研制基于EtherCAT的工业机器人控制器通信系统。
　　机器人控制器通信系统在控制系统中组建通信网络，其工作的速度与稳定性决定了机器人性能的优劣，通信系统的设计关乎整个机器人的运作情况。针对控制器通信系统的设计要求，本学位论文设计了基于EtherCAT的工业机器人控制器通信系统，对进一步发展工业机器人控制器，提高国内产品的竞争力，具有积极意义。
　　本文首先对机器人控制器通信系统的通讯总线和实时操作系统进行深入研究，分析课题设计需要，对工业机器人控制器通信系统总体设计进行方案论证，提出基于EtherCAT的工业机器人控制器通信系统。然后提出本系统的硬件方案，明确围绕两个AM335X为核心进行设计，并使用DPRAM进行微处理器间通信，设计了包括DPRAM电路、通信接口电路、网络接口电路、人机交互电路等部分的硬件电路，并完成功能模块电路的焊接、调试以及系统的硬件联调。接着在硬件基础上完成机器人控制器通信系统的软件平台设计，搭建Xenomai/Linux的实时操作系统，构建具有较高实时性和时间精度的底层环境系统软件平台，经测试本操作系统实时任务调度可达us数量级，具有优异的实时性。然后基于EtherCAT工业机器人控制器通信系统的软件平台，进行系统的软件设计，包括DPRAM硬件驱动程序设计、EtherCAT协议栈移植、系统通信协议制定、解释器软件设计以及应用层软件设计等，实现通信系统的基本功能。最后完成通信系统的测试程序设计，按照通信系统与EtherCAT从站的通信和通信系统与示教器的通信分成两个测试方案，测试结果表明本系统不仅实现了控制器通信系统与示教器的稳定通信功能，也圆满达到了通信系统与伺服系统的实时通信性能指标。
　　目前通信系统样机在实验室环境下运行一切正常，待南京某机电股份公司研发完成EtherCAT从站系统后，再与EtherCAT从站和示教器进行应用调试及视调试情况作最后的完善。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 工业机器人控制器通信系统的发展与现状

1．2．1 工业机器人控制器历史发展与现状

1．2．2 通讯总线应用现状

1．2．3 通信系统的实时操作系统研究现状

1．3 课题来源与设计要求

1．4 后续章节安排

1．5 本章小结

第二章 机器人控制器通信系统总体方案设计

2．1 实时以太网EtherCAT技术

2．1．1 实时工业以太网技术

2．1．2 EtherCAT协议

2．1．3 EtherCAT性能

2．2 系统需求分析及功能技术指标

2．2．1 需求分析

2．2．2 系统主要功能与技术指标

2．3 通信系统方案设计

2．3．1 机器人控制系统框架构建

2．3．2 通信系统总体方案设计

2．4 本章小结

第三章 机器人控制器通信系统硬件设计

3．1 硬件总体方案设计

3．1．1 总体结构分析

3．1．2 Conex-A8核心处理器介绍

3．1．3 总体硬件结构设计

3．2 硬件单元电路设计

3．2．1 最小系统电路设计

3．2．2 DPRAM电路设计

3．2．3 SD卡接口电路设计

3．2．4 通信接口电路设计

3．2．5 以太网接口电路设计

3．2．6 人机接口电路设计

3．2．7 电源管理电路设计

3．3 本章小结

第四章 机器人控制器通信系统软件平台设计

4．1 嵌入式Linux实时系统

4．1．1 实时系统的选取

4．1．2 Xenomai／Linux的实现原理

4．2 嵌入式Xenomai／Linux实时系统搭建

4．2．1 系统构建准备

4．2．2 安装Adeos补丁和Xenomai

4．3 Xenomai／Linux实时系统测试

4．3．1 移植正确性验证

4．3．2 实时性测试

4．4 本章小结

第五章 机器人控制器通信系统软件设计

5．1 通信系统整体软件设计

5．2 DPRAM驱动程序设计

5．3 自定义通信协议设计

5．3．1 DPRAM传输格式设计

5．3．2 RS232应用层通信协议设计

5．4 EtherCAT协议栈移植

5．4．1 EtherCAT主站需求分析

5．4．2 SOEM协议栈介绍

5．4．3 机器人控制协议实现

5．5 以太网通信程序设计

5．6 SD卡存储程序设计

5．7 解释器程序设计

5．8 本章小结

第六章 机器人控制器通信系统测试

6．1 系统测试方案设计

6．2 与EtherCAT从站通信测试

6．3 与示教器通信测试

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 论文工作总结

7．2 回顾与展望

致谢

参考文献

研究生阶段研究成果及发表学术论文情况