本發(fā)明涉及工業(yè)以太網(wǎng)及運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，特別涉及一種基于ethercat的多軸同步控制裝置和方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線曾被廣泛應(yīng)用到控制領(lǐng)域中，然而這種特定協(xié)議設(shè)計(jì)的模式帶來了控制系統(tǒng)的兼容性和速度問題。目前，現(xiàn)場總線的速率較低，最快的profibus總線速率只能達(dá)到12mb/s。此外，現(xiàn)場總線技術(shù)沒有一個(gè)統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，雖然協(xié)議開放，但不同協(xié)議的控制系統(tǒng)由于幀格式以及周期時(shí)間的差異不易兼容，不利于控制系統(tǒng)的開放性、分散性和可操作性。因此，具有高速率、高可靠性并且制定了通用國際標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)被引入到工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域。工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為當(dāng)前自動(dòng)化控制研究的熱點(diǎn)對(duì)象，并將逐漸取代傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線技術(shù)。

ethercat是一種流行的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，其具有高速和傳輸數(shù)據(jù)量大、效率高等特點(diǎn)，是目前傳輸速度最快的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，可以達(dá)到小于100us的數(shù)據(jù)刷新周期，可以用于伺服技術(shù)中底層的閉環(huán)控制。單個(gè)以太網(wǎng)幀最多可容納1486個(gè)字節(jié)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可以連接65535個(gè)設(shè)備。ethercat協(xié)議的時(shí)鐘同步技術(shù)基于ieee1588精確時(shí)鐘協(xié)議，其從站時(shí)鐘同步性能可以達(dá)到ns級(jí)，以工業(yè)pc作為主站的主從站同步可以達(dá)到us級(jí)。ethercat網(wǎng)絡(luò)從站節(jié)點(diǎn)使用專用的控制芯片，主站使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)控制器。

ethercat技術(shù)使得開發(fā)基于pc的多軸同步控制成為可能，可以應(yīng)用于多機(jī)器人協(xié)同工作等領(lǐng)域。但目前國內(nèi)的ethercat設(shè)備主要依賴進(jìn)口，價(jià)格昂貴，且開放性低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，研制一套基于工業(yè)以太網(wǎng)ethercat的多軸同步控制裝置及方法。采用此裝置可以進(jìn)行多軸同步算法的研究，如機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法的研究。

為達(dá)到上述目的,本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:

一種基于ethercat的多軸同步控制裝置，包括機(jī)械本體部分，交流伺服驅(qū)動(dòng)部分和控制部分：

所述機(jī)械本體部分包括：

支撐臺(tái)架和若干安裝在所述支撐臺(tái)架上的交流伺服電機(jī)；

所述交流伺服驅(qū)動(dòng)部分包括：

若干與交流伺服電機(jī)一一對(duì)應(yīng)連接的交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站，所述交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站工作在同步位置模式下，用于按照獲得的脈沖信號(hào)輸出位置，并分別輸出對(duì)應(yīng)交流伺服驅(qū)動(dòng)器的光電編碼器值、角速度值、力矩值；

所述控制部分包括：

pc主站，通過網(wǎng)線與交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站連接，用于初始化ethercat網(wǎng)絡(luò)、實(shí)現(xiàn)pc主站與交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的主從站時(shí)鐘同步、各交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站之間時(shí)鐘同步、發(fā)送位置信號(hào)到各交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站、接收各交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站輸出的各交流伺服電機(jī)的光電編碼器值、角速度值、力矩值。

進(jìn)一步地，所述支撐臺(tái)架采用框架結(jié)構(gòu)，該框架結(jié)構(gòu)包括四條豎向支架、一上一下地水平設(shè)置在所述豎向支架上頂部平臺(tái)和中部平臺(tái)。

進(jìn)一步地，所述支撐臺(tái)架底部設(shè)置有四個(gè)使所述支撐臺(tái)架移動(dòng)的萬向輪。

進(jìn)一步地，所述交流伺服電機(jī)采用螺栓與所述支撐臺(tái)架固定連接，所述交流伺服驅(qū)動(dòng)器采用螺栓與所述支撐臺(tái)架固定連接，交流伺服電機(jī)固定安裝在所述支撐臺(tái)架的頂部平面上，所述交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站固定安裝在所述支撐臺(tái)架的中部平面。

