您的位置：山东大学 -> 科技期刊社 -> 《山东大学学报（工学版）》

山东大学学报(工学版) ›› 2014, Vol. 44 ›› Issue (5): 7-13.doi: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2013.201

• 控制科学与工程 • 上一篇    下一篇

基于实时以太网的开放式运动控制系统

姬帅, 张承瑞, 孙书仁, 胡天亮   

  1. 山东大学机械工程学院, 山东 济南 250061
  • 收稿日期:2013-07-14 修回日期:2014-05-30 发布日期:2013-07-14
  • 通讯作者: 张承瑞(1957-), 男, 福建福安人, 博士, 教授, 主要研究方向为软件化开放式数控系统和汽车电子技术.E-mail:13969076910@126.com E-mail:13969076910@126.com
  • 作者简介:姬帅(1987-), 男, 山东泰安人, 博士研究生, 主要研究方向为运动控制总线技术和开放式数控系统.E-mail:jishuai@sdu.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金资助项目(51075241)

Motion control system based on real-time ethernet

JI Shuai, ZHANG Chengrui, SUN Shuren, HU Tianliang   

  1. Mechanical Engineering School, Shandong University, Jinan 250061, Shandong, China
  • Received:2013-07-14 Revised:2014-05-30 Published:2013-07-14

PDF (PC)

1023

摘要： 为满足开放式数控系统的发展要求,开发了一种基于实时以太网Ethernet for Manufacture Automation Control (EtherMAC)开放式运动控制系统。EtherMAC主节点基于标准工业计算机,无需专用网卡和硬实时操作系统,从节点基于可编程逻辑门阵列(field programmable gate array, FPGA)硬件逻辑,不依赖专用芯片,从而在硬件结构上保证了系统的开放性。EtherMAC通过选取网络中第一个从节点管理网络的通讯周期和分布时钟,并利用以太网的巨大带宽将IPC强大运算能力和底层FPGA的硬实时特性高效地结合在一起,使系统主节点在软实时的操作系统支持下即可获得严格实时的通讯周期控制。实验结果表明,EtherMAC可以在Windows CE系统上获得小于1 ms的通讯周期,并且其同步精度可以保证在100 ns范围内,满足多轴运动控制系统的实时同步需求。

关键词: 通讯周期, 可编程逻辑门阵列, 实时以太网, 同步, 运动控制

Abstract: A real-time Ethernet named EtherMAC (Ethernet for Manufacture Automation Control) was developped for open computer numerical control system. A standard industrial personal computer (IPC) based master node and field programmable gate array (FPGA) based slave nodes were employed in EtherMAC, as neither dedicated network interface card (NIC) nor application specific integrated circuit (ASIC) chips were mandatory, the system was open in hardware architecture. The computation ability of IPC and hard real-time property of FPGA were combined together with Ethernet in this way. By adopting the first slave node to manage the communication and distributed clock, time critical performance could be achieved even the master node only with soft real-time performance. Experimental results showed that communication period less than 1 ms and synchronization precision within 100 ns could be achieved by EtherMAC, which were enough for motion control systems demanded critical real-time and synchronization.

Key words: synchronization, field programmable gate array, motion control, real-time Ethernet, communication period

中图分类号: 

