電機控制演示

簡介

EtherCAT CoE（CAN over EtherCAT）是 EtherCAT 協(xié)議中的一種通信協(xié)議，它將 CANopen 應(yīng)用層協(xié)議集成到 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)中，用于分布式系統(tǒng)中的設(shè)備控制和數(shù)據(jù)交換。它結(jié)合了 CANopen 的易用性和 EtherCAT 的高性能優(yōu)勢，廣泛用于工業(yè)自動化、運動控制和傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。

以下是 CoE 的主要特點和功能：

基于CANopen：

CoE 的應(yīng)用層直接采用了 CANopen 的設(shè)備協(xié)議，包括對象字典（Object Dictionary）的結(jié)構(gòu)和服務(wù)。

通過對象字典定義設(shè)備參數(shù)、通信對象和控制數(shù)據(jù)，確保了設(shè)備間的互操作性。

支持標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)：

SDO（Service Data Object）：用于點對點的配置和診斷通信，允許主站與從站交換大容量數(shù)據(jù)（如參數(shù)配置）。

PDO（Process Data Object）：用于實時通信，傳輸小數(shù)據(jù)量的周期性過程數(shù)據(jù)，支持快速響應(yīng)。

Emergency（EMCY）消息：用于報告設(shè)備異常情況。

NMT（Network Management）：提供網(wǎng)絡(luò)管理功能，如啟動、停止和復(fù)位設(shè)備。

高效傳輸：

EtherCAT 的總線結(jié)構(gòu)和高速幀處理能力，使 CoE 能以更低的延遲和更高的效率進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

支持多種應(yīng)用場景：

適用于工業(yè)設(shè)備配置、實時監(jiān)控、參數(shù)診斷和系統(tǒng)集成等。

對象字典映射：

對象字典以層級結(jié)構(gòu)組織設(shè)備的數(shù)據(jù)和功能。

EtherCAT 使用 CoE 協(xié)議訪問對象字典中的變量，以實現(xiàn)參數(shù)讀取、寫入和實時控制。

典型應(yīng)用：

用于支持復(fù)雜控制邏輯的驅(qū)動器（如伺服驅(qū)動）。

用于監(jiān)控、調(diào)試和配置設(shè)備的工程工具。

本節(jié)將演示如何使用Beckhoff TwinCAT3和EtherKit開發(fā)板實現(xiàn)EtherCAT COE主從站通信，該示例工程

已支持CSP及CSV兩種操作模式。

前期準(zhǔn)備

軟件環(huán)境：

RT-Thread Studio

https://download-redirect.rt-thread.org/download/studio/RT-Thread Studio_2.2.8-setup-x86_64_202405200930.exe

RZN-FSP v2.0.0

https://github.com/renesas/rzn-fsp/releases/download/v2.0.0/setup_rznfsp_v2_0_0_rzsc_v2024-01.1.exe

Beckhoff Automation TwinCAT3

https://www.beckhoff.com/en-us/support/download-finder/search-result/?c-1=26782567

硬件環(huán)境：

EtherKit開發(fā)板

網(wǎng)線一根

Jlink調(diào)試器

CiA402伺服使用說明

首先來看下CiA402協(xié)議：CiA402協(xié)議（Communication Interface for Drive Systems）是由CiA (CAN in Automation) 組織定義的，用于工業(yè)自動化領(lǐng)域，特別是針對電機控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議。CiA402是驅(qū)動器和運動控制器CANopen設(shè)置子協(xié)議，定義變頻器、伺服控制器以及步進(jìn)的接口，它是國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61800-7系列的組成部分。CiA402協(xié)議基于CANopen通信協(xié)議，并在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展和優(yōu)化了用于運動控制系統(tǒng)的功能。它主要用于伺服電機、步進(jìn)電機以及其他類型的電動驅(qū)動系統(tǒng)的控制。