進(jìn)一步地，所述交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站具有ethercat通信功能以及支持分布式時(shí)鐘，每個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站分別具有兩個(gè)以太網(wǎng)端口：為端口0和端口1，所述端口0為數(shù)據(jù)輸入端口，所述端口1為數(shù)據(jù)輸出端口；每個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站都為一個(gè)ethercat網(wǎng)絡(luò)從站，所述pc主站僅與第一個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站通過網(wǎng)線連接，其余交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站之間通過網(wǎng)線串聯(lián)連接，所述交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站直接處理由端口0接收的數(shù)據(jù)幀，并從數(shù)據(jù)幀中提取或插入相關(guān)的數(shù)據(jù)，然后將該數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)较乱粋€(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站，最后一個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站發(fā)回經(jīng)過完全處理的數(shù)據(jù)幀，并由所連接的第一個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站作為響應(yīng)數(shù)據(jù)幀將其發(fā)送給pc主站，每個(gè)數(shù)據(jù)幀都可包含多個(gè)子數(shù)據(jù)幀，可對(duì)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的多個(gè)寄存器同時(shí)進(jìn)行操作。

進(jìn)一步地，所述的pc主站包括：

交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)位置控制模塊，用于輸出位置控制信號(hào)，控制各交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)至相應(yīng)的位置；

絕對(duì)式編碼器信號(hào)讀取模塊，用于通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)線，對(duì)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站處理過的各交流伺服電機(jī)的絕對(duì)式編碼器信號(hào)進(jìn)行讀??；

角速度信號(hào)讀取模塊，用于通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)線，對(duì)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站處理過的各交流伺服電機(jī)的角速度信號(hào)進(jìn)行讀??；

力矩信號(hào)讀取模塊，用于通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)線，對(duì)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站處理過的各交流伺服電機(jī)的力矩信號(hào)進(jìn)行讀??；

以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀輸出模塊，用于初始化ethercat網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站之間的從站時(shí)鐘同步、pc主站與各交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站之間的主從站時(shí)鐘同步。

進(jìn)一步地，所述pc主站為安裝有intime實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和windows系統(tǒng)的工業(yè)pc機(jī)，所述intime實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與windows系統(tǒng)之間通過共享內(nèi)存與郵箱進(jìn)行通信與數(shù)據(jù)傳輸，通過以太網(wǎng)接口與網(wǎng)線連接各交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站，控制整個(gè)ethercat網(wǎng)絡(luò)，最小采樣周期為50微秒。

一種基于所述裝置的多軸同步控制方法，包括以下步驟：

s1：pc主站配置各交流伺服驅(qū)動(dòng)器的從站站點(diǎn)地址寄存器，配置郵箱通道參數(shù)，配置分布式時(shí)鐘相關(guān)寄存器，實(shí)現(xiàn)各個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站之間的時(shí)鐘同步，并在接下去發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)幀中插入對(duì)各交流伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行時(shí)鐘漂移補(bǔ)償?shù)淖訑?shù)據(jù)幀；pc主站對(duì)各交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的狀態(tài)控制寄存器進(jìn)行寫操作，使各交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)換為預(yù)運(yùn)行狀態(tài)，所述pc主站每1-3ms發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀。

s2：所述pc主站使用郵箱初始化過程數(shù)據(jù)映射，所述初始化過程依次包括：pc主站使用服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象(sdo)對(duì)各交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的canopen對(duì)象字典進(jìn)行讀寫、pc主站配置交流伺服驅(qū)動(dòng)器的過程數(shù)據(jù)通信所使用的同步管理器(sm)通道、pc主站配置現(xiàn)場總線內(nèi)存管理單元(fmmu)；pc主站對(duì)各交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的狀態(tài)控制寄存器進(jìn)行寫操作，使各交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)換為安全運(yùn)行狀態(tài)；

s3：所述pc主站發(fā)送有效的輸出數(shù)據(jù)幀，對(duì)各交流伺服驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)控制寄存器進(jìn)行寫操作，使個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)換為運(yùn)行狀態(tài)；所述pc主站與各交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站進(jìn)行主從站時(shí)鐘同步。

