EtherCAT總線運(yùn)動控制器應(yīng)用進(jìn)階一

視頻教教程《視頻教程：EtherCAT總線運(yùn)動控制器應(yīng)用進(jìn)階一》

01 準(zhǔn)備工作

一、材料準(zhǔn)備

1.硬件

A.ZMC432控制器一臺，帶EtherCAT總線接口。

B.松下EtherCAT伺服驅(qū)動器+電機(jī)一套

C.電腦一臺。

D.帶屏蔽層網(wǎng)線兩根。

E.24V直流電源一個。

F.接線端子與連接線若干。

2.軟件

A.ZDevelop V3.10版本控制器編程軟件。

從正運(yùn)動官網(wǎng)www.zmotion.com.cn下載壓縮包，解壓后直接運(yùn)行應(yīng)用程序，無需安裝。

B.松下伺服驅(qū)動器上位機(jī)調(diào)試軟件。

從松下官網(wǎng)下載后安裝。

二、硬件接線

1.控制器接線

控制器接口的用途參見下圖。

A.主電源：將控制器主電源接線端子上的E+24V端子接入24V直流電源正極，將EGND端子接入24V直流電源負(fù)極。

B.以太網(wǎng)EtherNET端口接線：使用一根網(wǎng)線將控制器的EtherNET端口與電腦的以太網(wǎng)口相連。

C.伺服驅(qū)動器與控制器接線：使用一根網(wǎng)線將控制器的EtherCAT總線端口與伺服驅(qū)動器的X2A或X2B口相連。

注意伺服驅(qū)動器的EtherCAT接口有兩個，有些驅(qū)動器這兩個口可以隨意接，有些分為EtherCAT IN和EtherCAT OUT，IN口接上一級設(shè)備，OUT口接下一級設(shè)備，二者不能混用，要注意連接順序。

多軸控制時伺服驅(qū)動器的EtherCAT OUT口再連接下一級驅(qū)動設(shè)備的EtherCAT IN口，依此類推。

2.驅(qū)動器接線

伺服驅(qū)動器與電機(jī)和編碼器的接線參見驅(qū)動器手冊，將驅(qū)動器接入220V市電。

02 控制器與電腦連接

控制器與電腦可以通過串口或網(wǎng)口連接，下面以網(wǎng)口連接例展開說明。

一、網(wǎng)口通訊操作方法

先將控制器與電腦用網(wǎng)線連接好，接通控制器的電源，再打開ZDevelop編程軟件，點擊菜單欄“控制器”→“連接”，打開“連接到控制器”窗口。

通過“連接到控制器”窗口，可以快速查看本機(jī)IP，對比控制器與電腦是否處于同一網(wǎng)段。

IP地址列表下拉選擇時，會自動查找當(dāng)前局域網(wǎng)可用的控制器IP地址(控制器上電POWER燈和RUN燈亮的時候就能查找到該控制器的IP地址)。

同一個網(wǎng)絡(luò)有多個控制器的時候，IP的下拉列表若沒有顯示目標(biāo)控制器的IP地址，可以采取IP掃描來查看當(dāng)前所有可用的控制器IP地址，掃描完成之后確定關(guān)閉此窗口，重新在IP下拉列表選擇。

選擇正確的IP地址，點擊連接之后，編程軟件與控制器連接成功，在線命令與輸出窗口打印信息提示。

控制器出廠的缺省IP地址為192.168.0.11，“連接到控制器”窗口能顯示出本機(jī)IP地址，請注意設(shè)置有線網(wǎng)卡與無線網(wǎng)卡各自的IP。電腦需要設(shè)置IP地址與控制器IP處于同一網(wǎng)段才能連接，即四段的前三段要相同，最后一段不同才能通訊。

