EtherCAT IGH 驱动一个步进电机

文章目录

• EtherCAT IGH 驱动一个步进电机
• • 1、程序源代码
  • 2、调试过程中遇到的问题
  • • 2.1、如何更好更快的定位EtherCAT的问题
    • 2.2、Failed to open /dev/EtherCAT0
    • 2.3、Failed to set SAFEOP state, slave refused state chang (PREOP + ERROR)
    • 2.4、驱动器报过流故障
    • 2.5、Timeout while setting state OP
    • 2.6、如何添加自己需要的打印信息
    • 2.7 如何获取 Vendor ID 和 product code
    • 2.8 同步周期时间和通信周期时间

参考例程

• EtherCAT主站源码中的example/user
• EtherCAT主站源码中的example/dc_user

1、程序源代码

#include 
#include 
#include  /* sched_setscheduler() */
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include /****************************************************************************/#include "ecrt.h"/****************************************************************************/// Application parameters
#define FREQUENCY 1000
#define CLOCK_TO_USE CLOCK_MONOTONIC
#define MEASURE_TIMING#define TARGET_POSITION 0 /*target position*/
// 杰美康 2DM522-EC 步进驱动器的 CSP模式的 控制模式为 8
#define PROFILE_CSP 8/*Operation mode for 0x6060:0*//****************************************************************************/#define NSEC_PER_SEC (1000000000L)
#define PERIOD_NS (NSEC_PER_SEC / FREQUENCY) /*本次设置周期PERIOD_NS为1ms*/#define DIFF_NS(A, B)                                                          \(((B).tv_sec - (A).tv_sec) * NSEC_PER_SEC + (B).tv_nsec - (A).tv_nsec)#define TIMESPEC2NS(T) ((uint64_t)(T).tv_sec * NSEC_PER_SEC + (T).tv_nsec)/****************************************************************************/// EtherCAT
static ec_master_t *master = NULL;
static ec_master_state_t master_state = {};static ec_domain_t *domain1 = NULL;
static ec_domain_state_t domain1_state = {};static ec_slave_config_t *sc = NULL;
static ec_slave_config_state_t sc_state = {};/****************************************************************************/// process data
static uint8_t *domain1_pd = NULL;#define DM_522EC 0, 0 /*EtherCAT address on the bus*/
#define VID_PID 0x66786328, 0x20190303 /*Vendor ID, product code*//*Offsets for PDO entries*/
static struct {unsigned int operation_mode;unsigned int ctrl_word;unsigned int target_position;unsigned int target_velocity;// 单位 %，额定转矩的百分比unsigned int target_torque;// 转矩斜率，该值单位为 ‰，该参数描述了转矩变化率，单位为每秒额定转矩矩的千分之一。unsigned int torque_slope;// 加速度unsigned int target_p_acc;// 减速度unsigned int target_n_acc;unsigned int status_word;unsigned int current_velocity;unsigned int current_position;// 模式显示unsigned int operation_mode_display;
} offset;const static ec_pdo_entry_reg_t domain1_regs[] = {{DM_522EC, VID_PID, 0x6040, 0, &offset.ctrl_word},{DM_522EC, VID_PID, 0x6060, 0, &offset.operation_mode},{DM_522EC, VID_PID, 0x607A, 0, &offset.target_position},{DM_522EC, VID_PID, 0x6041, 0, &offset.status_word},{DM_522EC, VID_PID, 0x606C, 0, &offset.current_velocity},{DM_522EC, VID_PID, 0x6064, 0, &offset.current_position},{}};/***************************************************************************/
/*Config PDOs*/
