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基于EtherCAT技术的多轴运动控制系统

张从鹏;赵康康

【摘要】以EtherCAT通信技术为基础,设计了一种基于ARM和FPGA双核的

EtherCAT总线式多轴运动控制系统.提出了STM32作为系统管理芯片,通过SPI通

信控制ET1200从站控制芯片实现Eth-erCAT总线从站通信功能的解决方案;并采

用FPGA作为协处理器,完成运动控制算法的实现和执行.完成了运动控制系统的硬

件电路设计和软件开发,并制作了样机.经试验测试,实现了EtherCAT总线通信功能,

采用TwinCAT完成了闭环运动控制,并且可以独立工作实现运动规划,满足工业控

制工程中的应用要求.%AnEtherCATbusbasedmultiaxismotioncontrol

systemwasdesignedbasedonARMandFPGA,aftersystemat-icallystudy

onEtherCATtechnology.ThesolutionofmaincontrolchipSTM32

controllingET1200throughSPIwaspresented.Amotioncontrolalgorithm

basedonFPGAwasdeveloped.Thespecifichardwarecircuitandsoftware

ofcontrolsystemwasde-signed,andaprototypewasproduced.The

experimentdemonstratesthatthecommunicationfunctionofEtherCAT

buswasreal-ized,andtheclosed-loopmotioncontrolwascompletedby

TwinCAT.Motioncontrolsystemcanworkindependentlytoachieve

motionplanning,meettingtheapplicationofindustrialcontrolin

engineering.

【期刊名称】《仪表技术与传感器》

【年(卷),期】2017(000)001

【总页数】5页(P115-118,122)

【关键词】EtherCAT;多轴;STM32;运动控制;FPGA;插补算法;TwinCAT

【作者】张从鹏;赵康康

【作者单位】北方工业大学机械与材料工程学院,北京100144;北方工业大学机械

与材料工程学院,北京100144

【正文语种】中文

【中图分类】TP23

现代制造系统正朝着柔性化、开放化、网络化方向发展，覆盖多学科、多领域相关

技术。目前高端运动控制系统主要以基于PC的系统为主，传统的PC+NC型虽然

有着较好的开放性，但因其扩展性和兼容性差等缺点受到多方面条件的限制，并且

通常采用计算机中的ISA和PCI接口进行连接，存在实时性差、长线传输易受干

扰、缺乏网络功能等问题[1]。EtherCAT总线是一种开放式工业以太网技术，有系

统结构简单、拓扑结构灵活、数据高速长距离传输和信号抗干扰能力强等优点，为

解决传统运动控制系统控制问题提供了良好的解决方案[2]。基于EtherCAT总线

技术良好的发展前景，采用EtherCAT实时工业以太网技术，研究设计一款基于

PC的ARM+FPGA为核心的具有较好运动控制性能的从站多轴运动控制系统。

本文多轴运动控制系统所组成的系统为“PC+运动控制”的系统架构，采用基于

PC的TwinCAT软件作为主站，设计EtherCAT主站控制程序和运动控制系统从

站总线通信接口驱动程序，从而实现EtherCAT网络通信功能。从站运动控制系统

接收并解析主站指令，完成各轴的运动规划和运动闭环控制。本文EtherCAT总线

式多轴运动控制系统工作原理如图1所示。

基于双核芯片的硬件架构，根据芯片的不同特性合理划分功能区域，充分发挥核心

芯片的性能。STM32负责EtherCAT通信、数控粗插补、存储器管理、系统管理

等功能，FP