進(jìn)一步地，步驟s1中，所述配置分布式時(shí)鐘相關(guān)寄存器，實(shí)現(xiàn)各個(gè)從站的時(shí)鐘同步，并在接下去的每個(gè)數(shù)據(jù)幀中插入對(duì)各交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站進(jìn)行時(shí)鐘漂移補(bǔ)償?shù)淖訑?shù)據(jù)幀的步驟具體包括：

s11：以與pc主站連接的第一個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站作為ethercat網(wǎng)絡(luò)參考時(shí)鐘，所述pc主站以及其他的交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的本地時(shí)鐘都與這個(gè)參考時(shí)鐘進(jìn)行同步；所述pc主站發(fā)送順序讀命令讀取參考時(shí)鐘的本地系統(tǒng)時(shí)鐘寄存器0x910～0x917，計(jì)算使得高32位為0xffffffff所需的高32位時(shí)鐘偏移，低32位時(shí)鐘偏移為0；pc主站發(fā)送順序?qū)懨?，寫參考時(shí)鐘的時(shí)間偏移寄存器0x920～0x927，使得高32位時(shí)鐘為0xffffffff，低32位時(shí)鐘保持不變；

s12：pc主站發(fā)送一個(gè)廣播寫命令數(shù)據(jù)幀，寫所有交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的端口0的接收時(shí)間寄存器0x0900，當(dāng)數(shù)據(jù)幀由第一個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站向最后一個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站傳輸時(shí)，每個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的端口0鎖存數(shù)據(jù)幀第一個(gè)前導(dǎo)位到達(dá)端口0時(shí)的本地系統(tǒng)時(shí)間，當(dāng)數(shù)據(jù)幀由最后一個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站向第一個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站傳輸時(shí)，每個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站端口1鎖存數(shù)據(jù)幀第一個(gè)前導(dǎo)位到達(dá)端口1時(shí)的本地系統(tǒng)時(shí)間，具體對(duì)應(yīng)關(guān)系為：設(shè)置為參考時(shí)鐘的交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的寄存器0x0900～0x0903中保存了數(shù)據(jù)幀到達(dá)端口0時(shí)的參考時(shí)鐘tsys_ref時(shí)刻t1，寄存器0x0904～0x0907中保存了數(shù)據(jù)幀到達(dá)端口1時(shí)的參考時(shí)鐘tsys_ref時(shí)刻t4；其他交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站n的時(shí)鐘寄存器0x0900～0x0903中保存了數(shù)據(jù)幀到達(dá)端口0時(shí)的本地時(shí)鐘tlocal時(shí)刻t2(n)，時(shí)鐘寄存器0x0904～0x0907中保存了數(shù)據(jù)幀到達(dá)端口1時(shí)的本地時(shí)鐘tlocal時(shí)刻t3(n)；

s13：讀取所述時(shí)刻t1、t4、t2(n)、t3(n)，通過以下公式計(jì)算其他交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站n低32位的時(shí)鐘偏移toffset和傳輸延時(shí)tdelay：

t2(n)-t1＝toffset(n)+tdelay(n)(1)

t3(n)-t4＝toffset(n)-tdelay(n)(2)

聯(lián)立公式(1)(2)可得：

tdelay(n)＝[((t4-t1)-(t3(n)-t2(n)))]/2(3)

toffset(n)＝(t2(n)-t1+t3(n)-t4)/2(4)

對(duì)于最后一個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站，由于沒有報(bào)文返回通過端口1，所以：

t2(n)＝t3(n)(5)

從站系統(tǒng)時(shí)間為：

tsys_time＝tlocal_time+toffset-tdelay(6)

總是假設(shè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站n的本地時(shí)鐘小于參考時(shí)鐘,所以，當(dāng)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站n的本地時(shí)鐘大于參考時(shí)鐘時(shí),時(shí)鐘偏移量的計(jì)算為：

toffset(n)＝0xffffffff-(t2(n)-t1+t3(n)-t4)/2(7)

此時(shí)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站n在高32位時(shí)鐘偏移計(jì)算的偏移量要減1，因?yàn)樵谟?jì)算低32位時(shí)鐘偏移量的時(shí)候使其向高32位時(shí)鐘進(jìn)位了；

當(dāng)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站n本地時(shí)鐘小于參考時(shí)鐘時(shí)，時(shí)鐘偏移量的計(jì)算為：

toffset(n)＝(t2(n)-t1+t3(n)-t4)/2(8)