static ec_pdo_entry_info_t device_pdo_entries[] = {/*RxPdo 0x1600*/{0x6040, 0x00, 16},{0x6060, 0x00, 8},{0x607A, 0x00, 32},/*TxPdo 0x1A00*/{0x6041, 0x00, 16},{0x606C, 0x00, 32},{0x6064, 0x00, 32}};static ec_pdo_info_t device_pdos[] = {// RxPdo，指示有多少个 RXPdo，从device_pdo_entries 可以看到有 3个 RXPdo{0x1600, 3, device_pdo_entries + 0},// TxPdo，指示有多少个 TXPdo，从device_pdo_entries 可以看到有 3个 TXPdo，第二个 3 是指示 RxPdo 的数量{0x1A00, 3, device_pdo_entries + 3}};// 关闭关门狗
// static ec_sync_info_t device_syncs[] = {
//     {0, EC_DIR_OUTPUT, 0, NULL, EC_WD_DISABLE},
//     {1, EC_DIR_INPUT, 0, NULL, EC_WD_DISABLE},
//     {2, EC_DIR_OUTPUT, 1, device_pdos + 0, EC_WD_DISABLE},
//     {3, EC_DIR_INPUT, 1, device_pdos + 1, EC_WD_DISABLE},
//     {0xFF}};// 开启看门狗
static ec_sync_info_t device_syncs[] = {{0, EC_DIR_OUTPUT, 0, NULL, EC_WD_ENABLE},{1, EC_DIR_INPUT, 0, NULL, EC_WD_ENABLE},{2, EC_DIR_OUTPUT, 1, device_pdos + 0, EC_WD_ENABLE},{3, EC_DIR_INPUT, 1, device_pdos + 1, EC_WD_ENABLE},{0xFF}};static unsigned int counter = 0;
static unsigned int blink = 0;
static unsigned int sync_ref_counter = 0;
const struct timespec cycletime = {0, PERIOD_NS};/*****************************************************************************/// 两个时间相加
struct timespec timespec_add(struct timespec time1, struct timespec time2) {struct timespec result;if ((time1.tv_nsec + time2.tv_nsec) >= NSEC_PER_SEC) {result.tv_sec = time1.tv_sec + time2.tv_sec + 1;result.tv_nsec = time1.tv_nsec + time2.tv_nsec - NSEC_PER_SEC;} else {result.tv_sec = time1.tv_sec + time2.tv_sec;result.tv_nsec = time1.tv_nsec + time2.tv_nsec;}return result;
}/*****************************************************************************/void check_domain1_state(void) {ec_domain_state_t ds;ecrt_domain_state(domain1, &ds);if (ds.working_counter != domain1_state.working_counter)printf("Domain1: WC %u.\n", ds.working_counter);if (ds.wc_state != domain1_state.wc_state)printf("Domain1: State %u.\n", ds.wc_state);domain1_state = ds;
}/*****************************************************************************/void check_master_state(void) {ec_master_state_t ms;ecrt_master_state(master, &ms);if (ms.slaves_responding != master_state.slaves_responding)printf("%u slave(s).\n", ms.slaves_responding);if (ms.al_states != master_state.al_states)printf("AL states: 0x%02X.\n", ms.al_states);if (ms.link_up != master_state.link_up)printf("Link is %s.\n", ms.link_up ? "up" : "down");master_state = ms;
}/****************************************************************************/void check_slave_config_states(void) {ec_slave_config_state_t s;ecrt_slave_config_state(sc, &s);if (s.al_state != sc_state.al_state) {printf("slave: State 0x%02X.\n", s.al_state);}if (s.online != sc_state.online) {printf("slave: %s.\n", s.online ? "online" : "offline");}if (s.operational != sc_state.operational) {printf("slave: %soperational.\n", s.operational ? "" : "Not ");}sc_state = s;
}/****************************************************************************/void cyclic_task() {static uint16_t command = 0x004F; //用来帮助判断状态字的值uint16_t status;                  //用以存放当前读取到的伺服状态struct timespec wakeupTime, time;
#ifdef MEASURE_TIMINGstruct timespec startTime, endTime, lastStartTime = {};uint32_t period_ns = 0, exec_ns = 0, latency_ns = 0, latency_min_ns = 0,latency_max_ns = 0, period_min_ns = 0, period_max_ns = 0,exec_min_ns = 0, exec_max_ns = 0;
