硬件架构与接线指南#

本文档描述设备硬件拓扑、电机类型、驱动器配置、IO接线规则等硬件相关内容。与 BoTech_Framework_Manual.md 互补，后者侧重软件API和框架。

目录#

系统硬件拓扑
基础知识：控制方式与反馈器件
电机类型与选型
驱动器与驱动方式
轴参数配置详解
IO 系统
传感器与执行器
- 7.1 数字量输入（DI）类型
- 7.2 数字量输出（DO）类型
电气BOM与硬件详解

1. 系统硬件拓扑#

1.1 EtherCAT 总线架构#

EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是一种实时以太网现场总线，所有设备在同一条总线上串联通信。

1
工控机
2
 │
3
 └── 运控卡 (EtherCAT Master)
4
      │
5
      └── [ECAT OUT] ── 网线 ──
6
                                    │
7
                           ┌────────▼────────┐
8
                           │  驱动器#1        │
9
                           │ [IN] [OUT]       │
10
                           └────────┼────────┘
11
                                    │ 网线
12
                                    │
13
                           ┌────────▼────────┐
14
                           │  驱动器#2        │
15
                           │ [IN] [OUT]       │
16
                           └────────┼────────┘
17
                                    │
18
                              (更多驱动器...)
19
                                    │
20
                           ┌────────▼────────┐
21
                           │  远程 IO 模块#1  │
22
                           │ [IN] [OUT]       │
23
                           └────────┼────────┘
24
                                    │
25
                           ┌────────▼────────┐
26
                           │  阀岛            │
27
                           │ [IN] [OUT]       │
28
                           └────────┼────────┘
29
                                    │
30
                           ┌────────▼────────┐
31
                           │  远程 IO 模块#2  │
32
                           │ [IN] [OUT] ← 空  │ ← 最终端，OUT 悬空
33
                           └─────────────────┘

走线规则：

所有设备 OUT 连 IN，手拉手串联
第一台设备的 IN 接运控卡，最后一台的 OUT 悬空
支持环网冗余：最后一台 OUT 接回运控卡形成环形

硬件层级：

1
工控机 (IPC)
2
    │
3
    └── 运动控制卡 (EtherCAT Master)
4
         ├── [ECAT OUT] ── 现场总线 ── 驱动器/远程IO/阀岛（串联）
5
         │                              ↑ 全部在同一条总线上
6
         └── [IO_EXP] ── 排线 ── 本地IO扩展模块（独立于总线）

EtherCAT 特点：

一根网线串联所有设备（驱动器、IO、阀岛全在一起）
传输距离 100m+（普通网线）
各轴同步精度 ≤ 1μs（分布时钟）
可同时传输位置、速度、扭矩、状态、IO 等数据
支持热插拔（取决于具体实现）

1.2 传统脉冲式接线（固高）#

固高传统的非总线方案采用脉冲+方向信号驱动，每个轴点到点连接：

1
工控机
2
 │
3
 └── 运动控制卡 (GT系列，无EtherCAT)
4
      │
5
      ├── [AXIS0] ── 脉冲+方向 ──▶ 驱动器#1 ──▶ 电机#1
6
      │                              └── 编码器 ──▶ 总卡
7
      ├── [AXIS1] ── 脉冲+方向 ──▶ 驱动器#2 ──▶ 电机#2
8
      │                              └── 编码器 ──▶ 总卡
9
      ├── [AXIS2] ── 脉冲+方向 ──▶ 驱动器#3
10
      │
11
      ├── [IO_EXP] ── 排线 ── IO模块#1 ── 排线 ── IO模块#2
12
      │                                 ↑ IO走的排线和轴是独立的
13
      │
14
      └── [IO_EXP] 还可以再接阀岛控制板（还需要额外走线）