接著pc主站發(fā)送順序讀命令，讀各交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的本地系統(tǒng)時(shí)間寄存器0x910～0x917，通過公式(3)計(jì)算各個(gè)從站本地時(shí)鐘相對(duì)參考時(shí)鐘高32位的時(shí)鐘偏移量；

s14：pc主站發(fā)送設(shè)置寫命令，除了參考時(shí)鐘從站，把步驟s13計(jì)算所得的時(shí)鐘偏移和傳輸延時(shí)寫入各個(gè)從站的時(shí)間寄存器，包括時(shí)鐘偏移寄存器0x920～0x927，和傳輸延時(shí)寄存器0x928～0x92b；在之后pc主站發(fā)送的每一個(gè)數(shù)據(jù)幀中，都包含了一個(gè)時(shí)鐘漂移補(bǔ)償子數(shù)據(jù)幀，這個(gè)子數(shù)據(jù)幀對(duì)第一個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器的時(shí)鐘寄存器0x910～0x917進(jìn)行讀多重寫操作。

進(jìn)一步地，所述pc主站與各交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站進(jìn)行主從站時(shí)鐘同步是使用ieee1588時(shí)鐘同步協(xié)議進(jìn)行同步，具體步驟包括：

s31：pc主站發(fā)送讀交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的系統(tǒng)時(shí)鐘的數(shù)據(jù)幀；

s32：pc主站讀取返回?cái)?shù)據(jù)幀獲得交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的系統(tǒng)時(shí)鐘t1，讀取此時(shí)pc主站的系統(tǒng)時(shí)鐘為t2；

s33：pc主站再次發(fā)送讀交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的系統(tǒng)時(shí)鐘數(shù)據(jù)幀，記錄此時(shí)pc主站的系統(tǒng)時(shí)鐘為t3；

s34：pc主站讀取返回報(bào)文獲得交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的系統(tǒng)時(shí)鐘為t4，根據(jù)公式(9)～(12)計(jì)算pc主站的系統(tǒng)時(shí)鐘與交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的系統(tǒng)時(shí)鐘的初始時(shí)鐘偏移和數(shù)據(jù)傳輸過程的傳輸延時(shí)：

toffset＝t2-t1-tdelay(9)

toffset＝t3-t4+tdelay(10)

計(jì)算可得：

toffset＝(t2-t1+t3-t4)/2(11)

tdelay＝(t2-t1+t4-t3)/2(12)

其中toffset為pc主站時(shí)鐘與參考時(shí)鐘的時(shí)鐘偏移量，tdelay為pc主站時(shí)鐘與參考時(shí)鐘數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鬏斞訒r(shí)；

s35：pc主站在周期性發(fā)送的數(shù)據(jù)幀中插入讀取交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站系統(tǒng)時(shí)鐘的子數(shù)據(jù)幀；

s36：根據(jù)公式(13)計(jì)算pc主站時(shí)鐘與交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)鐘漂移tdrift：

tdrift＝tmaster-(tslave+toffset+tdelay)(13)

其中tmaster為當(dāng)前pc主站時(shí)鐘，tslave為參考時(shí)鐘時(shí)間；

s37：若tdrift>0，pc主站系統(tǒng)時(shí)鐘快于交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站系統(tǒng)時(shí)鐘，減慢主站系統(tǒng)時(shí)鐘運(yùn)行，若tdrift<0，主站系統(tǒng)時(shí)鐘慢于從站系統(tǒng)時(shí)鐘，加快主站系統(tǒng)時(shí)鐘運(yùn)行；

s38：重復(fù)s35至s37。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:

(1)本裝置采用基于pc的控制器，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)控一體化，利用pc強(qiáng)大的運(yùn)算能力，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。

(2)本裝置采用了ethercat通信技術(shù)，具有傳輸速度快，數(shù)據(jù)量大，同步性能好，可與其他以太網(wǎng)設(shè)備及協(xié)議并存與同一總線，開放性好。

(3)本裝置的實(shí)時(shí)模塊運(yùn)行于intime實(shí)時(shí)系統(tǒng)之上，結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)總線ethercat，控制系統(tǒng)采樣周期最小可達(dá)到50微秒，運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)周期最小可達(dá)到200微秒。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于ethercat的多軸同步控制裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的軟件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明基于ethercat的多軸同步控制方法的人機(jī)交互界面。其中job工作區(qū)為類似于數(shù)控系統(tǒng)的編程方式，可進(jìn)行movl(直線插補(bǔ))，movc(圓弧插補(bǔ))等定義點(diǎn)與點(diǎn)之間的插補(bǔ)方式，techpoint工作區(qū)顯示獲取的示教點(diǎn)坐標(biāo)。運(yùn)行程序按鍵為運(yùn)行多軸同步運(yùn)動(dòng)控制算法，writedata按鍵打印出多軸同步運(yùn)動(dòng)控制過程中每個(gè)軸在每個(gè)插補(bǔ)周期的位置、速度與力矩。