#endif// 获取当前的系统时间// CLOCK_TO_USE = CLOCK_MONOTONIC// monotonic time 的字面意思是单调时间，实际上指的是系统启动之后所流逝的时间，这是由变量 jiffies 来记录的，当系统每次启动时，jiffies 被初始化为 0，在每一个 timer interrupt 到来时，变量 jiffies 就加上 1，因此这个变量代表着系统启动后的流逝 tick 数。jiffies 一定是单调增加的，因为时间不可逆。clock_gettime(CLOCK_TO_USE, &wakeupTime);// 每 1 ms 进行一次循环while (1) {// 因为下面的 clock_nanosleep 延时函数需要用到一个绝对时间，因此需要用上面的的clock_gettime 获取当前时间 ,然后在添加睡眠间隔.// 将 wakeupTime 加上 cycletime（当前值为 1ms），然后再赋值给 wakeupTimewakeupTime = timespec_add(wakeupTime, cycletime);// TIMER_ABSTIME： 代表是采用的绝对时间// 最后一个参数 rept的意思： 该函数将会使得调用进程处于挂起状态，直到请求的时间到达或者是被信号中断，参数reqtp指定了需要睡眠的秒数与纳秒数。// 如果在睡眠中途被信号中断，且进程没有终止的话，timespec结构指针remtp指向的结构将保存剩余的睡眠时间，如果我们对于未睡眠时间不感兴趣的话，我们可以把这一时间设置为NULL.// 如果系统不支持纳秒时间精度的话，请求时间将被向上取整，因为函数nanosleep并不涉及任何信号的产生，我们可以放心大胆地使用它而不用担心与其他函数相互影响。clock_nanosleep(CLOCK_TO_USE, TIMER_ABSTIME, &wakeupTime, NULL);// Write application time to master// It is a good idea to use the target time (not the measured time) as// application time, because it is more stable.ecrt_master_application_time(master, TIMESPEC2NS(wakeupTime));#ifdef MEASURE_TIMINGclock_gettime(CLOCK_TO_USE, &startTime);latency_ns = DIFF_NS(wakeupTime, startTime);period_ns = DIFF_NS(lastStartTime, startTime);exec_ns = DIFF_NS(lastStartTime, endTime);lastStartTime = startTime;if (latency_ns > latency_max_ns) {latency_max_ns = latency_ns;}if (latency_ns < latency_min_ns) {latency_min_ns = latency_ns;}if (period_ns > period_max_ns) {period_max_ns = period_ns;}if (period_ns < period_min_ns) {period_min_ns = period_ns;}if (exec_ns > exec_max_ns) {exec_max_ns = exec_ns;}if (exec_ns < exec_min_ns) {exec_min_ns = exec_ns;}
#endif// receive process dataecrt_master_receive(master);ecrt_domain_process(domain1);// check process data state (optional)check_domain1_state();// 1s 去更新一次状态if (counter) {counter--;} else { // do this at 1 Hz// FREQUENCY = 1000counter = FREQUENCY;// check for master state (optional)check_master_state();// check for slave configuration state(s)check_slave_config_states();#ifdef MEASURE_TIMING// output timing statsprintf("period     %10u ... %10u\n", period_min_ns, period_max_ns);printf("exec       %10u ... %10u\n", exec_min_ns, exec_max_ns);printf("latency    %10u ... %10u\n", latency_min_ns, latency_max_ns);period_max_ns = 0;period_min_ns = 0xffffffff;exec_max_ns = 0;exec_min_ns = 0xffffffff;latency_max_ns = 0;latency_min_ns = 0xffffffff;
#endif// calculate new process data// TODO: 这个变量当前并没有被使用blink = !blink;}/*Read state*/status = EC_READ_U16(domain1_pd + offset.status_word); //读取状态字// write process data// DS402 CANOpen over EtherCAT status machine// 控制字的切换用来设置不同的电机状态if ((status & command) == 0x0040) {EC_WRITE_U16(domain1_pd + offset.ctrl_word, 0x0006);EC_WRITE_S8(domain1_pd + offset.operation_mode, PROFILE_CSP);// set control modecommand = 0x006F;}else if ((status & command) == 0x0021) {EC_WRITE_U16(domain1_pd + offset.ctrl_word, 0x0007);command = 0x006F;}else if ((status & command) == 0x0023) {EC_WRITE_U16(domain1_pd + offset.ctrl_word, 0x000f);command = 0x006F;}// operation enabledelse if ((status & command) == 0x0027) {EC_WRITE_U16(domain1_pd + offset.ctrl_word, 0x001f);}printf("slave: (status & command) 0x%04X.