特点：

每个驱动器需要单独拉脉冲/方向/编码器线（3~4 对线/轴）
IO 走排线，和轴走线完全独立
传输距离有限（< 5m）
各轴独立，同步靠控制卡定时器

1.3 EtherCAT 与脉冲式接线对比#

对比项	EtherCAT 总线	传统脉冲式（固高）
接线	一根网线串联所有设备	每轴 3~4 对线 + IO 另走排线
驱动器连接	驱动器串联在总线上	每个驱动器点到点接总卡
IO 系统	IO 模块也在同一条网线上	IO 走独立排线（IO_EXP 口）
阀岛	直接串在总线上	需要额外 IO 控制板
传输距离	100m+（普通网线）	< 5m（脉冲信号易衰减）
同步精度	≤ 1μs（分布时钟硬件同步）	软件同步，精度低
数据量	位置/速度/扭矩/状态/IO 全在一根线上	脉冲只传位置
抗干扰	差分信号，抗干扰强	脉冲易受干扰
接线图	一条线串到底	星型发散（总卡为中心）

1
EtherCAT:  总卡 ── 驱动器#1 ── 驱动器#2 ── IO#1 ── 阀岛 ── IO#2
2
                                    ↑ 一条线到底
3

4
脉冲式:    总卡 ── 脉冲线 ── 驱动器#1
5
             ├── 脉冲线 ── 驱动器#2
6
             ├── 排线 ──── IO#1 ── IO#2
7
             └── 排线 ──── 阀岛控制板
8
                                    ↑ 星型发散，多条线

1.4 完整网络拓扑（PLC/交换机/机顶/MES）#

除了 EtherCAT 运动控制总线外，整个设备还涉及 PLC、交换机、MES、触摸屏等多个网络设备。

完整拓扑图：

1
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
2
│                         工控机 (IPC)                                 │
3
│                                                                     │
4
│  网卡1                         网卡2                                │
5
│  ├─ 网口1 ── 机顶网口1          ├─ 网口1 ── PC交换机 网口1          │
6
│  ├─ 网口2 ── 机顶网口2                 ├── PC交换机 网口2 → 扫码枪#1│
7
│  ├─ 网口3 ── 机顶 MES                  └── PC交换机 网口3 → 扫码枪#2│
8
│  ├─ 网口4 ── PC（调试用）                                          │
9
│  └─ 网口? ── 机架调试口                                           │
10
│                                                                     │
11
│  以太网口2 ── PLC交换机 网口3                                       │
12
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
13

14
                         PLC 交换机
15
     ┌──────────────────────┼────────────────────────┐
16
     │                      │                        │
17
     ▼                      ▼                        ▼
18
 网口1 ◄── 机顶 PLC OUT                   网口5 ── PLC 触摸屏(HMI)
19
 网口2 ◄── 机顶 PLC IN                    网口6 ── 机架调试口
20
 网口3 ◄── 工控机
21
 网口4 ──▶ PLC
22

23
                           PLC
24
                           │
25
                EtherCAT 总线（串联）
26
          ┌──────────┬──────────┬──────────┬──────────┐
27
          ▼          ▼          ▼          ▼
28
      远程IO#1    阀岛#1     远程IO#2    阀岛#2

1.4.1 PLC（可编程逻辑控制器）#

是什么： 工业上专门控制逻辑动作的专用计算机。和工控机是两套独立的系统。

1
工控机 ≠ PLC
2

3
工控机（IPC）：Windows 电脑，跑 C# 上位机软件，做逻辑判断、UI显示、数据管理
4
PLC：          专用控制器，跑梯形图/ST语言，直接控制IO和气缸，稳定可靠

典型分工：

1
工控机（上位机）               PLC（下位机）
2
┌─────────────────┐           ┌─────────────────┐
3
│  扫码完成         │           │  控制气缸伸缩    │
4
│  判断空闲工位     │  通讯     │  控制电机启停    │
5
│  发"放行"指令    │─────────▶│  读限位/光电    │
6
│  记录生产数据     │           │  急停处理       │
7
│  UI显示          │           │  IO直接响应      │
8
└─────────────────┘           └─────────────────┘

