我们现在都用EtherCAT总线伺服!但你真的了解它吗?带你详解E...

显示全部楼层 · 2024-5-21 08:12:21

001 有人感兴趣、有人觉得没必要了解的相关知识

1.1 CANopen over EtherCAT(CoE) 通信指令型伺服单元 的OSI参考模型使用应用层、数据链接层、物理层三层，数据链接层封装EtherCAT通信，应用层封装CANopen的驱动配置文件(DS402)。

1.2 EtherCAT总线伺服，肯定是使用了EtherCAT实时以太网技术的。小白提问：我看不就是网口、网线吗？为什么称EtherCAT为实时以太网？
Ethernet是以太网，EtherCAT是实时以太网，后者对前者做了一些改造。在CoE 通信指令型伺服单元的OSI参考模型中我们发现其物理层也是Ethernet。我们可以简单理解为：EtherCAT技术是基于Ethernet的（采用标准的以太网数据帧和符合以太网标准 IEEE 802.3 的物理层），但做了许多改变和升级！
“EtherCAT实时性的本质是：EtherCAT提高了Ethernet包的利用率和优化了冗余的通讯过程步骤。”

1.3 “CiA”是什么意思？

1992年由多家企业成立的非营利性组织，旨在提供CAN的技术信息、产品信息及市场信息。CiA是一个组织。
1.4 什么是“CAN”？
CAN：Controller Area Network，作为车载用LAN而开发的物理层和数据链接层的通信标准。ISO11898国际标准。

注意：CAN仅是物理层和数据链接层的通信标准，不涉及应用层协议；EtherCAT也是数据链接层，不涉及应用层协议。

1.5 什么是“CANopen”？包含哪些协议（规范）？我们关心哪个协议（规范）？
CANopen由非营利组织CiA（CAN in Automation）进行标准的起草及审核工作，基本的 CANopen 设备及通讯子协定定义在CiA 301 中。针对个别设备的子协定以 CiA 301 为基础再进行扩充。如针对 I/O 模组的 CiA401 及针对运动控制的 CiA402。
1.6 什么是“DS”、“DSP”？

DS (draft standard) DS (标准草案)。这种标准尚未定案，但已发布。CiA 的标准草案在一年内不会发生改变。

DSP (draft standard proposal) DSP (标准草案提案)。这种标准仅是一个提案，但已发布。CiA的标准草案提案可随时变更，不事先通知。

002 给EtherCAT(CoE) 通信指令型伺服单元下定义

下定义：“ EtherCAT (CoE) 通信指令型伺服单元是在实时以太网即EtherCAT通信中安装了CANopen驱动配置文件(CiA402)的产品”。

2.1 该定义中的“实时以太网”，笔者在1.2中已经加以说明，在此进一步说明。在物理层面上，实时以太网和以太网使用相似的电缆和连接标准，如Cat 5e、Cat 6或光纤。

2.2 EtherCAT报文帧只能由主站进行发送，在一个通讯周期内，主站发送以太网数据帧给各个从站，数据帧到达从站后，每个从站根据寻址从数据帧内提取相应的数据，并把它反馈的数据写入数据帧。当数据帧发送到最后一个从站后返回，并通过第一个从站返回至主站。这种传输方式能够在一个周期内实现数据通讯，还改善了带宽利用率，最大有效数据利用率达90%以上。

2.3 下图中黄色为Cable电缆(Cat 5e、Cat 6)，绿色虚线带箭头为数据帧流向示意。

2.4 EtherCAT实时以太网主站与从站之间的数据交互犹如环形地铁，列车上的人到达自己的目的站点后下车，每个站点的人也会相应上车：车站（主站）、环形地铁（传输载体网线）、站点（从站）、每个站点上下车人流（每个从站获取和反馈的数据）。

2.5 对2.2中关于EtherCAT报文帧的补充说明：EtherCAT 主站发送一个报文，报文经过所有节点。EtherCAT 从站设备高速动态地（on the fly）读取寻址到该节点的数据，并在数据帧继续传输的同时插入数据。然后利用以太网技术的全双工特性，将报文返回给主站。