\n", (status & command));printf("sync_ref_counter %d.\n", sync_ref_counter);// 每两个循环周期会去同步一次数据，填充 PDO 数据if (sync_ref_counter) {sync_ref_counter--;} else {sync_ref_counter = 1; // sync every cycleclock_gettime(CLOCK_TO_USE, &time);// ecrt_master_sync_reference_clock: 这个函数将最近一次从ecrt_master_application_time传入的时间戳发送给参考时钟。// 这就是官方example中除了rtai_rtdm_dc这个例子使用的默认dc同步方式，即所谓的以主站作为参考时钟的方式。// ecrt_master_sync_reference_clock_to: 将指定的时间发送给参考时钟ecrt_master_sync_reference_clock_to(master, TIMESPEC2NS(time));// 让电机运动的代码// 说明：定义一个当前位置actual_position 和目标位置target_position// 在周期任务里，判断当电机切换为使能状态后，读取电机当前位置，并把这个数值加10作为目标位置写入电机。if ((status & command) == 0x0027) //确认为OP状态，电机使能{// 不读取当前的电机位置的话，直接发送电机位置，可能会离电机当前的位置很远，电机需要一个很大的力才能到达那个位置。// 可能电机容易报过流故障。int actual_position = EC_READ_S32(domain1_pd + offset.current_position); //读取当前位置printf("slave: position 0x%04X.\n", EC_READ_U16(domain1_pd + offset.current_position));int target_position = actual_position + 10; //把当前位置+10 赋值为下一目标位置EC_WRITE_S32(domain1_pd + offset.target_position, target_position); //把目标位置写入对象字典}}//将DC时钟漂移补偿数据报排队发送，让所有从站时钟与基准时钟同步。 ecrt_master_sync_slave_clocks(master);// send process data// 将所有的需要发送的数据报先存放在数据域中// 然后在每一个时钟周期中发送数据ecrt_domain_queue(domain1);ecrt_master_send(master);#ifdef MEASURE_TIMINGclock_gettime(CLOCK_TO_USE, &endTime);
#endif}
}/****************************************************************************/int main(int argc, char **argv) {if (mlockall(MCL_CURRENT | MCL_FUTURE) == -1) {perror("mlockall failed");return -1;}master = ecrt_request_master(0);if (!master)return -1;domain1 = ecrt_master_create_domain(master);if (!domain1)return -1;// Create configuration for bus couplersc = ecrt_master_slave_config(master, DM_522EC, VID_PID);if (!sc)return -1;printf("Configuring PDOs...\n");if (ecrt_slave_config_pdos(sc, EC_END, device_syncs)) {fprintf(stderr, "Failed to configure slave PDOs!\n");exit(EXIT_FAILURE);} else {printf("*Success to configuring slave PDOs*\n");}if (ecrt_domain_reg_pdo_entry_list(domain1, domain1_regs)) {fprintf(stderr, "PDO entry registration failed!\n");exit(EXIT_FAILURE);}// 配置从站 sync0 和 sync1 信号// 最后四个参数表示设置 sync 0和1 的周期和相应的偏移量，单位都是 ns。// sync0_cycle即为sync0的循环周期，和主栈的周期任务的循环周期保持一致。这个是很重要的一点，需要注意。// 1、查看 esi 文件，不支持 sync1 同步，所以需要设置成 0x0300// 0x300: 0x0981的 0,1 位 置 1,其他位 置 0,表示激活运行周期， 激活 sync0// 0x700: 0x0981的 0,1,2 位 置 1,其他位 置 0,表示激活运行周期， 激活 sync0，和 sync1 // 2、查看 ethercat upload 0x1c32 0x0004 中 bit5-6 为零，代表不支持 shift time，因此第三个参数设置为 0// 3、一般不使用sync1同步信号，最后两个参数可设置为0。// 同步周期设置成 1msecrt_slave_config_dc(sc, 0x0300, 1000000, 0, 0, 0);printf("Activating master...\n");if (ecrt_master_activate(master))return -1;if (!(domain1_pd = ecrt_domain_data(domain1))) {return -1;}/* Set priority */struct sched_param param = {};param.sched_priority = sched_get_priority_max(SCHED_FIFO);printf("Using priority %i.", param.sched_priority);if (sched_setscheduler(0, SCHED_FIFO, ¶m) == -1) {perror("sched_setscheduler failed");}printf("Starting cyclic function.\n");cyclic_task();return 0;
}

