基于XMC4800和EtherCAT的伺服电机控制系统设计
发布时间：2021-02-03 04:56
随着工业现场总线的快速发展,工业以太网已经成为工业现代化制造系统中不可或缺的一部分,总线型的伺服驱动器在自动化生产加工行业也得到了越来越多的应用。EtherCAT工业现场总线被广泛应用在运动控制方向。本课题在研究工业现场总线的基础上,将EtherCAT工业现场总线网络通信应用于XMC4800伺服控制系统,设计了工业以太网总线通讯的伺服驱动器。本课题使用Infineon（英飞凌）公司ARMCortex-M4架构的XMC4800单片机,通过内部集成EtherCAT功能模块,设计了总线型伺服驱动系统,主要研究工作包括:1.介绍了课题研究背景、EtherCAT总线伺服驱动器的研究现状以及EtherCAT技术的主要特点,分析和对比了国内外的伺服驱动器的发展现状和趋势,分析工业以太网的研究现状和不同从站方案的优缺点。2.介绍了EtherCAT伺服控制系统总体方案设计和关键技术。网络通讯部分介绍了EtherCAT数据帧结构、状态机模式、状态机的请求与响应机制、EtherCAT总线邮箱数据和过程数据的通信。伺服驱动部分介绍了电机控制的关键技术。3.设计了以英飞凌XMC4800为核...
【文章来源】：浙江工业大学浙江省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
EtherCAT伺服控制系统整体方案结构图
基于XMC4800和EtherCAT的伺服电机控制系统设计7在调节PWM波驱动半桥电路带动电机旋转的过程中，实时通过MCU的VADC模块采集U相和V相两路的电流，在ADC电流采集中断服务函数里面进行电流环、速度环的计算。在串口中断服务函数里面通过电机配套的绝对值编码器获取电机当前位置，并计算出电机的实际速度。主站会实时获取当前从站驱动器的状态字[30]、实际位置和实际速度等反馈变量构成一个闭环控制。2.2系统EtherCAT网络从站方案2.2.1基于XMC4800的EtherCAT从站控制器当前主流的EtherCAT总线伺服控制系统解决方案有STM32/DSP加LAN9252，STM32/DSP加ET1100从站芯片。倍福公司研发的EtherCAT总线ESC[31]（EtherCAT从站控制器）ET1100于2009年推出，可以扩展到四个芯片总线接口，其中有八个现场总线内存管理单元和同步管理器，并且支持E-BUS。但是该芯片成本很高，如果对性能和接口数量有要求，可以使用此解决方案。2015年，美国Microchip公司推出的LAN9252芯片是集成了两个以太网PHY的2/3端口ESC芯片。它具有多达三个接口，并支持多达三个Fieldbus存储管理单元和接口，性价比高，但是以上两种方案需要调试ESC和MCU的底层驱动程序，开发难度大。而本系统采用的是英飞凌公司推出的基于XMC4800的EtherCAT总线通讯方案[32]，MCU和ESC集成在一块芯片上，配合IDE（集成开发环境）图形化编程开发软件，大大减少开发难度。基于XMC4800的EtherCAT从站功能块图如图2-2所示。图2-2基于XMC4800的EtherCAT从站功能图Figure2-2.EtherCATslavefunctiondiagrambasedonXMC4800
EtherCAT网络通讯的拓扑冗余结构EtherCAT网络通讯使用的是拓扑冗余结构[36]（Redundante_Architektur），不仅可以改善数据传输的稳定性，而且可以实现设备的热插拔，增加了系统的灵活性。工业以太网具有灵活的拓扑结构，可以分为三类：网络型、环型和混合型。出于有效性和实用性的目的，本系统采用环型拓扑冗余技术，因为网络类型和混合类型太复杂并且开发成本太高并且对本课题研究并没有什么实际性的帮助所以采用环型设计。另外使用经济的环形拓扑冗余结构可以解决单点故障对EtherCAT网络通信的影响，环形网络的冗余结构如图2-3所示。图2-3环型网络的冗余结构Figure2-3.RedundantstructureofRingNetwork
