精准测量!虹科EtherCAT编码器为运动控制保驾护航

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EtherCAT总线协议

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EtherCAT系统组成

EtherCAT(以太网控制自动化技术)是一个以太网为基础的开放架构的现场总线系统，由一个主站设备和多个从站设备组成。主站设备使用标准的以太网控制器，具有良好的兼容性，任何具有网络接口卡的计算机和具有以太网控制的嵌入式设备都可以作为EtherCAT的主站。

对于PC计算机而言，主站控制器可采用EtherCAT Master协议栈开发。EtherCAT从站使用专门的从站控制器(ESC)，如专用集成芯片ET1100和ET1200，或者是利用FPGA集成EtherCAT通信功能的的IP-Core。EtherCAT物理层使用标准的以太网物理层器件，如传输介质通常使用100BASE-TX规范的5类UTP线缆。

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EtherCAT运行原理

实时工业以太网EtherCAT充分利用了以太网技术的全双工传输特性。使用主从模式进行访问控制，主站把数据帧发送给各个从站，每个从站从数据帧中读取自己的数据或把需要输入的数据插入数据帧中。

从以太网的角度来看，一个EtherCAT网段就是一个以太网设备，它接收和发送标准的ISO/IEEE 802-3以太网数据帧。但是，这种以太网设备并不局限于一个以太网控制器及响应的微处理器，它可以由多个EtherCAT从站组成。这些从站可以直接处理接收的报文，并从报文中提取或者插入相关的用户数据，然后将该报文传输到下一个EtherCAT从站。最后一个EtherCAT从站发回经过完全处理的报文，并由第一个从站作为响应报文将其发送给控制单元。

EtherCAT从站设备在报文经过其节点时读取相应的编址数据，同样，输入数据也是在报文经过时插入至报文中，如下图所示。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。整个过程中，报文只有几纳秒的时间延迟。



图1 过程数据插入至报文中

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EtherCAT总线拓扑

EtherCAT支持多种拓扑结构：线形、树形、菊花链形等等。从物理链接层面上来看，基本的线型、树型、星型、菊花链型等拓扑以及多种拓扑结构的组合都可以用于 EtherCAT 网络。同时其拓扑结构不受级联交换机或集线器数量的限制，从而大大提高了不同场合布线的灵活性。从数据通信角度来讲，最有效的网络连接方式是线型、树型结构以及这两种结构的复合拓扑。因为很多设备中和 I/O 模块都已存在所需接口，所以无需附加交换机。



由于EtherCAT基于传统以太网，因此可以使用标准以太网电缆或光缆进行连接，使用100Base-TX电缆时，每个站之间距离可达100米，整个网络最多可以连接65535个设备。不仅如此，EtherCAT还支持热连接、热插拔、冗余、安全等功能。

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虹科HK-MK5-5002编码器

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编码器概述

编码器是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种;按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

在实际应用中，EtherCAT编码器可以将设备的原始信号转换成EtherCAT通信信号，使得控制系统能够利用EtherCAT协议在提供纳秒级精确的同步、灵活的拓扑等方面的优势，进而能够以较低的成本实现精确可靠的控制。

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虹科HK-MK5-5002模块

虹科HK-MK5-5002 编码器模块是一个用于 RS422 差分形式输出的增量编码器采集模块。带有32 位正交解码计数器，以及零脉冲、锁存信号的锁存器可读取锁存位置，并把计数与锁存结果通过总线通信传递给控制器，从而实现分布式的编码器采集。



该模块采用4 倍频对所有输入信号的边沿进行采样和计算，可以进一步提高分辨率和采集精度。

HK- MK5-5002的输入通道与输出通道，EtherCAT通信接口以及电源接口，都拥有对应的LED指示灯，用于快速观察和诊断信号与指令状态。



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主要特性

虹科HK-MK5-5002 编码器模块关键参数：

额定电源电压/V：24(-15%+20%)；；

编码器输入：增量型编码器(A/B);

通道数：2路(EA+EB+EZ)；

输入类型：差分；

信号电压/V：0~+5；

脉冲计数倍率：4倍/2倍(默认4倍)；

脉冲计数范围：-2147483648 +2147483648；

计数方向反向：支持；

硬件滤波：支持0-15(默认8)；

电气隔离：500V；

防护等级：IP30；

HK-MK5-5002供电电源输入为通信系统供电或现场设备端供电，并带有电气隔离，其坚固的金属外壳能够提供出色的电磁屏蔽和散热性能，IP30防护等级，确保在苛刻的工业生产环境中也能稳定使用，十分安全可靠。