圖中所示：1-支撐臺(tái)架，2～9-伺服電機(jī)，10～17-交流伺服驅(qū)動(dòng)器，18-pc主站。

具體實(shí)施方式

為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地描述。

如圖1所示，一種基于ethercat的多軸同步控制裝置，包括機(jī)械本體部分，交流伺服驅(qū)動(dòng)部分和控制部分：

所述機(jī)械本體部分包括：

支撐臺(tái)架1和若干安裝在所述支撐臺(tái)架1上的交流伺服電機(jī)2～9；

所述交流伺服驅(qū)動(dòng)部分包括：

若干與交流伺服電機(jī)2～9一一對(duì)應(yīng)連接的交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站10～17，所述交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站10～17工作在同步位置模式下，用于按照獲得的脈沖信號(hào)輸出位置，并分別輸出對(duì)應(yīng)交流伺服驅(qū)動(dòng)器的光電編碼器值、角速度值、力矩值；

所述控制部分包括：

pc主站18，通過ethercat網(wǎng)絡(luò)與各交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站10～17電路連接，用于初始化ethercat網(wǎng)絡(luò)、實(shí)現(xiàn)pc主站18與交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站10～17的主從站時(shí)鐘同步、各交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站10～17之間時(shí)鐘同步、發(fā)送位置信號(hào)到各交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站10～17、接收各交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站10～17輸出的各交流伺服電機(jī)2～9的光電編碼器值、角速度值、力矩值。

具體而言，所述支撐臺(tái)架1采用50*50的鋁型材構(gòu)建，采用框架結(jié)構(gòu)，整體尺寸為800*400*690mm，該框架結(jié)構(gòu)包括四條豎向支架、一上一下地水平設(shè)置在所述豎向支架上頂部平臺(tái)和中部平臺(tái)。

具體而言，所述支撐臺(tái)架1底部設(shè)置有四個(gè)使所述支撐臺(tái)架移動(dòng)的萬向輪。

具體而言，所述交流伺服電機(jī)采用螺栓與所述支撐臺(tái)架固定連接，所述交流伺服驅(qū)動(dòng)器采用螺栓與所述支撐臺(tái)架固定連接，交流伺服電機(jī)固定安裝在所述支撐臺(tái)架1的頂部平面上，所述交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站固定安裝在所述支撐臺(tái)架1的中部平面。

具體而言，所述交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站具有ethercat通信功能以及支持分布式時(shí)鐘，每個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站分別具有兩個(gè)以太網(wǎng)端口：為端口0和端口1，所述端口0為數(shù)據(jù)輸入端口，所述端口1為數(shù)據(jù)輸出端口；每個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站都為一個(gè)ethercat網(wǎng)絡(luò)從站，所述pc主站僅與第一個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站通過網(wǎng)線連接，其余交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站之間通過網(wǎng)線串聯(lián)連接，所述交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站直接處理由端口0接收的數(shù)據(jù)幀，并從數(shù)據(jù)幀中提取或插入相關(guān)的數(shù)據(jù)，然后將該數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)较乱粋€(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站，最后一個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站發(fā)回經(jīng)過完全處理的數(shù)據(jù)幀，并由所連接的第一個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站作為響應(yīng)數(shù)據(jù)幀將其發(fā)送給pc主站，每個(gè)數(shù)據(jù)幀都可包含多個(gè)子數(shù)據(jù)幀，可對(duì)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的多個(gè)寄存器同時(shí)進(jìn)行操作。

具體而言，所述的pc主站包括：

交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)位置控制模塊，用于輸出位置控制信號(hào)，控制各交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)至相應(yīng)的位置；

絕對(duì)式編碼器信號(hào)讀取模塊，用于通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)線，對(duì)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站處理過的各交流伺服電機(jī)的絕對(duì)式編碼器信號(hào)進(jìn)行讀取；

角速度信號(hào)讀取模塊，用于通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)線，對(duì)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站處理過的各交流伺服電機(jī)的角速度信號(hào)進(jìn)行讀??；

力矩信號(hào)讀取模塊，用于通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)線，對(duì)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站處理過的各交流伺服電機(jī)的力矩信號(hào)進(jìn)行讀??；

