DR1M90 开源 IgH EtherCAT 主站案例：伺服电机正反转实时控制方案

前 言

本文档主要基于评估板演示IgH EtherCAT主站的伺服电机实时控制，方案基于Linux-RT实时内核与开源IgH EtherCAT协议栈。本文档适用开发环境：

开发环境

Windows开发环境：Windows10 64bit

Linux开发环境：VMware16.2.5、Ubuntu22.04.4 64bit

LinuxSDK开发包：LinuxSDK-[版本号]（基于SDK_2025.1）

交叉编译工具链：

应用开发：gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu

U-Boot、内核开发：gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu

评估板系统版本：U-Boot-2021.01、Linux-6.1.111、Buildroot-2022.02

备注：本文基于8GByteeMMC、1GByteDDR配置核心板进行演示。

伺服驱动器：台达ASD-A2-0121-E

伺服电机：台达ECMA-C10401GS

术语表

为便于阅读，下表对文档出现的关键术语进行解释；对于广泛认同释义的术语，在此不做注释。

注意事项

我司提供的IgH EtherCAT主站开发案例igh_ethercat_dc_motor位于产品资料“4-软件资料Demobase-demos”目录下，具体说明如下。

IgHEtherCAT简介

EtherCAT（以太网控制自动化技术）是一个开放架构，以以太网为基础的现场总线系统，其名称的CAT为控制自动化技术(Control Automation Technology)字首的缩写。EtherCAT是确定性的工业以太网。自动化对通讯一般会要求较短的资料更新时间（或称为周期时间）、资料同步时的通讯抖动量低，而且硬件的成本要低，EtherCAT开发的目的就是让以太网可以运用在自动化应用中。

本文档主要介绍运行于Linux系统的免费开源EtherCAT主站程序——IgH EtherCAT。IgH EtherCAT是EtherCAT协议主站协议栈的开源实现，它为用户提供了免费使用、修改和定制源代码的便利，使得用户能够根据实际需求灵活调整和优化EtherCAT主站的功能。其框架如下所示。

图 1

IgHEtherCAT主站通过构建Linux字符设备，应用程序通过对字符设备的访问实现与EtherCAT主站模块的通信。

IgH EtherCAT开发包提供EtherCAT工具，该工具提供各种可在Linux用户层运行的命令，可直接实现对从站的访问和设置，如设置从站地址、显示总线配置、显示PDO数据、读写SDO参数等。

IgH EtherCAT官网：https://www.etherlab.org/en/ethercat。

案例说明

案例功能：EtherCAT通讯周期时间为1ms，控制伺服电机正转和反转，并通过串口循环打印EtherCAT通讯周期时间的最大值和最小值。

（1）正转：伺服电机目标速度从0加速到10000，当达到10000速度后，控制伺服电机减速至0，循环运行。

（2）反转：伺服电机目标速度从0加速到-10000，当达到-10000速度后，控制伺服电机减速至0，循环运行。

图 2

案例测试

本案例需基于Linux-RT内核运行。请先参考《Linux系统开发手册》的“替换Kernel”章节修改系统内核镜像。

本案例程序均设置为SCHED_FIFO进程调度策略，进程优先级设置为最高，采用隔离CPU核心状态，分别在空载状态、满负荷状态持续运行程序12小时。

请使用网线将评估板ETH1 RGMII网口连接至伺服驱动器A的IN网口，再使用另一根网线将伺服驱动器A的OUT网口连接至伺服驱动器B的IN网口。

图 3

图 4

隔离CPU核心

本次操作以隔离CPU1核心为例进行演示。将评估板断电，长按"Ctrl + C"按键并上电启动评估板，进入U-Boot命令行模式后松开按键，执行如下命令修改环境变量，隔离CPU1核心。

U-Boot# setenv mmc_boot 'if mmc dev ${devnum}; then devtype=mmc; if test ${devnum} -eq 0; then setenv bootargs '"'"'console=ttyS1,115200n8 earlycon=uart,mmio32,0xf8401000 loglevel=8 root=/dev/mmcblk0p2 rw rootfstype=ext4 rootwait isolcpus=1'"'"'; fi; if test ${devnum} -eq 1; then setenv bootargs '"'"'console=ttyS1,115200n8 earlycon=uart,mmio32,0xf8401000 loglevel=8 root=/dev/mmcblk1p2 rw rootfstype=ext4 rootwait isolcpus=1'"'"'; fi; ext4load mmc ${devnum}:2 ${kernel_addr_r} ${bootdir}/${kernel_image}; ext4load mmc ${devnum}:2 ${fdt_addr_r} ${bootdir}/${devicetree_image}; bootm ${kernel_addr_r} - ${fdt_addr_r}; run scan_dev_for_boot_part2; fi'

