浅谈运动控制系统中EtherCAT总线系统以及CANopen总线系统
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EtherCAT系统简介
EtherCAT(以太网控制 自动化 技术)是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，EtherCAT名称中的CAT为Control Automation Technology(控制自动化技术)首字母的缩写。最初由德国倍福自动化有限公司(Beckhoff Automation GmbH)研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，同时，它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。
Ethercat主张"以太网控制自动化技术"。它是一个开放源代码，高性能的系统，目的是利用以太网协议，在工业环境，控制 机器人 和其他装备线上的技术。
EtherCAT的特点还包括高精度设备同步，可选线缆冗余，和功能性安全协议(SIL3)。EtherCAT在网络性能上达到了一个新的高度。1000个分布式I/O数据的刷新周期仅为30μs，其中包括端子循环时间。通过一个以太网帧，可以交换高达1486字节的过程数据，几乎相当于12000个数字量I/O。而这一数据量的传输仅用300μs。与100个伺服轴的通讯只需100μs。在此期间，可以向所有轴提供设置值和控制数据，并报告它们的实际位置和状态。分布式时钟技术保证了这些轴之间的同步时间偏差小于1微秒。利用EtherCAT技术的优异性能，可以实现用传统现场总线系统所无法实现的控制方法。这样，通过总线也可以形成超高速控制回路。以前需要本地专用硬件支持的功能现在可在软件中加以映射。巨大的带宽资源使状态数据与任何数据可并行传输。EtherCAT技术使得通讯技术与现代高性能的工业PC相匹配。总线系统不再是控制理念的瓶颈。
EtherCAT系统特点
EtherCAT技术的领先性
EtherCAT协议处理完全在硬件中进行,协议ASIC可灵活组态,使得工作效率大大提高。1000个分布式I/O数据的刷新周期仅为30μs，其中包括端子循环时间。与100个伺服轴的通讯只需100μs。在此期间，可以向所有轴提供设置值和控制数据，并报告它们的实际位置和状态。利用EtherCAT技术的优异性能，可以实现用传统现场总线系统所无法实现的控制方法。
正运动技术的ZMC464 运动控制器 ，实际测试过100us可以带16轴EtherCAT伺服运行，500us可以带64轴EtherCAT伺服运行。
EtherCAT技术的开放性
EtherCAT（以太网控制自动化技术）是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，符合IEC规范(IEC/PAS62407)，也是国家标准。
在市场上，有大量的EtherCAT主站与EtherCAT从站的设备与产品。
国内外有很多专业的第三方公司做EtherCAT方面的技术咨询与技术服务。
EtherCAT芯片方面，主流的fpga厂家altera，xilinx都支持EtherCAT主从方案。大的半导体厂家也都支持EtherCAT协议，例如TI，infineon，microchip等半导体厂商均支持EtherCAT从站芯片。当然倍福公司也提供ET1100,ET1200等EtherCAT接口 芯片 。
ETG全球组织与ETG中国组织的推动
ETG全球组织在全球有5个区域性组织，截至2018年就有5205个会员单位。
国产 伺服驱动器 厂商以及步进驱动器厂商，工业以太网通讯接口首选就是EtherCAT，国内已有几百家厂家支持EtherCAT伺服驱动器以及EtherCATIO模块。
结合到现场实际应用EtherCAT总线的运动控制优势
a、节点与节点之间只要网线连接，系统电气柜配线非常方便;
b、系统抗干扰能力强，网口就是隔离的，整个电气系统的EMC特性好;
c、EtherCAT初始化完成就可以直接读取所有轴的多圈绝对值 编码器 位置;
d、SDO可以在线读取与修改各轴的参数与增益，轴参数调试更方便；
e、通过选择不同的PDO数据内容，可以实现位置控制下转矩限幅，转矩控制下速度限制，CSP(周期位置)/CSV(周期速度)/CST(周期转矩)可以自由切换;
f、方便上位机远程诊断与远程维护电气系统，预测性维护也更方便。
没有实际的运动控制器也能仿真与调试运动控制系统
虚拟仿真与调试日渐成为工业自动化行业的刚需，一是可以在设备未准备就绪之前就把软件基本调试完成，二是进一步提高开发与调试的效率。
CANopen系统简介
CANopen是建立在CAN数据链路层之上的一个开放的标准应用层。CAN最初为汽车应用领域而开发设计，到目前已经被证明是坚固、可靠、经济的通信网络。可以进行主/从和点对点的通信，消息冲突不是毁灭性的。
从轴通过被锁定时间标记的分布式时钟进行同步。参数与实时数据分别由SDOs与PDOs进行处理，以达到最优效率。对于一个完整的系统解决方案，可支持第三方的I/O与控制软件。
网络拓扑与总线仲裁
CAN是一个使用简单双绞线连接的多点网络。最大速率可达1Mb/s、线长可达40米。网络首尾两端须接终端电阻，且端线应尽量的短。一个CAN网络最多可支持127个节点。
当总线空闲时，任何一个节点都可以发送数据。消息帧以帧有效低起始位开始发送这消息的标识符。越低的标识符，它的优先级越高。如果两台设备在同一时间向网络发送数据，有高优先级标识符的设备将会强制性把总线电平拉低，而低优先级的节点设备将识别到这个情况且将放弃使用总线。
CANopen与EtherCAT是国际上网络运动控制的开放标准协议。它们可以简化连线、降低成本、增强诊断功能等。CANopen主要应用于分布式控制系统，而EtherCAT可以应用在集中式与分布式2种控制结构中。每种网络都有其自身的优点。
集中式与分布式运动控制
系统任务的等级与分配如下图所示。绿色表示控制器，蓝色表示驱动器。在集中式结构中，除了电流环以外，所有的任务都由控制器完成。电流环应该至少每100us更新一次，这会把很高的计算负担放在控制器上，且必须使用高速数据通讯链路。
在分布式控制系统中，所有的伺服环都在驱动器内完成。在轮廓模式（下载运动参数并启动运行）下，驱动器内部也执行路径规划。驱动器无需增加附加的成本，而且能省去运动控制卡。由于位置环的刷新率远低于电流环，因此只需使用一个低速的网络即可。
集中式
●更适合轴间高度耦合的情况如机器手
●更高效的实时伺服环调整
●要求更高带宽网
分布式
●点到点及多数轮廓曲线的理想选择
●低成本解决方案、最小化驱动器尺寸
●只要求低带宽网络
●易扩展、无增加控制器负担
PVT路径规划
在分布式控制协同运动系统中，EtherCAT和CANopen都使用PVT做路径规划：控制器生成一系列的点，来定义在指定的时间点上，每个轴的位置与速度值。PVT路径规划是定义运动轨迹的一种非常高效的方法。
一般来说，轨迹点每隔10ms被发送到驱动器的缓冲区中。驱动器实行三阶插补来生成最优的曲线。插补之后，每个驱动器上的位置环以几千赫兹的速率同步更新。
网络的速度与效率
对运动控制系统网络而言，效率、决定性与同步性远比速度重要。标准以太网的传输速度超过CANopen速度100倍，但主要被设计用于异步传输大数据文件。网络上的消息冲突是毁灭性的，必须重新发送。CANopen主要被创建用于低成本传送实时小数据包，对于分布式控制而言，完全可满足其实时性要求。
EtherCAT给以太网带来了同步性与决定性，相对于许多被实时修改过的标准以太网，EtherCAT显然是有效的。对于分布式控制系统，它满足刷新驱动器电流环的速度的要求，且能灵活地传输PVT点。相对来说，价位也会更高一些。