  • TH16
[1] 谈峰.主流开放式数控系统体系结构比较分析[J].机械设计与制造, 2008(3):169-170.TAN Feng.Contrast analysis of the main open numerical controlled system architecture[J].Machinery Design ＆ Manufacture, 2008(3):169-170.
[2] 周祖德, 魏仁选,陈幼平.开放式控制系统的现状, 趋势与对策[J].中国机械工程, 1999, 10(10):1090-1093.ZHOU Zude, WEI Renxuan, CHEN Youping.Open architecture control system: state-of-the-art, trend and developing countermeasures[J].China Mechanical Engineering, 1999(10):1090-1093.
[3] DECOTIGNIE J D.Ethernet-based real-time and industrial communications[J].Proceedings of the IEEE, 2005, 93(6):1102-1117.
[4] FELSER M.Real-time ethernet-industry prospective[J].Proceedings of the IEEE, 2005, 93(6):1118-1129.
[5] VITTURI S, PERETTI L, SENO L, et al.Real-time Ethernet networks for motion control[J].Computer Standards ＆ Interfaces, 2011, 33(5):465-476.
[6] 张向利, 唐小琦,陈吉红.基于以太网的数控系统实时通信和时间同步[J].计算机集成制造系统, 2008, 14(6):1148-1154.ZHANG Xiangli, TANG Xiaoqi, CHEN Jihong.Ethernet-based real-time communication and time synchronization of CNC system[J].Computer Integrated Manufacturing Systems, 2008, 14(6):1148-1154.
[7] SCHUMACHER M, JASPERNEITE J,WEBER K.A new approach for increasing the performance of the industrial Ethernet system Profinet[C]//Proceeding of 2008 IEEE International Workshop on Factory Communication Systems.Dresden, Germany: IEEE Press, 2008:159-167.
[8] 谢经明, 周祖德, 陈幼平,等.基于现场总线的开放式数控系统体系结构研究[J].华中科技大学学报: 自然科学版, 2002, 30(4):1-3.XIE Jingming, ZHOU Zude, CHEN Youping, et al.Research on the architecture of fieldbus based open CNC system[J].Journal of Huazhong University of Science and Technology, 2002, 30(4):1-3.
[9] 刘艳强,郇极.基于现场总线的开放式数控系统数字伺服通信协议[J].制造业自动化, 2006, 28(1):50-53.LIU Yanqiang, Xun Ji.Communication protocol for open CNC based on fieldbus[J].Manufacturing Automation, 2006, 28(1):50-53.
[10] JI S, JIN D, ZHANG C, et al.Frame forward mechanism of a real-time Ethernet[C]//Proceeding of 2013 IEEE International Conference on Signal Processing, Communication and Computing.Kunming, China: IEEE Press, 2013:1-4.
[11] 周凯.基于实时以太网的高性能多轴数控系统[J].制造技术与机床, 2011(3):157-161.ZHOU Kai.High-performance multi-axis NC system based on real-time Ethernet[J].Manufacturing Technology ＆ Machine Tool, 2011(3):157-161.
[12] YANG L,ZHANG C R.Development of industrial Ethernet Windows driver for motion control system[J].Advanced Materials Research, 2011, 197:1751-1756.
[13] WANG K, ZHANG C, XU X, et al.A CNC system based on real-time Ethernet and Windows NT[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2013, 65(9-12):1383-1395.
[1] 张恒旭,马睿聪,曹永吉,刘奕敏,邹世豪. 新型电力系统同步稳定研究综述及展望[J]. 山东大学学报 (工学版), 2025, 55(2): 1-15.
[2] 王士柏,孙树敏,程艳,周光奇,关逸飞,刘奕元,张志谦,张祯滨. 计及SOC安全边界的光储联合系统协同控制策略[J]. 山东大学学报 (工学版), 2025, 55(2): 37-44.
[3] 蒋哲,田浩,朱元振,邢法财,王延团,叶华,牟倩颖. 基于实时阻抗辨识的跟网型变换器同步稳定性量化评估方法[J]. 山东大学学报 (工学版), 2024, 54(6): 139-146.
[4] 王术剑,阎宗尧,刘世杰,田源. 路侧激光雷达与摄像机时间和空间同步方法[J]. 山东大学学报 (工学版), 2022, 52(6): 56-62.
[5] 周风余,顾潘龙,万方,尹磊,贺家凯. 多运动视觉里程计的方法与技术[J]. 山东大学学报 (工学版), 2021, 51(1): 1-10.
[6] 程春蕊,毛北行. 一类非线性混沌系统的自适应滑模同步[J]. 山东大学学报 (工学版), 2020, 50(5): 1-6.
[7] 孟晓玲,毛北行. 含对数项分数阶T混沌系统的滑模同步[J]. 山东大学学报 (工学版), 2020, 50(5): 7-12.
[8] 程春蕊. 分数阶Brussel系统混沌同步的三种控制方案[J]. 山东大学学报 (工学版), 2020, 50(4): 46-51.
[9] 王春彦,邸金红,毛北行. 基于新型趋近律的参数未知分数阶Rucklidge系统的滑模同步[J]. 山东大学学报 (工学版), 2020, 50(4): 40-45.
[10] 麻常辉,王亮,谭邵卿,卢奕,马欢,赵康. 考虑同步调相机无功特性的多馈入直流同时换相失败风险评估方法[J]. 山东大学学报 (工学版), 2020, 50(3): 98-103.
[11] 李彩虹,方春,王志强,夏斌,王凤英. 基于超混沌同步控制的移动机器人全覆盖路径规划[J]. 山东大学学报 (工学版), 2019, 49(6): 63-72.
[12] 薛薇,谭东程,张妹,刘世龙. 基于FPGA的四翼超混沌系统同步及其保密视频通信[J]. 山东大学学报 (工学版), 2019, 49(3): 1-7.
[13] 王东晓. 具有纠缠项的分数阶五维混沌系统滑模同步的两种方法[J]. 山东大学学报 (工学版), 2018, 48(5): 85-90.
[14] 王春彦, 邸金红. 基于降阶方法的分数阶多涡卷混沌系统的同步控制[J]. 山东大学学报 (工学版), 2018, 48(5): 91-94.
[15] 张冕,黄颖,梅海艺,郭毓. 基于Kinect的配电作业机器人智能人机交互方法[J]. 山东大学学报 (工学版), 2018, 48(5): 103-108.
Viewed
Full text


Abstract

Cited
  Shared   
  Discussed   
[1] 王素玉,艾兴,赵军,李作丽,刘增文 . 高速立铣3Cr2Mo模具钢切削力建模及预测[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(1): 1 -5 .
[2] 张永花,王安玲,刘福平 . 低频非均匀电磁波在导电界面的反射相角[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(2): 22 -25 .
[3] 李 侃 . 嵌入式相贯线焊接控制系统开发与实现[J]. 山东大学学报(工学版), 2008, 38(4): 37 -41 .
[4] 施来顺,万忠义 . 新型甜菜碱型沥青乳化剂的合成与性能测试[J]. 山东大学学报(工学版), 2008, 38(4): 112 -115 .
[5] 孔祥臻,刘延俊,王勇,赵秀华 . 气动比例阀的死区补偿与仿真[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(1): 99 -102 .
[6] 来翔 . 用胞映射方法讨论一类MKdV方程[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(1): 87 -92 .
[7] 余嘉元1 , 田金亭1 , 朱强忠2 . 计算智能在心理学中的应用[J]. 山东大学学报(工学版), 2009, 39(1): 1 -5 .
[8] 陈瑞,李红伟,田靖. 磁极数对径向磁轴承承载力的影响[J]. 山东大学学报(工学版), 2018, 48(2): 81 -85 .
[9] 李可,刘常春,李同磊 . 一种改进的最大互信息医学图像配准算法[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(2): 107 -110 .
[10] 季涛,高旭,孙同景,薛永端,徐丙垠 . 铁路10 kV自闭/贯通线路故障行波特征分析[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(2): 111 -116 .
版权所有 © 2018 《山东大学学报(工学版)》编辑部　
地址: 济南市山大南路27号（250100）　 电话: 0531-88366735　 E-mail: xbgxb@sdu.edu.cn
本系统由北京玛格泰克科技发展有限公司设计开发