若控制器與電腦不處于同一網(wǎng)段，則需要修改控制器或電腦其中之一的IP地址，使二者處于同一網(wǎng)段。

修改控制器IP地址需要先使用串口連接控制器，獲取控制器IP地址，然后修改本機(jī)IP或控制器IP使二者處于同一網(wǎng)段。

二、修改控制器IP地址

先使用串口連接控制器，獲取控制器IP地址，再修改控制器IP地址。

方法一：可以通過菜單欄“控制器”→“修改IP地址”窗口直接修改控制器IP地址。

方法二：通過IP_ADDRESS指令發(fā)送在線命令修改。

指令發(fā)送修改成功之后自動斷開連接，在線命令打印控制器連接錯誤信息，通過網(wǎng)口連接選擇新IP地址192.168.0.23再次連接控制器，IP地址修改成功后永久有效。

三、修改本機(jī)IP地址

以WIN10為例，在開始菜單里打開控制面板，打開“網(wǎng)絡(luò)和Internet”。

再打開“網(wǎng)絡(luò)與共享中心”。

點擊“以太網(wǎng)”。

在“以太網(wǎng)狀態(tài)”窗口點擊“屬性”，打開“以太網(wǎng)屬性”窗口，找到Internet協(xié)議版本4(TCP/IPv4)打開，就能看到本機(jī)IP地址修改窗口，勾選“使用下面的IP地址”，在IP地址輸入欄里修改IP，將本機(jī)IP改為和控制器IP處于同一網(wǎng)段，修改完成點擊“確認(rèn)”即可成功修改IP。

再次打開“連接到控制器”窗口嘗試連接到控制器。

03 DPOS與MPOS的區(qū)別

DPOS為用戶定義的目標(biāo)位置，即控制器發(fā)出的指令位置，單位是UNITS，該值的大小等于控制器實際發(fā)送脈沖數(shù)，除以脈沖當(dāng)量得出。

寫DPOS會自動轉(zhuǎn)換為DEFPOS絕對坐標(biāo)位置偏移，不會移動電機(jī)。

MPOS為用戶單位的軸測量位置，也稱為實際位置，單位是UNITS。該值是由編碼器測量得出的軸實際位置，接在伺服電機(jī)上的編碼器用于測量電機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速，MPOS的值正常情況下會跟隨DPOS值，該值的大小等于編碼器測得實際脈沖數(shù)，除以脈沖當(dāng)量得出。沒有編碼器的場合，軸的MPOS值自動復(fù)制DPOS的值。

寫MPOS會自動轉(zhuǎn)換為DEFPOS絕對坐標(biāo)位置偏移。

部分電機(jī)有一定跟隨誤差的(DPOS-MPOS),這個和機(jī)械和電機(jī)本身剛性都有關(guān)系,機(jī)械越好,電機(jī)越好,調(diào)的剛性越足,則跟隨誤差越小,但跟隨誤差永遠(yuǎn)存在,不可能消除,并且在實時變化，實際應(yīng)用中盡量把機(jī)械剛性和電機(jī)剛性提高,讓跟隨誤差盡量減小,速度盡量平滑,使得MPOS更準(zhǔn)確。

另外SPEED為控制器給定速度，MSPEED為編碼器的實際測量反饋速度。

如下圖，軸類型ATYPE=65，EtherCAT周期位置模式，帶編碼器反饋，故脈沖信號輸出與編碼器反饋信號均在軸0上，此時MPOS為真，跟隨DPOS。

ATYPE=4或65或50模式時，軸號上均帶編碼器反饋。

OFFPOS指令相對偏移修改所有的坐標(biāo)，不會對已運(yùn)行/進(jìn)入緩沖區(qū)的運(yùn)動產(chǎn)生影響。

DEFPOS指令設(shè)置當(dāng)前軸位置為一個新的絕對位置值，不會對已運(yùn)行/進(jìn)入緩沖區(qū)的運(yùn)動產(chǎn)生影響。

