電機控制演示

簡介

EtherCAT CoE（CAN over EtherCAT）是 EtherCAT 協議中的一種通信協議，它將 CANopen 應用層協議集成到 EtherCAT 網絡中，用于分布式系統中的設備控制和數據交換。它結合了 CANopen 的易用性和 EtherCAT 的高性能優勢，廣泛用于工業自動化、運動控制和傳感器網絡等領域。

以下是 CoE 的主要特點和功能：

基于CANopen：

CoE 的應用層直接采用了 CANopen 的設備協議，包括對象字典（Object Dictionary）的結構和服務。

通過對象字典定義設備參數、通信對象和控制數據，確保了設備間的互操作性。

支持標準服務：

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據（如參數配置）。

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

Emergency（EMCY）消息：用于報告設備異常情況。

NMT（Network Management）：提供網絡管理功能，如啟動、停止和復位設備。

高效傳輸：

EtherCAT 的總線結構和高速幀處理能力，使 CoE 能以更低的延遲和更高的效率進行數據交換。

支持多種應用場景：

適用于工業設備配置、實時監控、參數診斷和系統集成等。

對象字典映射：

對象字典以層級結構組織設備的數據和功能。

EtherCAT 使用 CoE 協議訪問對象字典中的變量，以實現參數讀取、寫入和實時控制。

典型應用：

用于支持復雜控制邏輯的驅動器（如伺服驅動）。

用于監控、調試和配置設備的工程工具。

本節將演示如何使用Beckhoff TwinCAT3和EtherKit開發板實現EtherCAT COE主從站通信，該示例工程

已支持CSP及CSV兩種操作模式。

前期準備

軟件環境：

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

硬件環境：

EtherKit開發板

網線一根

Jlink調試器

CiA402伺服使用說明

首先來看下CiA402協議：CiA402協議（Communication Interface for Drive Systems）是由CiA (CAN in Automation) 組織定義的，用于工業自動化領域，特別是針對電機控制系統的標準化協議。CiA402是驅動器和運動控制器CANopen設置子協議，定義變頻器、伺服控制器以及步進的接口，它是國際標準IEC 61800-7系列的組成部分。CiA402協議基于CANopen通信協議，并在此基礎上擴展和優化了用于運動控制系統的功能。它主要用于伺服電機、步進電機以及其他類型的電動驅動系統的控制。

接下來看下FSA（有限狀態自動機）顯示驅動器的不同狀態以及如何執行它們之間的轉換。

下面是對應上圖各個狀態的詳細說明：

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

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

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

CiA402對象字典定義

下面是有關CiA402對象字典在EtherKit CoE工程中支持的列表，其中已經支持了位置模式及速度模式，可通過主站去設置控制字來與從站的過程數據進行交互，基于CoE協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，將發布文件夾中包含的ESI文件復制到TwinCAT目標位置：..\TwinCAT\3.x\Config\IO\EtherCAT

注意：當前版本的 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，創建TwinCAT XAR Project(XML format)工程：

從站啟動CoEApp

將EtherKit開發板上電后，需要使用網線連接ETH0網口， ethercat會默認運行。

從站設備掃描

新建工程之后，在左側導航欄找到Devices，右鍵選擇掃描設備。正常來說如果掃描從站設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，在左側導航欄中，由于我們已經成功掃描到從站設備，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口，所以選擇Renesas EtherCAT RZ/N2 COE 2port，如果你配置的是三網口的話則選擇3port后綴的ESI文件進行下載。

下載完成之后，我們右鍵Device x(EtherCAT)移除設備后重新掃描并添加設備，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正常下載至工程中，同時ESI文件已經成功燒錄，下面是開發板串口終端打印信息：

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

– configuration，點擊OK后并激活設備：

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

當系統上電后，驅動器自動完成初始化，然后進入STATE_SWITCH_ON_DISABLED狀態，此時可以對驅動器的工作狀態模式進行設置，比如說設置為csp或csv模式等等；同時對應在開發板端能看到當前軸1對 應的CiA402狀態機信息在不斷打印：

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，我們可以將規劃好的目標位置通過寫入控制字0x607A設置目標位置，并且對應狀態字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，必須先將其狀態修改為STATE_OPERATION_ENABLED （可操作模式）。

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

>Outputs->Control Word，首先需要將狀態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)，將伺服控制器轉變為無障礙狀態：

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，同時在從站串口中斷打印

StateTransition2、State Transition3、State Transition4，在經過狀態傳輸2 3 4后， CiA402狀態機進入STATE_OPERATION_ENABLED ，此時就可以對控制器進行控制了。

比如說當前是位置模式，通過向Index:0x607A寫入位置數值，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，會發現Index 0x6064對應的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的csp切換為csv模式，點擊左側導航欄中的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，在右邊預設支持的module修改為 csv ，并點擊‘<’標志：

同時我們也可以觀察左側對應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備，點擊TwinCAT3上方導航欄的TwinCAT->Reload Devices：

然后需要使控制器進入STATE_OPERATION_ENABLED （可操作模式，參考上文），同樣是對控制字依次寫入0x0080（轉變為無障礙狀態）、 0x000F （由等待打開伺服使能切換到伺服運行狀態）。

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

此時我們便可對Target Velocity值進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置的速度信息是否一致：