以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀輸出模塊，用于初始化ethercat網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站之間的從站時(shí)鐘同步、pc主站與各交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站之間的主從站時(shí)鐘同步。

具體而言，所述pc主站為安裝有intime實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和windows系統(tǒng)的工業(yè)pc機(jī)，所述intime實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與windows系統(tǒng)之間通過共享內(nèi)存與郵箱進(jìn)行通信與數(shù)據(jù)傳輸，通過以太網(wǎng)接口與網(wǎng)線連接各交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站，控制整個(gè)ethercat網(wǎng)絡(luò)，最小采樣周期為50微秒。

在本實(shí)施例中，交流伺服電機(jī)2～9選用的是臺(tái)達(dá)公司生產(chǎn)的ecma-ca0604rs型交流伺服電機(jī)，光電編碼器為絕對(duì)型編碼器，其額定電壓220v，額定功率為400w，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，額定轉(zhuǎn)矩為1.27n.m，不帶電磁制動(dòng)器。相應(yīng)的交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站10～17型號(hào)為asd-a2-0421-e，額定功率400w；所述支撐臺(tái)架選用的是上海璐琥鋁型材公司生產(chǎn)的5050w型工業(yè)鋁型材及4590連接角件；環(huán)氧板可選用杰諾牌型號(hào)為jn-11999，厚度為10mm的環(huán)氧板，所述支撐臺(tái)架的萬向輪可選用上海璐琥鋁型材公司生產(chǎn)的m8.100.500型萬向尼龍?zhí)隳_。

pc主站18選用的是安裝有intime實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的工業(yè)控制機(jī)，其通過網(wǎng)線與交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站10～17通訊，交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站與正泰公司生產(chǎn)的1p，額定電流為10a的dz47-60c10空氣開關(guān)直接連接。交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站10～17之間通過以太網(wǎng)線以串聯(lián)連接的方式進(jìn)行連接。

如圖2和圖3所示，一種基于所述裝置的多軸同步控制方法，包括以下步驟：

s1：pc主站配置各交流伺服驅(qū)動(dòng)器的從站站點(diǎn)地址寄存器，配置郵箱通道參數(shù)，配置分布式時(shí)鐘相關(guān)寄存器，實(shí)現(xiàn)各個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站之間的時(shí)鐘同步，并在接下去發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)幀中插入對(duì)各交流伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行時(shí)鐘漂移補(bǔ)償?shù)淖訑?shù)據(jù)幀；pc主站對(duì)各交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的狀態(tài)控制寄存器進(jìn)行寫操作，使各交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)換為預(yù)運(yùn)行狀態(tài)，所述pc主站每1-3ms發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀。

s2：所述pc主站使用郵箱初始化過程數(shù)據(jù)映射，所述初始化過程依次包括：pc主站使用服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象(sdo)對(duì)各交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的canopen對(duì)象字典進(jìn)行讀寫、pc主站配置交流伺服驅(qū)動(dòng)器的過程數(shù)據(jù)通信所使用的同步管理器(sm)通道、pc主站配置現(xiàn)場總線內(nèi)存管理單元(fmmu)；pc主站對(duì)各交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的狀態(tài)控制寄存器進(jìn)行寫操作，使各交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)換為安全運(yùn)行狀態(tài)；

s3：所述pc主站發(fā)送有效的輸出數(shù)據(jù)幀，對(duì)各交流伺服驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)控制寄存器進(jìn)行寫操作，使個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)換為運(yùn)行狀態(tài)；所述pc主站與各交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站進(jìn)行主從站時(shí)鐘同步。

具體而言，步驟s1中，所述配置分布式時(shí)鐘相關(guān)寄存器，實(shí)現(xiàn)各個(gè)從站的時(shí)鐘同步，并在接下去的每個(gè)數(shù)據(jù)幀中插入對(duì)各交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站進(jìn)行時(shí)鐘漂移補(bǔ)償?shù)淖訑?shù)據(jù)幀的步驟具體包括：

s11：以與pc主站連接的第一個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站10作為ethercat網(wǎng)絡(luò)參考時(shí)鐘，所述pc主站以及其他的交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站11～17的本地時(shí)鐘都與這個(gè)參考時(shí)鐘進(jìn)行同步；所述pc主站發(fā)送順序讀命令讀取參考時(shí)鐘的本地系統(tǒng)時(shí)鐘寄存器0x910～0x917，計(jì)算使得高32位為0xffffffff所需的高32位時(shí)鐘偏移，低32位時(shí)鐘偏移為0；pc主站發(fā)送順序?qū)懨睿瑢憛⒖紩r(shí)鐘的時(shí)間偏移寄存器0x920～0x927，使得高32位時(shí)鐘為0xffffffff，低32位時(shí)鐘保持不變；