示例：

BASE(0,1) '選擇軸0，軸1

DPOS=100,100 '設(shè)置當(dāng)前位置為100,100

?DPOS(0),DPOS(1) '打印確認(rèn)，當(dāng)前位置為100,100

OFFPOS=10,20 '多次調(diào)用OFFPOS相對位置

OFFPOS=10,20

?DPOS(0),DPOS(1) '此時當(dāng)前位置變?yōu)?20,140

DEFPOS(10,20) '設(shè)置當(dāng)前位置為10,20

?DPOS(0),DPOS(1) '當(dāng)前位置為10,20

04 EtherCAT伺服驅(qū)動器

參數(shù)設(shè)置

一、電子齒輪比的應(yīng)用

伺服電機(jī)電子齒輪比就是伺服對接收到的控制器脈沖頻率進(jìn)行放大或者縮小，其中一個參數(shù)為分子，一個為分母。分子與分母比值為大于1就是放大，比值小于1就是縮小，比值等于1時電機(jī)接受脈沖數(shù)等于控制器發(fā)出脈沖數(shù)。

計算公式：電機(jī)接收的實際脈沖數(shù)=控制器發(fā)送脈沖數(shù)*電子齒輪比

例如：控制器發(fā)出脈沖10000個，電子齒輪比分子設(shè)為1，分母設(shè)為2，電子齒輪比為0.5，那么伺服實際運(yùn)行按照5000個脈沖來進(jìn)行?？刂破靼l(fā)出脈沖10000個，電子齒輪比分子設(shè)為2，分母設(shè)為1，電子齒輪比為2，那么伺服實際運(yùn)行按照20000個脈沖來進(jìn)行。

松下驅(qū)動器電子齒輪的比值在1000-1/1000的范圍內(nèi)有效。

電子齒輪比通過數(shù)據(jù)字典6091h的子字典01h和02h的比值設(shè)定。6091h-01h設(shè)置電子齒輪比的分子，6091h-02h設(shè)置電子齒輪比的分母。

數(shù)據(jù)字典6092h的子字典01h用以設(shè)定電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈所需脈沖數(shù)，一般根據(jù)編碼器的分辨率設(shè)置，6092h的子字典02h的值默認(rèn)為1。

電子齒輪比等驅(qū)動器的相關(guān)參數(shù)修改，可以通過驅(qū)動器軟件直接修改，或使用SDO指令讀寫對應(yīng)的數(shù)據(jù)字典進(jìn)行配置。

1.驅(qū)動器軟件修改電子齒輪比

修改驅(qū)動器參數(shù)先連接驅(qū)動器，可選USB線或WLAN連接驅(qū)動器，使用USB線連接電腦與驅(qū)動器端的X1端口，給驅(qū)動器上電，打開松下驅(qū)動器軟件PANATERM，彈出“選擇與驅(qū)動器通信”窗口，選擇與驅(qū)動器通過USB連接后，自動獲取到驅(qū)動器信息顯示在窗口內(nèi)，點擊OK連接成功，就能對驅(qū)動器進(jìn)行設(shè)置。

點擊菜單欄“顯示”→“對象編輯器”，打開如下窗口，找到需要設(shè)置的數(shù)據(jù)字典，在“Setting Value”一欄直接修改數(shù)據(jù)字典的內(nèi)容。

修改完成將參數(shù)傳送給驅(qū)動器，并寫入驅(qū)動器的EEPROM，驅(qū)動器再次上電后參數(shù)生效。

圖中電子齒輪比=1：1，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈脈沖數(shù)10000。

2.SDO指令修改電子齒輪比

SDO指令包含數(shù)據(jù)字典讀取SDO_READ、SDO_READ_AXIS和數(shù)據(jù)字典寫入SDO_WRITE、SDO_WRITE_AXIS。

數(shù)據(jù)字典讀取語法：

SDO_READ (槽位號, 設(shè)備編號, 數(shù)據(jù)字典編號, 數(shù)據(jù)字典子編號, 數(shù)據(jù)類型, 讀取數(shù)據(jù)存儲TABLE位置)

SDO_READ_AXIS (軸號, 數(shù)據(jù)字典編號, 數(shù)據(jù)字典子編號, 數(shù)據(jù)類型, 讀取數(shù)據(jù)存儲TABLE位置)

數(shù)據(jù)字典寫入語法：

SDO_WRITE (槽位號, 設(shè)備編號, 數(shù)據(jù)字典編號, 數(shù)據(jù)字典子編號, 數(shù)據(jù)類型, 寫入數(shù)據(jù)值)