U-Boot# saveenv

U-Boot# reset

图 5

进入评估板文件系统，执行如下命令，确认已正确隔离CPU。

Target# cat /proc/cmdline

图 6

测试完成，如需恢复U-Boot环境变量，在U-Boot命令行模式执行以下命令。

U-Boot# env default -a

U-Boot# saveenv

U-Boot# reset

图 7

安装IgHEtherCAT驱动

请将案例"igh_ethercatimages"目录下的ethercat-stable-[版本号]-[Git序列号].tar.gz压缩包拷贝至评估板文件系统任意目录下。版本号、Git序列号请以实际情况为准。将案例bin目录下的igh_ethercat_dc_motor可执行文件拷贝至评估板文件系统。

执行如下命令，解压IgH EtherCAT开发包源码，得到_install文件夹。

Target# tar -xvf ethercat-stable-1.6.2-g285cdf0.tar.gz

图 8

执行如下命令，并查询评估板网卡物理地址。

Target# ifconfig

图 9

执行如下命令，加载驱动模块，命令中"6A:71:14:3D:61:75"为评估板网卡物理地址，请根据实际情况修改。

Target# insmod -f _install/modules/ec_master.ko main_devices=6A:71:14:3D:61:75

图 10

执行如下命令，拷贝EtherCAT主站相关文件至评估板文件系统。

Target# mkdir -p /etc/sysconfig

Target# cp _install/etc/sysconfig/ethercat /etc/sysconfig

Target# mkdir -p /lib/modules/$(uname -r)

Target# cp _install/modules/ec_master.ko /lib/modules/$(uname -r)

Target# depmod -a

备注：此处的警告信息不影响测试结果，忽略即可。

图 11

执行如下命令，启动EtherCAT主站。

Target# ./_install/etc/init.d/ethercat start

图 12

执行如下命令，加载ec_generic.ko驱动文件。

Target# insmod -f _install/modules/ec_generic.ko

图 13

执行如下命令，添加动态链接库路径。

Target# export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/root/_install/lib

Target# sync

图 14

基于CPU空载状态测试

执行如下命令修改内核printk日志等级，避免内核打印信息影响实时测试。

Target# echo 1 > /proc/sys/kernel/printk

图 15

调整内存分配策略为"2"，禁用内存过度使用。避免出现OOM(Out-of-Memory) Killer攻击某些进程而产生延迟，影响测试结果。

Target# echo 2> /proc/sys/vm/overcommit_memory

图 16

执行如下命令，可查看igh_ethercat_dc_motor程序相关参数信息。

Target# ./igh_ethercat_dc_motor --help

图 17

参数解释

-d：指定电机转向，0：正转，1：反转。

-v：程序版本信息。

-s：选择进程调度策略模式。"-s 0"表示进程调度策略为SCHED_FIFO；"-s 1"表示进程调度策略为SCHED_DEADLINE，若不带可选参数值[]则使用默认参数值，其中sched_runtime表示运行时间，sched_deadline表示相对期限，sched_period表示周期，单位均为纳秒。

--help：查看程序运行参数。

执行以下命令，设置进程调度策略为SCHED_FIFO，控制两台伺服电机同时正转，并将程序运行输出的打印信息保存至log.txt文件。

Target# taskset -c 1 ./igh_ethercat_dc_motor -d 0 -s 0 > log.txt &

图 18

基于CPU满负荷状态测试

执行如下命令修改内核printk日志等级，避免内核打印信息影响实时测试。

Target# echo 1 > /proc/sys/kernel/printk

图 19

调整内存分配策略为"2"，禁用内存过度使用。避免出现OOM(Out-of-Memory) Killer攻击某些进程而产生延迟，影响测试结果。

Target# echo 2> /proc/sys/vm/overcommit_memory

图 20

执行如下命令，运行stress压力测试工具，使得CPU处于满负荷状态。

Target# stress-ng --cpu 2 --cpu-method=all --io 2 --vm 2 --vm-bytes 32M --timeout 43200s &

图 21

设置进程调度策略为SCHED_FIFO，控制两台伺服电机同时正转，并将程序运行输出的打印信息保存至log.txt文件。

Target# taskset -c 1 ./igh_ethercat_dc_motor -d 0 -s 0 > log.txt &

图 22

统计结果分析

可执行如下命令，查看程序运行输出的log.txt内容。

Target# head -n100 log.txt

图 23

参数解析：

latency：等待唤醒时间(ns)。

period：EtherCAT通讯周期时间(ns)，本案例设置为1000000ns，即1ms。

exec：接收和发送EtherCAT数据时间(ns)。

对log.txt文件内容进行分析后，得到的实时性能测试结果如下。

备注：

（1）以上数据为本次测试结果，测试数据仅供参考。

（2）如需测试电机反转，请参考上述电机正转测试方法，将运行igh_ethercat_dc_motor可执行程序命令中的"-d 0"参数修改为"-d 1"。

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审核编辑 黄宇