2、调试过程中遇到的问题

在调试过程中遇到了一些问题，然后和群里的一些大神同行交流了一下，现总结记录一下。

2.1、如何更好更快的定位EtherCAT的问题

我们在驱动电机的时候，可能会遇到各种问题，那么如何更好更快的定位遇到的问题，以及如何更好的向他人进行请教呢？那么就下面这些指令了。

• sudo ehtercat debug 1

这个是EtherCAT的命令行工具，用以设置显示 EtherCAT 主站程序运行过程中的debug日志信息。这个指令设置之后，不会有任何信息输出的，需要和 sudo dmesg -w进行配合使用，才能看到需要的日志信息。

这个指令后面的参数不建议设置成 2，因为设置成 2 的时候会在终端打印出每一个 EtherAT的数据帧，而这有可能会造成PC的界面卡死的，需要慎用。

• sudo dmesg -w

在下载和安装 EtherCAT 的时候，我们知道 EtherCAT 是安装在 Liunx内核中的。Linux 内核是操作系统的核心，它控制对系统资源（例如：CPU、I/O设备、物理内存和文件系统）的访问。在引导过程中以及系统运行时，内核会将各种消息写入内核环形缓冲区。这些消息包括有关系统操作的各种信息。内核环形缓冲区是物理内存的一部分，用于保存内核的日志消息。它具有固定的大小，这意味着一旦缓冲区已满，较旧的日志记录将被覆盖。dmesg 命令行用于 Linux 和其他类似 Unix 的操作系统中打印和控制内核环形缓冲区。对于检查内核启动消息和调试与硬件相关的问题很有用。

$ sudo dmesg

默认情况下，所有用户都可以运行 dmesg 命令。但是，在某些系统上，非 root 用户可能会限制对 dmesg的访问。在这种情况下，调用 dmesg`时您将收到如下错误消息：
dmesg: read kernel buffer failed: Operation not permitted。
内核参数 kernel.dmesg_restrict 指定非特权用户是否可以使用 dmesg 查看来自内核日志缓冲区的消息。要删除限制，请将其设置为零：

$ sudo dmesg -w

用以设置实时观看 dmesg 命令的输出。

$ sudo dmesg -H

用来设置输出更容易读的结果。

$ sudo dmesg -T

用以设置输出易读的时间戳。

$ sudo dmesg -H -T

用来设置输出更容易读的结果和易读的时间戳。

2.2、Failed to open /dev/EtherCAT0

如果在运行程序的时候，报错如下的话：

Requesting master.....
Failed to open /dev/EtherCAT0: No such file or directory

那么应该就是你没有启动 EtherCAT 主站，这个时候需要在另外一个终端开启EtherCAT 主站。

@:~$ sudo /etc/init.d/ethercat start
Starting EtherCAT master 1.6.0-rc1  done

2.3、Failed to set SAFEOP state, slave refused state chang (PREOP + ERROR)

EtherCAT ERROR 0-0: Failed to set SAFEOP state, slave refused state chang (PREOP + ERROR).
EhterCAT ERROR 0-0: AL status messgae 0x001F: "Invalid watchdog configuration".
EtherCAT 0-0： Acknowlwdged state PREOP.

群里的大神说是因为有的驱动器必须开启看门狗，但是EtherCAT里面的 user 和 dc_user 里面的例子都是默认关闭看门狗的。

这边直接在程序的参数定义的时候使用 EC_WD_ENABLE 代替 EC_WD_DISABLE 就可以了。我这边开启看门狗之后就可以进入到 SAFEOP 状态了。