控制链路：

1
工控机 ──(以太网/Modbus TCP)──▶ PLC ──(EtherCAT)──▶ 远程IO/阀岛

1.4.2 PLC 交换机#

是什么： 普通以太网交换机，把 PLC、触摸屏、工控机、机顶等设备组在同一个局域网内。

1
PLC 交换机（普通交换机）
2
    ├── 网口1 ── 机顶 PLC OUT
3
    ├── 网口2 ── 机顶 PLC IN
4
    ├── 网口3 ── 工控机（以太网口2）
5
    ├── 网口4 ── PLC（PLC 的以太网口）
6
    ├── 网口5 ── PLC 触摸屏 (HMI)
7
    └── 网口6 ── 机架调试口

注意：PLC 交换机接的是 PLC 的以太网口，不是 IO 端子。PLC 通过这个网口和工控机通信（Modbus TCP / S7 协议等）。

1.4.3 机顶（控制柜终端）#

机顶指设备顶部的一个独立控制单元/控制柜，是工控机和 PLC 之间的一个中间设备：

1
机顶（控制柜终端）
2
    ├── 网口1 ─── 工控机 网卡1网口1
3
    ├── 网口2 ─── 工控机 网卡1网口2
4
    ├── MES ───── 工控机 网卡1网口3 → 工厂MES系统
5
    ├── PLC OUT ── PLC交换机 网口1
6
    └── PLC IN ─── PLC交换机 网口2

PLC OUT / PLC IN： 机顶和 PLC 之间的通信线路。

1.4.4 MES（制造执行系统）#

是什么： 工厂级别的生产管理系统，部署在工厂服务器上，不在这台设备内。

1
工厂 MES 服务器（在工厂机房）
2
    │
3
    │ （工厂局域网）
4
    │
5
    ▼
6
机顶 MES 口 ── 工控机 网卡1网口3

作用：

下发生产任务（今天做什么产品）
接收生产数据（产量、合格率）
产品追溯（扫码数据上传 MES）

1.4.5 PLC 触摸屏（HMI）#

是什么： 人机界面，直接连在 PLC 交换机上，不经过工控机。

1
PLC 触摸屏
2
    │
3
    ▼
4
PLC 交换机 网口5 ── PLC

作用： 手动操作气缸/电机（调试模式）、查看 PLC 侧报警。工控机关机了触摸屏也能用。

1.4.6 双网络隔离#

工控机有两块网卡，分别接入两个不同的网络：

1
网络1（网卡1）── 工业控制网络
2
   接：机顶、MES、PLC、触摸屏、调试口
3
   → 稳定性优先，与工厂网隔离
4

5
网络2（网卡2）── 检测/办公网络
6
   接：扫码枪、PC调试电脑
7
   → 数据量大但不关键，与工控网隔离

为什么分开？

1
工业网络：不能因为扫码枪掉线影响 PLC 通信，需防病毒/干扰
2
检测网络：扫码数据多但允许短暂中断

1.4.7 整体数据流#

1
控制链路：工控机 ──(以太网)──▶ PLC ──(EtherCAT)──▶ 远程IO/阀岛
2
交互链路：PLC ◀──(PLC交换机)──▶ 触摸屏 / 机顶 / 工控机
3
数据链路：扫码枪 ──(PC交换机)──▶ 工控机 ──(机顶)──▶ MES

1.5 控制卡类型：脉冲型 vs 总线型#

运动控制卡分为两类，核心区别在于控制卡和驱动器之间的通信方式。

1.5.1 脉冲型控制卡（固高 GT 系列）#

1
控制卡                驱动器                电机
2
┌──────────┐        ┌──────────┐        ┌──────┐
3
│          │ 脉冲线  │          │ 动力线  │      │
4
│ GT 系列  │───────▶│ 脉冲型    │───────▶│ 电机 │
5
│          │ 方向线  │ 驱动器    │        │      │
6
│          │ 编码线  │          │        └──────┘
7
└──────────┘        └──────────┘