SDO_WRITE_AXIS (軸號, 數(shù)據(jù)字典編號, 數(shù)據(jù)字典子編號, 數(shù)據(jù)類型, 寫入數(shù)據(jù)值)

示例：

SDO_WRITE(Bus_Slot,iNode,$6091,1,7,1) '電子齒輪比分子設(shè)為1

SDO_WRITE(Bus_Slot,iNode,$6091,2,7,1) '電子齒輪比分母設(shè)為1

SDO_WRITE(Bus_Slot,iNode,$6092,1,7,10000) '電機(jī)一圈脈沖數(shù)設(shè)為10000

SDO_WRITE(Bus_Slot,iNode,$1010,1,7,$65766173) '寫EPPROM(寫EPPROM后驅(qū)動器需要重新上電)

使用指令更改完成后，查看驅(qū)動器參數(shù)如下：

二、讀取多圈編碼器值

驅(qū)動器有多圈絕對值編碼器時，可使用ENCORDE指令讀取編碼器硬件寄存器原始值，就是多圈絕對值，此參數(shù)為只讀類型。只有配置為需要使用編碼器的ATYPE時才可以讀取。

驅(qū)動器重新啟動之后將ENCORDE值清零。

?*ENCODER '打印各軸編碼器值，驅(qū)動器上電初始值為0

?ENCODER(0) '打印單軸編碼器值

?ENCODER AXIS(0) '打印單軸編碼器值

如下圖，使用EtherCAT驅(qū)動器，帶編碼器反饋，控制軸0持續(xù)正向運(yùn)動MOVE(500)，此時發(fā)送的總脈沖數(shù)=UNITS*DPOS=100*500=50000。

ENCORDE指令讀取驅(qū)動器的多圈絕對值編碼器的值，等于編碼器檢測到的接受脈沖總數(shù)50000。

此時將DPOS和MPOS改變，ENCORDE的值不會發(fā)生變化，因為改坐標(biāo)電機(jī)不會運(yùn)動，編碼器接收脈沖數(shù)沒有改變。

因為讀取的是多圈絕對值，負(fù)方向運(yùn)動ENCORDE值減小，正向運(yùn)動ENCORDE值增大。

松下驅(qū)動器軟件可對絕對式編碼器設(shè)定。

通過參數(shù)Pr0.15設(shè)置。

Pr0.15參數(shù)選擇說明：三個設(shè)定值說明如下，上方例子為默認(rèn)值1，作為增量編碼器使用。

三、驅(qū)動器IO操作

驅(qū)動器IN輸入的讀取，OP的輸出

通過DRIVE_IO指令映射驅(qū)動器對象字典中60FDh驅(qū)動器IO輸入、60FEh驅(qū)動器IO輸出的起始IO編號。

驅(qū)動器在映射IO信號之后，可根據(jù)編號對驅(qū)動器的IO信號進(jìn)行控制，IO信號輸出可用OP指令控制。

Bit位的值設(shè)為1表示ON，為0表示OFF。

驅(qū)動器IO映射示例：映射正負(fù)限位信號

要設(shè)置正確的DRIVE_PROFILEE或者PDO后才可以正常映射輸入，也就是說DRIVE_PROFILE驅(qū)動器PDO配置模式包含60FDh和60FEh這兩個數(shù)據(jù)字典。

DRIVE_PROFILE(iAxis) = 5 '設(shè)定對應(yīng)的帶IO映射的PDO模式

DRIVE_IO(iAxis) = i_IoNum '設(shè)定IO起始編號

REV_IN(iAxis) = i_IoNum '負(fù)限位應(yīng)60FD BIT0

FWD_IN(iAxis) = i_IoNum + 1 '正限位先對應(yīng)60FD BIT1

DATUM_IN(iAxis) = i_IoNum + 2 '原點信號對應(yīng)60FD BIT2

INVERT_IN(i_IoNum,ON) '特殊信號有效電平反轉(zhuǎn)

INVERT_IN(i_IoNum + 1,ON)

