TMC中控制自動(dòng)化技術(shù)的以太網(wǎng)

EtherCAT是I/O級(jí)別的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)。該技術(shù)被普遍選用，已經(jīng)變成自動(dòng)化的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)。因其具備靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所以具備很高的設(shè)計(jì)方案自由度，并且減少了電纜總數(shù)和常見(jiàn)故障隱患。

一.什么是EtherCAT？

EtherCAT（控制自動(dòng)化技術(shù)的以太網(wǎng)）是Beckhoff于2003年開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)。開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)由TRINAMIC Motion Control的成員EtherCAT技術(shù)小組（ETG）管理。Beckhoff的原始代碼保持不變，準(zhǔn)許設(shè)備應(yīng)用主/從原理互相通信，進(jìn)而完成迅速，動(dòng)態(tài)的通信結(jié)構(gòu)。由于數(shù)據(jù)應(yīng)用與以太網(wǎng)相同的格式，因而能夠?qū)⑵渲苯舆B接到以太網(wǎng)。無(wú)需指定的路由器或交換機(jī)。

二.Beckhoff從站堆棧代碼

通過(guò)應(yīng)用原始的Beckhoff從站堆棧代碼，EtherCAT從站控制器和模塊能夠輕松地與全部其他EtherCAT設(shè)備進(jìn)行通信。由EtherCAT基金會(huì)證明和認(rèn)證。

三.為什么EtherCAT如此受歡迎？

首先，EtherCAT極其快。它應(yīng)用雙絞線或光纜在30μs內(nèi)處理1000個(gè)分布式I/O信號(hào)，在100μs內(nèi)處理100個(gè)軸的100個(gè)I/O信號(hào)，進(jìn)而為實(shí)時(shí)性能設(shè)置了新的極限。如此高的速度使EtherCAT已經(jīng)變成自動(dòng)化，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）和其他需要實(shí)時(shí)優(yōu)化的應(yīng)用的理想取舍。

其次，這是一個(gè)普遍選用的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線或無(wú)線連接的設(shè)備逐漸增多，而EtherCAT是完成此目的的首推技術(shù)之一。這代表著您能夠應(yīng)用Beckhoff的EtherCAT-IP通過(guò)相同的接口進(jìn)行通訊，進(jìn)而提供多種產(chǎn)品供您取舍。

第三，建立到最后。應(yīng)用成熟的以太網(wǎng)電纜，EtherCAT終端能夠在-25°C至+60°C的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，并且Trinamic的EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制器甚至能夠滿足-40°C至125°C的汽車級(jí)溫度規(guī)格。

投資符合EtherCAT標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品代表著要在未來(lái)進(jìn)行投資-這就是為什么TRINAMICMotionControl開(kāi)發(fā)具備EtherCAT協(xié)議棧的電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制IC方便應(yīng)用的產(chǎn)品的原因。

四.EtherCAT的主/從基本原理

EtherCAT主站通常情況下在具備以太網(wǎng)MAC的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定或嵌入式計(jì)算機(jī)上作為軟件解決方案實(shí)現(xiàn)。唯有主站能夠使用EtherCAT幀主動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)包，其中每幀最多包括1518字節(jié)的數(shù)據(jù)，并將其向下游發(fā)送到從站。除了比如SOEM（簡(jiǎn)單開(kāi)放EtherCAT主站）這類的開(kāi)放式EtherCAT主站執(zhí)行之外，超出100家企業(yè)提供了廣泛的通用或?qū)Ｓ弥鱁therCAT產(chǎn)品。

除了在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以太網(wǎng)設(shè)備中，EtherCAT從站以十分嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臅r(shí)序標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)處理幀-它們獲取數(shù)據(jù)并將自身的信息內(nèi)容添加到經(jīng)過(guò)的同一幀中。這樣做需用EtherCAT從控制器中的專用硬件。簡(jiǎn)單的從設(shè)備無(wú)需額外的微控制器，而更復(fù)雜的設(shè)備則需用處理器來(lái)處理協(xié)議和應(yīng)用代碼。EtherCAT?工藝框架的獨(dú)有方式使其成為最快的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)；還沒(méi)有其他技術(shù)能夠超過(guò)EtherCAT的帶寬利用率或相對(duì)應(yīng)的性能。

五．功能原理

EtherCAT主站編寫(xiě)電報(bào)并將其向下游發(fā)送到全部從站。當(dāng)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，從屬設(shè)備讀取該幀并向其中添加數(shù)據(jù)，同一時(shí)間檢查是否在下游還存有另一個(gè)從屬設(shè)備。倘若網(wǎng)絡(luò)段中的最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到開(kāi)放端口，則它將立刻知道不再有要發(fā)送電報(bào)的設(shè)備。從站將根據(jù)預(yù)定義的拓?fù)鋵㈦妶?bào)返還給EtherCAT主站。

基于數(shù)據(jù)是動(dòng)態(tài)處理的，因此當(dāng)從屬設(shè)備獲取數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)添加到幀時(shí)，幀不會(huì)停止移動(dòng)。唯有硬件傳播延遲時(shí)間才會(huì)延遲數(shù)據(jù)，接收幀和發(fā)送幀之間的端口到端口延遲為1μs。通常情況下，主設(shè)備使用以太網(wǎng)技術(shù)的全雙工在發(fā)送和接收電報(bào)之間唯有幾納秒的延遲。