接下來看下FSA（有限狀態(tài)自動機）顯示驅(qū)動器的不同狀態(tài)以及如何執(zhí)行它們之間的轉(zhuǎn)換。

下面是對應(yīng)上圖各個狀態(tài)的詳細(xì)說明：

對于控制器來說，在通信的每個周期內(nèi)，都需要主站向從站發(fā)送控制字(control word)，并且接收從站的狀態(tài)字進(jìn)行確認(rèn)，比如說本工程中通過CiA402_StateMachine()實現(xiàn)CiA402的狀態(tài)切換：

與此同時，主站通過讀取從站的狀態(tài)字(status word, 0x6041)來了解從站當(dāng)前正在運行的狀態(tài)，通過 status word可以了解關(guān)于從機當(dāng)前狀態(tài)和可能發(fā)生的故障或警告的詳細(xì)信息：

而主站通過控制字(control word, 0x6040)向從站發(fā)送控制命令，以此來改變其操作狀態(tài)或觸發(fā)指定的動作：

CiA402對象字典定義

下面是有關(guān)CiA402對象字典在EtherKit CoE工程中支持的列表，其中已經(jīng)支持了位置模式及速度模式，可通過主站去設(shè)置控制字來與從站的過程數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，基于CoE協(xié)議完成對控制器的讀寫：

TwinCAT3配置

在啟動TwinCAT3之前，我們還需要做一些配置操作：

安裝ESI文件

啟動TwinCAT之前，將發(fā)布文件夾中包含的ESI文件復(fù)制到TwinCAT目標(biāo)位置：..\TwinCAT\3.x\Config\IO\EtherCAT

注意：當(dāng)前版本的 ESI 文件位于：..\board\ports\ESI_File\Renesas EtherCAT RZN2 CoE CDP.xml

新建TwinCAT工程

打開TwinCAT軟件，點擊文件->新建->新建項目，選擇TwinCAT Projects，創(chuàng)建TwinCAT XAR Project(XML format)工程：

從站啟動CoEApp

將EtherKit開發(fā)板上電后，需要使用網(wǎng)線連接ETH0網(wǎng)口， ethercat會默認(rèn)運行。

從站設(shè)備掃描

新建工程之后，在左側(cè)導(dǎo)航欄找到Devices，右鍵選擇掃描設(shè)備。正常來說如果掃描從站設(shè)備成功的話是會顯示：Device x[EtherCAT]；而掃描失敗則顯示的是：Device x[EtherCAT Automation Protocol]，此時就代表從站初始化失敗。

點擊Ok后會彈出一個窗口：Scan for boxes，點擊確認(rèn)后，會再次彈出窗口：Activate Free Run，由于我們首次使用CoE還需要更新EEPROM固件，所以暫時先不激活。

更新EEPROM固件

回到TwinCAT，在左側(cè)導(dǎo)航欄中，由于我們已經(jīng)成功掃描到從站設(shè)備，因此可以看到主從站的配置界

面：

我們雙擊Box 1，在中間界面的上方導(dǎo)航欄中單擊EtherCAT，并點擊Advanced Settings …：

這里按圖示點擊Download from List …：

我們寫入ESI固件到EEPROM中，這里由于我們配置的是雙網(wǎng)口，所以選擇Renesas EtherCAT RZ/N2 COE 2port，如果你配置的是三網(wǎng)口的話則選擇3port后綴的ESI文件進(jìn)行下載。

下載完成之后，我們右鍵Device x(EtherCAT)移除設(shè)備后重新掃描并添加設(shè)備，并完成激活工作（參考上文）。

EtherCAT COE測試

首先我們需要確保程序已經(jīng)正常下載至工程中，同時ESI文件已經(jīng)成功燒錄，下面是開發(fā)板串口終端打印信息：

同時我們打開前面新建的ESC工程，并且掃描設(shè)備，此時會彈出EtherCATdrive(s) added，我們選擇NC

– configuration，點擊OK后并激活設(shè)備：

成功激活后， EtherCAT狀態(tài)機會依次經(jīng)歷Init->Pre-Op->Safe-Op，最后到Op(Operational，可操作狀態(tài))， EtherKit CoE工程默認(rèn)開啟csp （周期同步位置模式），并且支持csv（同步周期速度模式）。