群里也有人说要设置时针模式和频率，要和设备说明书一致。然后我就去问厂家，厂家说这个和主站设置的一致。也有可能有的驱动器设备会说明这个参数，暂时还不清楚。当时开启看门狗之后没有出现这个问题，我就没去设置了。嗯嗯，最后还是因为这个造成的。

static ec_sync_info_t device_syncs[] = {{0, EC_DIR_OUTPUT, 0, NULL, EC_WD_ENABLE},{1, EC_DIR_INPUT, 0, NULL, EC_WD_ENABLE},{2, EC_DIR_OUTPUT, 1, device_pdos + 0, EC_WD_ENABLE},{3, EC_DIR_INPUT, 1, device_pdos + 1, EC_WD_ENABLE},{0xFF}};

2.4、驱动器报过流故障

这边在开启看门狗之后，利用EtherCAT slaves查看到驱动器已经进入到了 OP 状态，但是驱动器会报过流故障。后面问过了厂家的技术，说是没有设置同步周期时间导致的，没有设置同步周期时间，当控制字 0x6040 从 0x0007 变换为 0x000f 的时候驱动器就会报过流故障，也就是给电机上电使能的就会报过流故障。

2.5、Timeout while setting state OP

这边在听取厂家的反馈之后，开始设置同步周期时间，然后网上找了一些例程，也有可能是我没找到，或者没理解大神的意图，然后我就加了这么一句话，运行的时候就一直报错进行 OP 状态超时。

  ecrt_slave_config_dc(sc, 0x0300, 1000000, 0, 0, 0);

群里有人说是因为有的驱动器的 0x1600 的PDO 需要配置两个 8位的PDO，不然可能就会出现这种超时的问题。额外增加的那个8位PDO可以不用发数据，然后我就配了一个 0x607B：0x0000，结果发现还是报这个错。

最后还是参考EtherCAT example/dc_user/main.c 中的例程，才没有报这个错误。

关于 ecrt_slave_config_dc 想再说两点：

• 有的驱动器只支持 sync0，不支持 sync1，因此 中的第二个参数只能设置成 0x0300。
• 有的驱动器同步模式不支持 shift time,因此第三个参数也只能设置为 0。
  查看 ethercat upload 0x1c32 0x0004 中 bit5-6 为零，代表不支持 shift time。
• 如果不用 sync1 的话，那么最后两个参数设置为 0。

同步周期的设置一般为 500us、1ms、2ms、4ms等。

2.6、如何添加自己需要的打印信息

在学习EtherCAT或者调试的时候，想看一些函数的运行过程中的参数值，或者调用顺序什么的，一般第一想到的就是加上打印消息，然后重新编译。

但是 EtherCAT 主站在编译之后，一般需要再次配置西相关文件，填入网卡设备信息。具体可参照我的《EtherCAT IGH 的下载和编译》 里面的 7、修改源代码之后如何重新编译

2.7 如何获取 Vendor ID 和 product code

在配置从站的时候调用 ecrt_master_slave_config 这个函数的时候需要填入 Vendor ID 和 product code 参数，那么这个参数又是从哪里获取到的呢？

这个参数在从站的 ESI .xml 从站描述文件中是有写的。所以就有如下两种方法进行获取了。

• 当然就是直接从 .xml 文件中查找获取得到了。

• 利用 EtherCAT 命令行 sudo ethercat xml 进行获取。

  如下图中 Vendor/ID 就是 Vendor ID 参数，但是这个是10进制表示。ProductCode 就是 product code 参数，这个是 16 进制表示的。

  @:~$ ethercat xml
  
  
  
  1717995656
  
  2DM522-EC
  ....
  ....

2.8 同步周期时间和通信周期时间

在EtherCAT程序中，我们一般会设置一个 while 循环去发送数据帧，那么每一次发送数据帧的数据是多少呢？这个和我们设置的同步周期时间有什么关系呢？

同步周期需要和主栈的周期任务的循环周期保持一致。这个是很重要的一点，需要注意。

在这个例程中同步周期设置的是 1ms, while 中的等待时间设置的也是 1ms。

同步周期时间： 1000000ns = 1ms

ecrt_slave_config_dc(sc, 0x0300, 1000000, 0, 0, 0);

周期任务循环时间： cycletime = 1000000ns = 1ms

wakeupTime = timespec_add(wakeupTime, cycletime);
clock_nanosleep(CLOCK_TO_USE, TIMER_ABSTIME, &wakeupTime, NULL);

这个设置的不匹配也导致 ### 2.5、Timeout while setting state OP 的问题。