s12：pc主站發(fā)送一個(gè)廣播寫命令數(shù)據(jù)幀，寫所有交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的端口0的接收時(shí)間寄存器0x0900，當(dāng)數(shù)據(jù)幀由第一個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站10向最后一個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站傳輸時(shí)，每個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的端口0鎖存數(shù)據(jù)幀第一個(gè)前導(dǎo)位到達(dá)端口0時(shí)的本地系統(tǒng)時(shí)間，當(dāng)數(shù)據(jù)幀由最后一個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站向第一個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站傳輸時(shí)，每個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站端口1鎖存數(shù)據(jù)幀第一個(gè)前導(dǎo)位到達(dá)端口1時(shí)的本地系統(tǒng)時(shí)間，具體對(duì)應(yīng)關(guān)系為：設(shè)置為參考時(shí)鐘的交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的寄存器0x0900～0x0903中保存了數(shù)據(jù)幀到達(dá)端口0時(shí)的參考時(shí)鐘tsys_ref時(shí)刻t1，寄存器0x0904～0x0907中保存了數(shù)據(jù)幀到達(dá)端口1時(shí)的參考時(shí)鐘tsys_ref時(shí)刻t4；其他交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站n的時(shí)鐘寄存器0x0900～0x0903中保存了數(shù)據(jù)幀到達(dá)端口0時(shí)的本地時(shí)鐘tlocal時(shí)刻t2(n)，時(shí)鐘寄存器0x0904～0x0907中保存了數(shù)據(jù)幀到達(dá)端口1時(shí)的本地時(shí)鐘tlocal時(shí)刻t3(n)；

s13：讀取所述時(shí)刻t1、t4、t2(n)、t3(n)，通過以下公式計(jì)算其他交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站n低32位的時(shí)鐘偏移toffset和傳輸延時(shí)tdelay：

t2(n)-t1＝toffset(n)+tdelay(n)(1)

t3(n)-t4＝toffset(n)-tdelay(n)(2)

聯(lián)立公式(1)(2)可得：

tdelay(n)＝[((t4-t1)-(t3(n)-t2(n)))]/2(3)

toffset(n)＝(t2(n)-t1+t3(n)-t4)/2(4)

對(duì)于最后一個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站，由于沒有報(bào)文返回通過端口1，所以：

t2(n)＝t3(n)(5)

從站系統(tǒng)時(shí)間為：

tsys_time＝tlocal_time+toffset-tdelay(6)

總是假設(shè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站n的本地時(shí)鐘小于參考時(shí)鐘,所以，當(dāng)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站n的本地時(shí)鐘大于參考時(shí)鐘時(shí),時(shí)鐘偏移量的計(jì)算為：

toffset(n)＝0xffffffff-(t2(n)-t1+t3(n)-t4)/2(7)

此時(shí)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站n在高32位時(shí)鐘偏移計(jì)算的偏移量要減1，因?yàn)樵谟?jì)算低32位時(shí)鐘偏移量的時(shí)候使其向高32位時(shí)鐘進(jìn)位了；

當(dāng)交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站n本地時(shí)鐘小于參考時(shí)鐘時(shí)，時(shí)鐘偏移量的計(jì)算為：

toffset(n)＝(t2(n)-t1+t3(n)-t4)/2；(8)

接著pc主站發(fā)送順序讀命令，讀各交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的本地系統(tǒng)時(shí)間寄存器0x910～0x917，通過公式(3)計(jì)算各個(gè)從站本地時(shí)鐘相對(duì)參考時(shí)鐘高32位的時(shí)鐘偏移量；

s14：pc主站發(fā)送設(shè)置寫命令，除了參考時(shí)鐘從站，把步驟s13計(jì)算所得的時(shí)鐘偏移和傳輸延時(shí)寫入各個(gè)從站的時(shí)間寄存器，包括時(shí)鐘偏移寄存器0x920～0x927，和傳輸延時(shí)寄存器0x928～0x92b；在之后pc主站發(fā)送的每一個(gè)數(shù)據(jù)幀中，都包含了一個(gè)時(shí)鐘漂移補(bǔ)償子數(shù)據(jù)幀，這個(gè)子數(shù)據(jù)幀對(duì)第一個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)器的時(shí)鐘寄存器0x910～0x917進(jìn)行讀多重寫操作。