2.6 怎么理解定义中的“安装了CANopen驱动配置文件(CiA402)”？
CANopen驱动配置文件(CiA402)就是符合CiA DSP 402 规范的CANopen驱动配置文件。CiA402完整描述为 CiA DSP 402。我们常常直接说成DS402。对于我们使用者来说安装了的意思就是遵循或符合该协议。2.7 第二章开头的“下定义”用白话解释说就是：COE伺服就是传输数据的硬件用的是升级改造过后的以太网，称之为实时以太网，其优越性在于能够在一个周期内实现数据通讯，还改善了带宽利用率。在应用层方面各个品牌的COE伺服都遵循CANopen DS402协议。协议中规定好了每个对象字典值的作用：比如0x6040是控制字，0x6041是状态字。DS402协议把一个伺服控制系统应该具有的功能都定义好了，厂家和使用者按照协议定义即可开发和使用符合标准的设备。

2.8 对象字典（Object Dictionary）EtherCAT伺服单元支持的对象总称；PDO(Process Data Object)周期通信收发的对象；SDO（Service Data Object）通过邮箱通信发送的对象。EtherCAT(CoE)通信通过对象收发数据。对象的数据读写通过按固定周期重复转送的“过程数据通信（PDO服务）”和不按固定周期转送的“邮箱通信（SDO服务）”执行。

003 “CANopen伺服”简单介绍

3.1 倍福TwinCAT NC能够控制的DS402驱动器有两种，一种是基于EtherCAT通讯的CANopen（DS402）驱动器，另一种是标准的基于CAN通讯的CANopen（DS402）驱动器。我们一般把前者叫做CoE伺服，把后者叫做CANopen伺服，使用CoE伺服的用户占比更大。

3.2 CoE伺服（前者）与CANopen伺服（后者）对于倍福TwinCAT NC来说是没有区别的，在TwinCAT NC中都识别为DS402轴。

3.3 IS620P-CANopen产品是汇川技术在通用IS620P伺服驱动器的基础上增加CANopen总线通讯功能。

3.4 CAN总线必须连接为菊花链形式，连接拓扑结构如下图所示：

3.5 CoE伺服在CANopen伺服基础上的改动。

3.5.1 物理层的改动，CANopen伺服使用符合CAN通讯要求的双绞线，需要CanOpen主站卡。CoE使用符合EtherCAT通讯要求的CAT 5类以太网线。不需要Canopen网卡，只需使用Ethercat主站（网卡和控制软件）即可。
3.5.2 主站不仅包含物理网卡，还必须加上TwinCAT控制软件（或其他控制软件），才是一个完整的主站。3.5.3 即使超过8个字节的数据要传输，也不用分到多个PDO中，所以整个通讯数据包里面只需要有一个RxPDO组和一个TxPDO组。
3.6 CoE伺服（前者）与CANopen伺服（后者）都识别为DS402轴，他们遵循的协议相同，仅物理层和数据链接层不同。

004 SoE伺服简单介绍

4.1 EtherCAT伺服驱动器，内部参数通常采用CANopen协议或Sercos协议。比如Beckhoff的AX5000驱动器（SOE伺服），内部参数就是遵循Sercos协议，分为P参数和S参数。而Beckhoff的AX2000-B110驱动器（COE伺服），同样是EtherCAT接口，其内部参数就是准寻CANopen DS402协议。

4.2 两者都使用EtherCAT实时以太网，物理层和数据链接层相同，但遵循协议不同。

005 附录

下面截图来自CiA官方网站：www.can-cia.org

CiA develops and publishes technical documents.
译文：CiA开发并发布技术文件。
CiA documents in Public Available Specification (PAS) or Technical Report (TR)status can be downloaded free of charge by CiA-members and non-members after registration.

译文：CiA会员和非会员注册后均可免费下载公开可用规范(PAS)或技术报告(TR)状态的CiA文件。

CiA documents classified as Draft Specification (DS)are accessible for CiA members and non-members can subscribe them.
译文:CiA成员可以访问被归类为规范草案(DS)的CiA文件，非成员也可以订阅它们。
Draft Specification Proposal (DSP) documents are limited to CiA members requiring a login (only for CiA-members).
译文:规范建议草案(DSP)文件仅限于CiA成员且需要登录(仅CiA成员)。对英文长难句感兴趣的朋友,可以看看以上我对CIA官网英文的翻译！
EtherCAT全称EtherNet Control Automation Technology，是由德国倍福（Beckhoff）公司提出的一种实时以太网技术。EtherCAT是一种开放但不开源的技术，意味着您可以任意使用这项技术，但若要进行相关设备的开发，则需要向倍福公司获取相关授权。

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