當(dāng)系統(tǒng)上電后，驅(qū)動器自動完成初始化，然后進(jìn)入STATE_SWITCH_ON_DISABLED狀態(tài)，此時可以對驅(qū)動器的工作狀態(tài)模式進(jìn)行設(shè)置，比如說設(shè)置為csp或csv模式等等；同時對應(yīng)在開發(fā)板端能看到當(dāng)前軸1對 應(yīng)的CiA402狀態(tài)機信息在不斷打印：

csp位置模式控制

先來看下csp模式下的控制器：在位置模式下，我們可以將規(guī)劃好的目標(biāo)位置通過寫入控制字0x607A設(shè)置目標(biāo)位置，并且對應(yīng)狀態(tài)字0x6064可以得到實際反饋的位置信息。

而如果想要在csp或csv模式下操作，必須先將其狀態(tài)修改為STATE_OPERATION_ENABLED （可操作模式）。

展開左側(cè)導(dǎo)航欄，依次點擊Box1(RenesasEtherCATRZ/N2 CoE2port)->Module1(csp- axis)-

>Outputs->Control Word，首先需要將狀態(tài)切換為伺服無故障模式，主站通過向控制字0x6040寫入值0x0080(dec:128)，將伺服控制器轉(zhuǎn)變?yōu)闊o障礙狀態(tài)：

此時可以看到從站串口終端會停止State Transition2、State Transition7的打印，接著我們再次向控制字0x6040寫入值0x000F(dec:15)：

此時伺服控制器由等待打開伺服使能切換到伺服運行的狀態(tài)，同時在從站串口中斷打印

StateTransition2、State Transition3、State Transition4，在經(jīng)過狀態(tài)傳輸2 3 4后， CiA402狀態(tài)機進(jìn)入STATE_OPERATION_ENABLED ，此時就可以對控制器進(jìn)行控制了。

比如說當(dāng)前是位置模式，通過向Index:0x607A寫入位置數(shù)值，我們寫入100000：

此時依次點擊Box 1(Renesas EtherCAT RZ/N2 CoE 2port)->Module 1(csp - axis)->Inputs->Actual Position，查看實際反饋的位置，會發(fā)現(xiàn)Index 0x6064對應(yīng)的value會不斷自增，直到100000停止：

csv速度模式控制

首先需要將控制器模式由默認(rèn)的csp切換為csv模式，點擊左側(cè)導(dǎo)航欄中的Box1(RenesasEtherCAT

RZ/N2 CoE 2port)，接著在中間的頁面中找到上方的Slots選擇Axis 0，在右邊預(yù)設(shè)支持的module修改為 csv ，并點擊‘<’標(biāo)志：

同時我們也可以觀察左側(cè)對應(yīng)的模塊信息是否更新，并切換為csv模式：

切換好模式后，我們需要重新加載設(shè)備，點擊TwinCAT3上方導(dǎo)航欄的TwinCAT->Reload Devices：

然后需要使控制器進(jìn)入STATE_OPERATION_ENABLED （可操作模式，參考上文），同樣是對控制字依次寫入0x0080（轉(zhuǎn)變?yōu)闊o障礙狀態(tài)）、 0x000F （由等待打開伺服使能切換到伺服運行狀態(tài)）。

此時我們查看輸入的狀態(tài)字0x6041，如果對應(yīng)的value值為0x1237，那么就代表當(dāng)前處于可操作模式(STATE_OPERATION_ENABLED)；如果顯示的值為0x1208，那么代表當(dāng)前status處于Fault，重新設(shè)置 control word為0x0080（ dec:128），并且在重復(fù)上述操作即可。

此時我們便可對Target Velocity值進(jìn)行寫入實際想要控制的速度值：

同時可在輸入中查看實際設(shè)置的速度信息是否一致：