【参考文献】：
期刊论文
[1]面向伺服运动控制的实时EtherCAT主站开发[J]. 庆鹏展,刘建群,李强,高伟强. 机电工程. 2019(11)
[2]基于DSP的交流伺服电机驱动器的设计[J]. 李天奕,向荟羽,沃松林,倪福银. 江苏理工学院学报. 2019(02)
[3]基于改进SVPWM的三电平NPC逆变器中点电压平衡的研究[J]. 许杭蓬,陈权,李国丽,杜祥. 现代电子技术. 2019(04)
[4]PMSM伺服电机在高速积放无线控制系统中的应用研究[J]. 苏军伟. 物流技术与应用. 2019(01)
[5]工业机器人技术应用研究[J]. 朱季泽. 现代工业经济和信息化. 2018(15)
[6]EtherCAT伺服驱动器总线接口研究[J]. 吕晓凡,牟日波,周彬,王晓宇. 装备制造技术. 2018(11)
[7]高精度AD转换器AD7403与XMC4800接口设计[J]. 柳舟洲,周宇龙,任虹霞,汪玉春. 微电机. 2018(07)
[8]一种自定义的EtherCAT工业以太网现场总线[J]. 刘山源. 单片机与嵌入式系统应用. 2018(07)
[9]高集成度EtherCAT从站设计与多轴控制的研究[J]. 党选举,谢桧宝,姜辉,伍锡如. 微电子学与计算机. 2018(06)
[10]支持工业以太网接口的激光跟踪仪在线实时测量系统[J]. 肖文磊,王翔宇,张鹏飞,赵罡. 智能系统学报. 2018(02)
硕士论文
[1]基于嵌入式平台的EtherCAT主站实现研究[D]. 王惠娇.郑州大学 2018
[2]基于工业以太网的电机伺服控制系统设计[D]. 周路顺.浙江工业大学 2017
[3]基于EtherCAT的工业机器人控制系统设计与实现[D]. 殷士龙.华南理工大学 2017
[4]基于EtherCAT的多轴运动控制系统的研究与设计[D]. 金瑶.浙江工业大学 2016
[5]基于XMC4500永磁同步电机交流伺服系统的设计与实现[D]. 柳光耀.哈尔滨工业大学 2016
[6]基于XMC4500的PMSM控制系统的设计[D]. 孙彦超.沈阳航空航天大学 2016
[7]基于XMC4500的永磁同步电机伺服系统实现技术研究[D]. 李达.哈尔滨工业大学 2015
[8]基于XMC4500的异步电机矢量控制变频调速系统设计[D]. 陈萍.浙江大学 2014
[9]基于EtherCAT工业以太网的伺服运动控制系统设计[D]. 林思引.华南理工大学 2013
[10]基于EtherCAT的分布式运动控制系统设计[D]. 许阳钊.华南理工大学 2011
本文编号：3015937
【文章来源】：浙江工业大学浙江省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
EtherCAT伺服控制系统整体方案结构图
基于XMC4800和EtherCAT的伺服电机控制系统设计7在调节PWM波驱动半桥电路带动电机旋转的过程中，实时通过MCU的VADC模块采集U相和V相两路的电流，在ADC电流采集中断服务函数里面进行电流环、速度环的计算。在串口中断服务函数里面通过电机配套的绝对值编码器获取电机当前位置，并计算出电机的实际速度。主站会实时获取当前从站驱动器的状态字[30]、实际位置和实际速度等反馈变量构成一个闭环控制。2.2系统EtherCAT网络从站方案2.2.1基于XMC4800的EtherCAT从站控制器当前主流的EtherCAT总线伺服控制系统解决方案有STM32/DSP加LAN9252，STM32/DSP加ET1100从站芯片。倍福公司研发的EtherCAT总线ESC[31]（EtherCAT从站控制器）ET1100于2009年推出，可以扩展到四个芯片总线接口，其中有八个现场总线内存管理单元和同步管理器，并且支持E-BUS。但是该芯片成本很高，如果对性能和接口数量有要求，可以使用此解决方案。2015年，美国Microchip公司推出的LAN9252芯片是集成了两个以太网PHY的2/3端口ESC芯片。它具有多达三个接口，并支持多达三个Fieldbus存储管理单元和接口，性价比高，但是以上两种方案需要调试ESC和MCU的底层驱动程序，开发难度大。而本系统采用的是英飞凌公司推出的基于XMC4800的EtherCAT总线通讯方案[32]，MCU和ESC集成在一块芯片上，配合IDE（集成开发环境）图形化编程开发软件，大大减少开发难度。基于XMC4800的EtherCAT从站功能块图如图2-2所示。图2-2基于XMC4800的EtherCAT从站功能图Figure2-2.EtherCATslavefunctiondiagrambasedonXMC4800