INVERT_IN(i_IoNum + 2,ON)

驅(qū)動器IO輸出：

DRIVE_PROFILE(iAxis) = 5 '設(shè)定對應(yīng)的帶IO映射的PDO模式

DRIVE_IO(iAxis) = i_IoNum '設(shè)定IO起始編號

OP(i_IoNum，ON) '打開驅(qū)動器的第一個OUT口

可在驅(qū)動器的“參數(shù)”窗口，找到參數(shù)分類4，操作驅(qū)動器的IO信號，如下圖。

四、驅(qū)動器回零

EtherCAT總線可使用控制器提供的回零方式DATUM(mode)，mode模式值選擇查看ZBasic編程手冊的DATUM指令。EtherCAT總線也可以使用驅(qū)動器本身的回零模式。

驅(qū)動器本身回零使用DATUM(21,mode2)指令，mode2模式值要查驅(qū)動器手冊數(shù)據(jù)字典6098h回零模式，如下圖所示，mode2填入對應(yīng)Value值，mode2缺省值為0，也是驅(qū)動器回零模式，注意此時的原點限位等信號要接在驅(qū)動器上，所以要使用驅(qū)動器回零時需要對驅(qū)動器的IO進(jìn)行映射。

示例：

初始化完成后再運(yùn)行驅(qū)動器回零程序，按上一節(jié)的示例，將驅(qū)動器的限位信號和原點信號映射到控制器的IO上，再運(yùn)行以下回零程序。

BASE(iAxis) '按驅(qū)動器軸號逐個回零

AXIS_STOPREASON = 0

SPEED = 100 '回零速度

CREEP = 10 '反找速度

ACCEL = 1000

DATUM(21,2) '驅(qū)動器回零模式value=2

WAIT IDLE

IF AXIS_STOPREASON = 0 THEN

?"回零成功"

ELSE

?"回零失敗","停止原因：",AXIS_STOPREASON,"狀態(tài)字0X",HEX(DRIVE_STATUS)

ENDIF

五、力矩的實時讀取

當(dāng)PDO包含數(shù)據(jù)字典6071h(目標(biāo)力矩)時，ATYPE可設(shè)置為67，周期力矩模式，此時使用DAC指令控制電機(jī)以設(shè)置值的力矩運(yùn)行，DAC值范圍0-1000，對應(yīng)0-100%的DAC的值，比如DAC=10，此時電機(jī)力矩=1%的力矩值。

力矩控制時DAC單位為千分之一，等于1000時表示100%力矩，此時的值等于數(shù)據(jù)字典6072h(設(shè)定最大轉(zhuǎn)矩)的值。

注意速度模式和力矩模式切換時，先將DAC=0后，再修改ATYPE，防止出現(xiàn)事故。

SDO讀取數(shù)據(jù)字典6071h的值為目標(biāo)力矩的大小，即當(dāng)前發(fā)送的DAC的大小，沒有發(fā)送DAC指令時，6071h的值為0。一般當(dāng)前力矩6071h的取值范圍是0-6072h的設(shè)定值。

例如：ATYPE=67力矩模式

DAC=40

SDO_READ(0,0,$6071,0,3,0)'讀取軸0的目標(biāo)力矩，TABLE(0)的值變?yōu)?0

驅(qū)動器力矩的讀取可以在配置的DRIVE_PROFILE包含數(shù)據(jù)字典6077h的情況下，使用DRIVE_TORQUE指令讀取當(dāng)前軸的力矩，或使用SDO_READ指令直接讀取數(shù)據(jù)字典6077h的值獲取當(dāng)前力矩，與目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的值之間可能存在波動，讀取的是實時值的大小。

示例：

?DRIVE_TORQUE(0) '打印軸0的力矩

數(shù)據(jù)字典6077h用于讀取當(dāng)前力矩的值，示例：

SDO_READ(Bus_Slot,iNode,$6077,0,3,0)'讀取當(dāng)前力矩保存到TABLE(0)

