摘要
步进电机因其具有优越的开环控制性能，在无编码器反馈的条件下可以进行精确的定位和速度控制，目前被广泛应用于各大工业及自动化领域当中。步进电机驱动器作为步进电机的直接控制单元，其性能的好坏直接决定了步进电机运行性能的优劣。目前国内针对实时以太网总线型步进电机驱控一体控制器的研究很少，国产步进电机驱动器仍存在一系列问题。其一，大多数步进电机驱动器依旧使用传统“点对点”集中控制的方式，具有接线复杂、扩展能力差以及应用场合受限等问题。其二，大多数步进电机驱动器都由专用驱动芯片和功率驱动电路组成，其中专用驱动芯片并不具备运动控制的功能，需要由外接的主控制器提供脉冲、方向和使能信号才能控制功率驱动电路来驱动步进电机运行。针对上述问题，设计了一种具备EtherCAT总线通信、集驱动和控制于一体、支持最大256细分的EtherCAT总线型步进电机驱控一体控制器。主要研究内容概括如下： 首先，设计了面向EtherCAT的步进电机驱控一体控制系统的整体架构，针对EtherCAT总线通信的需求，设计了基于XMC4300的EtherCAT通信方案，针对步进电机驱动控制的需求，设计了一种基于相电流PID闭环控制的细分控制方案。 其次，设计了控制器的硬件整体架构，并设计了电源模块电路、数据存储电路、RS485通信接口电路、电机使能逻辑电路、数字输入输出隔离电路、EtherCAT从站地址识别电路、PHY芯片外围电路、EtherCAT接口及网络隔离变压器电路、H桥功率驱动电路、相电流检测电路和母线电压检测电路，完成了控制器硬件电路的开发。 然后，基于CiA402应用层行规创建了控制器的EtherCAT对象字典，实现了统一标准的CiA402应用层接口。基于XMC4300主控芯片移植了开源的CoE（CANopenoverEtherCAT）协议栈源码，实现了EtherCAT总线通信。基于CiA402状态机定义的切换过程，完成了CiA402状态机程序的软件开发。基于CiA402应用层行规定义的CSP、PP、PV和HM四种电机运行模式，完成了步进电机运动控制程序的软件开发。基于PID算法实现了相电流的闭环控制，从而完成了步进电机细分控制程序的软件开发。 最后，通过搭建实验平台，分别开展了控制器从站通信性能测试实验、步进电机细分控制测试实验、接入编码器验证实际位置准确性实验以及CSP模式下伺服系统位置和速度跟踪测试实验，实验结果表明：面向EtherCAT的步进电机驱控一体控制器拥有刷新周期短和同步性能优越的特点，基于相电流PID闭环控制的细分控制方案能够实现步进电机的准确定位。总的来说，本课题设计的驱控一体控制器符合步进电机的控制要求，满足企业的实际应用需求。
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