特性	说明
通信方式	脉冲 + 方向（Pulse/Dir）
脉冲频率上限	200kHz ~ 1MHz（硬件决定）
位置精度	受限于脉冲频率和电子齿轮比
接线	每个轴 3~4 对差分线
同步方式	软件同步，精度差
成本	较低
典型型号	固高 GT-200, GT-400

特点：

控制卡负责算脉冲，驱动器只负责放大电流
位置环可以放在控制卡，也可以放在驱动器
受脉冲频率限制，无法驱动极高分辨率电机全速运行（需要电子齿轮比降压）
多轴同步靠控制卡定时中断，精度一般

1.5.2 总线型控制卡（EtherCAT 系列）#

1
控制卡                驱动器                电机
2
┌──────────┐        ┌──────────┐        ┌──────┐
3
│          │ 网线    │          │ 动力线  │      │
4
│ EtherCAT │───────▶│ 总线型    │───────▶│ 电机 │
5
│ Master   │ 一根线  │ 驱动器    │        │      │
6
│          │ 串所有  │          │        └──────┘
7
└──────────┘        └──────────┘

特性	说明
通信方式	EtherCAT 数据帧（浮点位置值直传）
脉冲频率上限	无限制（不传脉冲，传位置值）
位置精度	双精度浮点数，任意精度
接线	一根网线串联所有轴
同步方式	硬件分布时钟 ≤ 1μs
成本	较高
典型型号	固高 GTS-800, 倍福 CX 系列

特点：

控制卡直接传目标位置（mm），不传脉冲
驱动器内部自行换算，精度不受脉冲频率限制
多轴同步由硬件实现（分布时钟），所有轴在同一时刻执行指令
一根网线同时传位置、速度、扭矩、状态、IO

1.5.3 核心差异对比#

对比项	脉冲型（GT 系列）	总线型（EtherCAT）
传什么	脉冲数	位置值（mm）
脉冲频率限制	≤ 1MHz，不可用高分辨率电机全速	无限制，23 位编码器也能全速
电子齿轮比	必须（在驱动器中配置）	不需要（直接传浮点数）
接线	每个轴 3~4 对线	一根网线串到底
同步精度	软件中断，ms 级	硬件分布时钟，≤ 1μs
轴数扩展	受控制卡脉冲口数量限制（通常 4~8 轴）	受总线带宽限制（通常 32~64 轴）
调试难度	需要配电子齿轮比参数	即插即用，自动识别
典型应用	4 轴以内简单设备	多轴复杂设备，精密同步

2. 基础知识：控制方式与反馈器件#

在看具体的电机类型之前，先理解几个贯穿全文的基础概念。

2.1 开环控制 vs 闭环控制#

开环控制（Open Loop）： 发出指令后不管实际结果。

1
           ┌──────────┐         ┌──────────┐
2
  命令 ──▶│  控制器   │───────▶│  执行器   │──────▶ 输出
3
      （走10mm）       （发送脉冲）  （电机）   （实际走了多少？不知道）

发出指令后不检测实际位置
简单、低成本
问题： 如果电机丢步或负载受阻，系统不知道，继续执行下一条指令 → 累积误差
代表： 步进电机（传统模式）

闭环控制（Closed Loop）： 发出指令后通过反馈不断修正实际输出。

1
           ┌──────────┐         ┌──────────┐
2
  目标 ──▶│  控制器   │───────▶│  执行器   │──────▶ 输出
3
    (100mm) │          │         │          │
4
           └────▲─────┘         └──────────┘
5
                │                      │
6
                └────反馈装置 ◄────────┘
7
                    （编码器测量实际位置）

通俗理解：

1
开环：说"走10mm"→走了→不管实际走到没有→下一步
2
闭环：说"走10mm"→走了→编码器说"才走了8mm"→补2mm→编码器说"到了"→下一步

2.2 编码器（Encoder）#

编码器是闭环控制的”眼睛”，实时测量电机转了多少。

分类：

1
                 ┌──────────────┐
2
                 │   编码器      │
3
                 └──────┬───────┘
4
                        │
5
            ┌───────────┴───────────┐
6
            │                       │
7
            ▼                       ▼
8
     ┌────────────┐          ┌────────────┐
9
     │  增量式     │          │  绝对式     │
10
     │ Incremental │          │ Absolute    │
11
     └────────────┘          └────────────┘