EtherCAT网络通讯的拓扑冗余结构EtherCAT网络通讯使用的是拓扑冗余结构[36]（Redundante_Architektur），不仅可以改善数据传输的稳定性，而且可以实现设备的热插拔，增加了系统的灵活性。工业以太网具有灵活的拓扑结构，可以分为三类：网络型、环型和混合型。出于有效性和实用性的目的，本系统采用环型拓扑冗余技术，因为网络类型和混合类型太复杂并且开发成本太高并且对本课题研究并没有什么实际性的帮助所以采用环型设计。另外使用经济的环形拓扑冗余结构可以解决单点故障对EtherCAT网络通信的影响，环形网络的冗余结构如图2-3所示。图2-3环型网络的冗余结构Figure2-3.RedundantstructureofRingNetwork
【参考文献】：
期刊论文
[1]面向伺服运动控制的实时EtherCAT主站开发[J]. 庆鹏展,刘建群,李强,高伟强. 机电工程. 2019(11)
[2]基于DSP的交流伺服电机驱动器的设计[J]. 李天奕,向荟羽,沃松林,倪福银. 江苏理工学院学报. 2019(02)
[3]基于改进SVPWM的三电平NPC逆变器中点电压平衡的研究[J]. 许杭蓬,陈权,李国丽,杜祥. 现代电子技术. 2019(04)
[4]PMSM伺服电机在高速积放无线控制系统中的应用研究[J]. 苏军伟. 物流技术与应用. 2019(01)
[5]工业机器人技术应用研究[J]. 朱季泽. 现代工业经济和信息化. 2018(15)
[6]EtherCAT伺服驱动器总线接口研究[J]. 吕晓凡,牟日波,周彬,王晓宇. 装备制造技术. 2018(11)
[7]高精度AD转换器AD7403与XMC4800接口设计[J]. 柳舟洲,周宇龙,任虹霞,汪玉春. 微电机. 2018(07)
[8]一种自定义的EtherCAT工业以太网现场总线[J]. 刘山源. 单片机与嵌入式系统应用. 2018(07)
[9]高集成度EtherCAT从站设计与多轴控制的研究[J]. 党选举,谢桧宝,姜辉,伍锡如. 微电子学与计算机. 2018(06)
[10]支持工业以太网接口的激光跟踪仪在线实时测量系统[J]. 肖文磊,王翔宇,张鹏飞,赵罡. 智能系统学报. 2018(02)
硕士论文
[1]基于嵌入式平台的EtherCAT主站实现研究[D]. 王惠娇.郑州大学 2018
[2]基于工业以太网的电机伺服控制系统设计[D]. 周路顺.浙江工业大学 2017
[3]基于EtherCAT的工业机器人控制系统设计与实现[D]. 殷士龙.华南理工大学 2017
[4]基于EtherCAT的多轴运动控制系统的研究与设计[D]. 金瑶.浙江工业大学 2016
[5]基于XMC4500永磁同步电机交流伺服系统的设计与实现[D]. 柳光耀.哈尔滨工业大学 2016
[6]基于XMC4500的PMSM控制系统的设计[D]. 孙彦超.沈阳航空航天大学 2016
[7]基于XMC4500的永磁同步电机伺服系统实现技术研究[D]. 李达.哈尔滨工业大学 2015
[8]基于XMC4500的异步电机矢量控制变频调速系统设计[D]. 陈萍.浙江大学 2014
[9]基于EtherCAT工业以太网的伺服运动控制系统设计[D]. 林思引.华南理工大学 2013
[10]基于EtherCAT的分布式运动控制系统设计[D]. 许阳钊.华南理工大学 2011
本文编号：3015937
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