六、轉(zhuǎn)矩限制的應(yīng)用

轉(zhuǎn)矩控制用于印刷機(jī)、繞線機(jī)、注塑機(jī)等場合，使用EtherCAT總線時，電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩與DAC指令輸入的值成正比。

為了保護(hù)機(jī)臺，可對輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行限制，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩使用6072h設(shè)置，出廠默認(rèn)值10。

轉(zhuǎn)矩控制時，電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出受DAC指令控制，但不對電機(jī)速度進(jìn)行控制，因此輕載時，可能發(fā)生超速現(xiàn)象，為了保護(hù)機(jī)械，必須對速度進(jìn)行限制。

數(shù)據(jù)字典6072h用于設(shè)置電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，6072h的值設(shè)為1000表示額定轉(zhuǎn)矩的100%;設(shè)為500，表示額定轉(zhuǎn)矩的50%。在EtherCAT的幾種不同的模式下均支持，例如在位置模式下可以設(shè)置最大允許的力矩，使用MOVE等運(yùn)動指令控制電機(jī)運(yùn)行，此時電機(jī)速度按照SPEED參數(shù)運(yùn)動，若目標(biāo)位置設(shè)置的更大，這樣碰到阻礙物后，速度受到限制，只能發(fā)出來設(shè)定的最大力矩。

SDO指令讀取示例：

SDO_READ(0,0,$6072,0,3,0) '讀取數(shù)據(jù)保存到TABLE(0)，值為5000

七、電機(jī)極性設(shè)置

電機(jī)極性(旋轉(zhuǎn)方向)通過數(shù)據(jù)字典607Eh設(shè)定，有8個bit值可設(shè)定，如下圖，極性不反轉(zhuǎn)的時候，將607Eh的bit7-5均設(shè)為0;極性反轉(zhuǎn)的時候，將607Eh的bit7-4均設(shè)為1;其余位bit4-0均設(shè)為0。

設(shè)置方法：將607Eh的值設(shè)為224時，符號有反轉(zhuǎn)，給正方向指令，電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向為CW(順時針);將607Eh的值設(shè)為0時，符號無反轉(zhuǎn)，給正方向指令，電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向為CCW(逆時針);電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向規(guī)定參見下圖。

設(shè)置示例：

使用驅(qū)動器軟件或SDO指令操作數(shù)據(jù)字典607Eh。

SDO_READ(Bus_Slot,iNode,$607E,0,5,0) '讀取極性保存到TABLE(0)

SDO_WRITE(Bus_Slot,iNode,$607E,0,5,$E0) '極性設(shè)置

驅(qū)動器軟件設(shè)置：可查看或修改設(shè)定值，值為224時，給正向運(yùn)動參數(shù)，電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)。

八、驅(qū)動器其他參數(shù)設(shè)置

驅(qū)動器的出廠設(shè)置一般沒有反轉(zhuǎn)IO電平，會導(dǎo)致驅(qū)動器限位報警，出現(xiàn)限位報警之后，要根據(jù)驅(qū)動器手冊設(shè)置限位電平反轉(zhuǎn)。比如松下伺服要將Pr4.01、Pr4.02的參數(shù)分別設(shè)置為010101h(65793)、020202h(131586)。

IO輸入出廠默認(rèn)值(下圖顯示十進(jìn)制)：

可在驅(qū)動器軟件上直接修改Pr4.01、Pr4.02的值，也可以通過SDO_write指令設(shè)置數(shù)據(jù)字典3401h和3402h設(shè)置正負(fù)限位的電平。

SDO指令設(shè)置正負(fù)限位的示例：

SDO_WRITE(Bus_Slot,iNode,$3401,0,4,$10101)'正限位電平，出廠值$818181

SDO_WRITE(Bus_Slot,iNode,$3402,0,4,$20202)'負(fù)限位電平，出廠值$828282

修改后的值，可查看數(shù)據(jù)字典的值，或查看參數(shù)分類。

其他參數(shù)的設(shè)置均可在“對象編輯器”窗口或“參數(shù)”窗口直接修改，修改完成保存到EEPROM，驅(qū)動器重新上電生效。

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