增量式编码器：

1
上电时：不知道自己在哪（计数器=0）
2
运动时：输出 A/B 两相脉冲，驱动器计数
3
断电时：位置丢失，下次上电需要回零（找原点）

输出 A / B 两相差分信号
通过 A 和 B 的相位差判断方向（A超前B→正转，B超前A→反转)
对 A/B 的上升沿+下降沿都计数 → 4倍频
每次都从 0 开始计数 → 断电丢失位置
应用中需要回零（Homing）

绝对式编码器：

1
上电时：直接读取当前位置（每个位置有唯一编码）
2
运动时：实时更新位置码
3
断电时：位置保存在编码器内部（多圈记录的还需要电池）

上电即知位置，无需回零
每个位置有唯一的二进制编码
单圈（一圈内知道位置） vs 多圈（可记录转了多少圈）
多圈绝对式需要电池维持圈数计数
Bit数越高精度越高： 17位=131072/圈，23位=8388608/圈

2.2.1 “位”（Bit）与 2^n 的关系#

绝对式编码器的位数（Bit）直接决定了一圈能分辨多少个位置：

1
n 位绝对式编码器 → 一圈内有 2^n 个位置
2

3
17 位 → 2^17 = 131,072  个位置/圈
4
18 位 → 2^18 = 262,144  个位置/圈
5
23 位 → 2^23 = 8,388,608 个位置/圈

总结对比：

特性	增量式	绝对式
上电位置	丢失，需回零	直接知道
分辨率	线数×4（如 2500线=10000/圈）	2^n（如 17位=131072/圈）
接线	A/B/Z 三对差分线	总线（BISS/SSI）
成本	低	高

2.3 PID 控制#

伺服驱动器内部用 PID 算法实现闭环控制：

P（比例）： 误差越大，输出越强。P太大→震荡；P太小→反应慢
I（积分）： 长期的小误差累积起来消除。消除”差一点到”的问题
D（微分）： 误差变化太快时提前刹车。抑制超调和震荡

2.4 其他常用术语#

术语	说明
扭矩/转矩（Torque）	电机旋转的力，单位 Nm（牛米）。越大越有力
额定扭矩	电机可以持续输出的扭矩，不过热
峰值扭矩	电机短时可以输出的最大扭矩（通常 2-3 倍额定）
转速（RPM）	每分钟旋转圈数。伺服通常 3000 rpm
背隙（Backlash）	传动间隙。丝杠反转时，螺母会空走一段才带上力
抱闸（Brake）	Z 轴断电时防止掉落的安全装置
惯量比	负载惯量与电机转子惯量的比值

2.5 惯量比（Inertia Ratio）详解#

定义：

1
惯量比 = 负载惯量（折算到电机轴） / 电机转子惯量

惯量比的建议范围：

应用	建议惯量比	说明
高精度定位	≤ 3:1	贴片机、数控机床
通用工业	≤ 10:1	大部分自动化设备
大负载低速	≤ 30:1	转台、搅拌（需特殊调参）

惯量比高时怎么办？

1
方法1：加减速机（最常用）
2
  加了 10:1 减速机后，负载惯量折算到电机轴 = 负载惯量 / 10²
3
  惯量比直接从 30:1 降到 0.3:1！
4

5
方法2：选大一号电机
6
方法3：减小加速度

3. 电机类型与选型#

3.1 伺服电机（Servo Motor）#

工作原理： 通过编码器实时反馈位置/速度，驱动器做 PID 闭环控制。

主要参数：

1
额定转速：通常 3000 rpm
2
额定扭矩：取决于电机大小（50W ~ 15kW 常见）
3
编码器：增量式 2500~5000线 或 绝对式 17~23位
4
过载能力：短时 2~3 倍额定扭矩