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虹科HK-MK5-5002模块现场实施

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设备安装

该模块采用紧凑的尺寸设计，可使用35mm DIN导轨直接安装在机器设备中。



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连接电源

模块供电设计为Us、Up两部分，分别对应通信系统与现场负载电源，分开供电可有效保证通讯系统不受现场侧供电的影响。Us用于模块通讯系统供电，Up用于现场设备侧供电，用户使用时，可采用2路相互隔离的电源转换器分别为Us、Up进行供电。当HK-MK5系列编码器模块的现场输入输出信号部分电路产生异常情况(如电源异常、负载短路、浪涌)时，能够保护通信部分电路能够不受影响，以及防止现场干扰信号影响到通信电路。



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应用示例

使用HK-MK5-5002通道1采集编码器数值：

编码器A/B/Z差分信号分别接入HK-MK5-5002模块通道1对应的端子；

编码器电源线分别接入HK-MK5-5002模块的5V和0V对应的端子；

插入网线，连接主站，并给HK-MK5-5002模块上电；

主站扫出从站模块HK-MK5-5002，进入OP状态；

转动编码器，可以观察到PDO(6000：08-Counter value)的值随着编码器的转动而变化，默认4倍频计数；

若编码器转动方向与计数方向相反，可通过设置对象字典0x8000.3(Enable direction inversion)为1，使能反向计数功能。如需通过CoE设置参数，需要先将从站状态机切换至Pre-OP，设置完毕后，需要通过对象字典F003.01(Save Current Paremeters)，赋值0x1234，保存当前参数，掉电不丢失，最后将从站状态机OP状态。

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典型应用

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包装行业

HK-MK5-5002编码器具有安全、快速、多功能和紧凑的特性，特别适合应用于包装机械。在高效生产条件下的高产率是包装行业现代化生产设备经济运行的关键。影响生产经济效益的关键因素有：通过加快各个过程来提高工厂性能，优化生产订单控制，减少停机时间。



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风电行业

准确的位置和速度信息是风电机组控制回路的重要测量变量。HK-MK5-5002编码器可提供更高的分辨率，并通过数字信号处理和主动校正信号错误来实现高控制质量。灵活的编码器系统是真正的全能者，它们提供有关位置、速度和加速度的信息，可直接集成到状态监测系统中，或通过附加输出集成到系统的安全监测中。



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压力机调模

压力机滑块的装模高度是通过调节连杆的长度来实现的。滑块装模高度调节方法有两种：手动调节方式与自动调节方式。

手动调节是使用工具旋转调节螺杆来改变装模高度;自动调节方式是通过调模电机的正转或反转进行调节。一般小型压力机采用手动调节方式，而中大型压力机尤其是大型闭式压力机的装模高度调节量往往很大，手动调节很不方便，需要自动调节。

所谓自动调节，就是设定目标模高值，控制调模电机正转或反转带动滑块上升或下降，通过实时读取编码器的值监测装模高度的位置，当到达目标模高值时，自动调节完成。

HK-MK5-5002 EtherCAT 接口高分辨率增量型编码器具备智能诊断功能与高速数据传输功能，可实现工业自动化应用中的位置与速度的高精度测量。其强大的工作温度、工作时间等参数的诊断与错误及早检测功能，极大地提升了网络的稳定性；使用编码器测量滑块装模高度，通过PLC读取其值或写入数值，经过处理后获得滑块装模高度的当前值，从而控制调模电机启停实现滑块自动调节的功能。

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物料搬运

HK-MK5-5002编码器可以为自动物料搬运车，也称自动导引车(AGV)提供速度检测和精准的转向角监测，可实现良好的行驶速度和井然有序的货物存储和检索。不同负载的货物和材料被运送到规定的地点，堆放并放入仓库或移走。只有当自动导引车被精确引导时，物流中心才会更有效率。传感器在这里起着至关重要的作用。



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总结

随着智能制造2025的不断推进，社会对工业自动化需求的不断增加，从工厂自动化到移动机械的控制系统应用日益广泛。这一运动控制应用需要准确、实时地掌握机械设备物理位置信息。编码器，作为将信号(如比特流)或数据进行编制、转换为可用于通讯、传输和存储的信号形式设备，成为业自动控制中重要的反馈环节执行元件。

实时工业以太网EtherCAT凭借着高性能、低成本、应用简易等优点在现代控制领域得到了迅速的发展，适用于自动化包装、物流仓储、机械工程、光电等多个领域。

虹科活动预告

虹科是一家在工业自动化领域，特别是工业总线通讯行业经验超过15年的高科技公司。虹科智能自动化事业部与欧洲和美国的世界知名工业自动化、能源管理与楼宇自动化专家展开深度合作，提供业内顶尖水平的通信协议的软硬件解决方案，通信技术类型涉及工业自动化通讯协议【CAN、CANopen、EtherCAT、Profinet、Ethernet/IP、IO-Link、OPC UA、MQTT、TSN】等，能源管理与楼宇自动化通讯协议【ASCII、BACnet、KNX、Modbus】等，解决方案包含：代码、芯片/模块、板卡、网关、IO、工控机、继电器、测试方案、培训和开发服务等。因此，虹科是国内为数极少的在OT领域深耕多年并技术经验全面的供应商。

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