倘若數(shù)據(jù)不是太大，則能夠使用一個(gè)電報(bào)來(lái)傳達(dá)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)需用處理的全部數(shù)據(jù)。換句話說(shuō)，EtherCAT主站不必為網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)從站創(chuàng)建新的軟件包，從而節(jié)省了時(shí)間并消除了對(duì)集中式I/O的需求。此外，各個(gè)EtherCAT從站都經(jīng)過(guò)硬件并非軟件開(kāi)展通信。這為實(shí)時(shí)關(guān)鍵任務(wù)留下了更多的計(jì)算能力，并確保了穩(wěn)定的性能以及與網(wǎng)絡(luò)中全部其他EtherCAT設(shè)備的完全兼容性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)僅由EtherCAT設(shè)備組成時(shí)，也無(wú)需交換機(jī)，這意味著還沒(méi)有額外的時(shí)間延遲，也沒(méi)有建立基礎(chǔ)架構(gòu)的額外成本。

六.拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

EtherCAT基于以太網(wǎng)的物理層。數(shù)據(jù)報(bào)能夠 應(yīng)用全雙工輸送，這代表著連接是經(jīng)過(guò)每一個(gè)端口均有緩沖區(qū)的交換機(jī)開(kāi)展的。應(yīng)用有著一個(gè)，兩個(gè)或眾多端口的EtherCAT從設(shè)備，各種拓?fù)涠加锌赡艿?，比如?jiǎn)易的線形，星形或樹(shù)形拓?fù)?。一個(gè)單一的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)頂多可支持65,535個(gè)設(shè)備，而對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒(méi)有局限。

因?yàn)槲锢韺邮且蕴W(wǎng)，所以無(wú)需特別的電纜，也無(wú)需交叉。這代表著您將無(wú)需在網(wǎng)格中心開(kāi)展額外的連接，如您所觀，如圖所示。建立此電纜冗余可最大程度地減少故障隱患。

網(wǎng)絡(luò)或分支網(wǎng)段中的每一個(gè)EtherCAT從站控制器都是會(huì)自動(dòng)檢測(cè)是否存有下游設(shè)備，并開(kāi)啟或關(guān)閉對(duì)應(yīng)的端口。鏈中的最后一個(gè)設(shè)備經(jīng)過(guò)關(guān)閉其端口將數(shù)據(jù)包返還給發(fā)送方，全部其它接收到從幀返還到主節(jié)點(diǎn)的幀的從節(jié)點(diǎn)將忽略該數(shù)據(jù)包，僅僅是讓其經(jīng)過(guò)。

同步化

每次分布式應(yīng)用程序想要及時(shí)的同步動(dòng)作（比如眾多伺服軸完全同時(shí)啟動(dòng)或停止）時(shí)，EtherCAT的分布式時(shí)鐘系統(tǒng)就會(huì)發(fā)揮作用。

分布式時(shí)鐘機(jī)制同步全部從設(shè)備的時(shí)鐘，導(dǎo)致偏差小于1μs。這些同步時(shí)鐘導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的軸同步到微秒，即使通信周期抖動(dòng)增加，抖動(dòng)也非常低。

• TRINAMIC的EtherCAT產(chǎn)品

1.TMC8467-BA

TMC8461是完整的EtherCAT?從控制器，針對(duì)實(shí)時(shí)進(jìn)行了優(yōu)化。它包含EtherCAT從站所需的所有模塊，包括兩個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器電源和適用于工業(yè)環(huán)境的35V高壓I / O。

2. TMCM-1310

TMCM-1310是全封閉單軸步進(jìn)控制單元，適用于需要高可靠性和動(dòng)態(tài)特性的所有應(yīng)用。該設(shè)備由Trinamic StallGuard2?（無(wú)傳感器失速檢測(cè)和機(jī)械負(fù)載測(cè)量），CoolStep?（電流節(jié)能控制）和SpreadCycle?（高精度斬波算法）斬波器技術(shù)驅(qū)動(dòng)。TMCM-1310能夠從每個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)高達(dá)4.3A的電流（帶有適當(dāng)?shù)纳崞?。設(shè)計(jì)用于9 ... 51V的工作電壓。該設(shè)備提供USB，EtherCAT和編碼器接口。集成協(xié)議處理器通過(guò)EtherCAT通信提供高級(jí)CANopen。您只需要入門(mén)電源和Trinamic的免費(fèi)且易于使用的TMCL-IDE。該圖形用戶界面允許快速設(shè)置并支持在直接模式下使用命令，監(jiān)視以圖形方式可視化的實(shí)時(shí)行為以及記錄和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

3. TMCM-6213

TMCM-6213是六軸步進(jìn)電機(jī)控制器/驅(qū)動(dòng)器模塊，用于無(wú)傳感器負(fù)載相關(guān)電流控制。該設(shè)備由Trinamic StallGuard2?（無(wú)傳感器失速檢測(cè)和機(jī)械負(fù)載測(cè)量），CoolStep?（電流節(jié)能控制），SpreadCycle?（高精度斬波算法），StealthChop?和DcStep?（負(fù)載相關(guān)的速度控制）技術(shù)驅(qū)動(dòng)，并具有SixPoint?斜坡發(fā)生器。TMCM-6213能夠從每個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)高達(dá)1.5A的峰值電流（帶有適當(dāng)?shù)纳崞?。設(shè)計(jì)用于11 ... 35V的工作電壓。該設(shè)備提供USB，EtherCAT和6個(gè)編碼器接口。集成協(xié)議處理器通過(guò)EtherCAT通信提供高級(jí)CANopen。