具體而言，所述pc主站與各交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站進(jìn)行主從站時(shí)鐘同步是使用ieee1588時(shí)鐘同步協(xié)議進(jìn)行同步，具體步驟包括：

s31：pc主站發(fā)送讀交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的系統(tǒng)時(shí)鐘的數(shù)據(jù)幀；

s32：pc主站讀取返回?cái)?shù)據(jù)幀獲得交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的系統(tǒng)時(shí)鐘t1，讀取此時(shí)pc主站的系統(tǒng)時(shí)鐘為t2；

s33：pc主站再次發(fā)送讀交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的系統(tǒng)時(shí)鐘數(shù)據(jù)幀，記錄此時(shí)pc主站的系統(tǒng)時(shí)鐘為t3；

s34：pc主站讀取返回報(bào)文獲得交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的系統(tǒng)時(shí)鐘為t4，根據(jù)公式(9)～(12)計(jì)算pc主站的系統(tǒng)時(shí)鐘與交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站的系統(tǒng)時(shí)鐘的初始時(shí)鐘偏移和數(shù)據(jù)傳輸過程的傳輸延時(shí)：

toffset＝t2-t1-tdelay(9)

toffset＝t3-t4+tdelay(10)

計(jì)算可得：

toffset＝(t2-t1+t3-t4)/2(11)

tdelay＝(t2-t1+t4-t3)/2(12)

其中toffset為pc主站時(shí)鐘與參考時(shí)鐘的時(shí)鐘偏移量，tdelay為pc主站時(shí)鐘與參考時(shí)鐘數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鬏斞訒r(shí)；

s35：pc主站在周期性發(fā)送的數(shù)據(jù)幀中插入讀取交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站系統(tǒng)時(shí)鐘的子數(shù)據(jù)幀；

s36：根據(jù)公式(13)計(jì)算pc主站時(shí)鐘與交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)鐘漂移tdrift：

tdrift＝tmaster-(tslave+toffset+tdelay)(13)

其中tmaster為當(dāng)前pc主站時(shí)鐘，tslave為參考時(shí)鐘時(shí)間；

s37：若tdrift>0，pc主站系統(tǒng)時(shí)鐘快于交流伺服驅(qū)動(dòng)器從站系統(tǒng)時(shí)鐘，減慢主站系統(tǒng)時(shí)鐘運(yùn)行，若tdrift<0，主站系統(tǒng)時(shí)鐘慢于從站系統(tǒng)時(shí)鐘，加快主站系統(tǒng)時(shí)鐘運(yùn)行；

s38：重復(fù)s35至s37。

圖3是本發(fā)明基于ethercat的多軸同步控制方法的軟件的人機(jī)交互界面。其中job工作區(qū)為類似于數(shù)控系統(tǒng)的編程方式，可進(jìn)行movl(直線插補(bǔ))，movc(圓弧插補(bǔ))等定義點(diǎn)與點(diǎn)之間的插補(bǔ)方式，techpoint工作區(qū)顯示獲取的示教點(diǎn)坐標(biāo)。運(yùn)行程序按鍵為運(yùn)行多軸同步運(yùn)動(dòng)控制算法，writedata按鍵打印出多軸同步運(yùn)動(dòng)控制過程中每個(gè)軸在每個(gè)插補(bǔ)周期的位置、速度與力矩。

軟件包括非實(shí)時(shí)模塊和實(shí)時(shí)模塊，構(gòu)成如下：

非實(shí)時(shí)模塊采用microsoftvisualstudio2010平臺(tái)開發(fā)。主要完成人機(jī)交互功能。包括啟動(dòng)和停止控制系統(tǒng)，控制控制系統(tǒng)單軸運(yùn)行或者多軸聯(lián)動(dòng)。也完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與輸出的功能。

實(shí)時(shí)模塊運(yùn)行于intime實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之上。使用c/c++語言編程，用于運(yùn)行控制算法，以一定的周期發(fā)送控制信號(hào)，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘偏移，接受交流伺服驅(qū)動(dòng)器信號(hào)。

非實(shí)時(shí)模塊與實(shí)時(shí)模塊之間通過共享內(nèi)存與郵箱進(jìn)行數(shù)據(jù)共享與通信。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本方明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。