技术特点：

✅ 闭环控制 ≈ 高精度：编码器实时反馈，误差实时修正
✅ 快速响应：从 0 到 3000 rpm 只需几毫秒
✅ 宽调速范围：1 rpm ~ 3000 rpm 都能稳定运行
❌ 成本较高：电机+驱动器+编码器+线缆，一套千元到万元
❌ 需要调参：PID 参数需匹配负载惯量

3.2 步进电机（Stepper Motor）#

工作原理： 驱动器按固定步距角发送脉冲电流，电机转子一步一步地跟随。

步距角（Step Angle）：

1
最常见：1.8°/步 → 转一圈 = 360/1.8 = 200 步
2
也有：  0.9°/步 → 转一圈 = 400 步

技术特点：

✅ 成本极低：电机几十元，驱动器几百元
✅ 开环，结构简单：不需要编码器，不需要调 PID
✅ 低速扭矩大：0 rpm 时扭矩最大
❌ 高速扭矩跌落严重：300 rpm 扭矩可能只剩 30%
❌ 可能失步（丢步）：负载突然加大→电机没跟上脉冲→丢步

3.3 直驱电机（DD Motor）#

工作原理： 电机转子直接连接负载，无减速机、无皮带、无联轴器。

技术特点：

✅ 零背隙：无中间传动件，无空行程
✅ 高刚性：负载直接连接在转子上
✅ 高精度：编码器直接装在负载侧
❌ 成本高：大扭矩需要大直径

3.4 直线电机（Linear Motor）#

工作原理： 把电机的”旋转”展开为”直线”运动。

与伺服+丝杠对比：

特性	伺服 + 丝杠	直线电机
速度	≤ 1 m/s 典型	≤ 5 m/s
加速度	≤ 1G	≤ 10G
精度	±1~5 μm	±0.1~1 μm
成本	基准	3~5×

3.5 力矩电机（Torque Motor）#

工作原理： 类似 DD 马达但为持续大扭矩优化。

与 DD 马达的区别：

1
DD 马达：追求精度和刚性，中等扭矩 → 适合精确定位
2
力矩电机：追求持续大扭矩 → 适合需要"大力"的场合

3.6 各类型对比与选型建议#

类型	精度	速度	扭矩密度	成本	控制方式
伺服电机	★★★★	★★★★	★★★	★★★	闭环（编码器）
步进电机	★★	★★	★★★	★	开环（可加编码器闭环）
DD 马达	★★★★★	★★★	★★★★	★★★★	闭环（编码器）
直线电机	★★★★★	★★★★★	★★	★★★★★	闭环（光栅尺）
力矩电机	★★★	★	★★★★★	★★★★	闭环（编码器）

选型思路：

1
需要μm级精度 + 中等速度 = 伺服电机（工业通用首选）
2
需要高速高精度 + 预算充足 = 直线电机
3
需要旋转高精度 + 零背隙 = DD 马达
4
成本敏感 + 低速定位 = 步进电机
5
需要持续大扭矩 + 低速 = 力矩电机

4. 驱动器与驱动方式#

4.1 驱动器的作用#

驱动器接收控制卡的指令，将电能转换为电机所需的驱动电流：

1
控制卡 ── 指令 ──▶ 驱动器 ── 动力线 ──▶ 电机
2
                      │
3
                      └── 编码器反馈 ──▶ 控制卡（闭环）

4.2 脉冲方向驱动（Pulse/Dir）#

传统方式，控制卡发脉冲+方向信号：

特点：

每个驱动器需要 3~4 对线（脉冲、方向、编码器）
传输距离有限（< 5m）
简单可靠，兼容性好

4.3 总线驱动（EtherCAT / Modbus）#

所有驱动器串联在同一总线上：

特点：

接线少（一根网线带所有轴及 IO）
距离远（100m+）
各轴同步精度高（分布时钟 ≤ 1μs）

对比 EtherCAT 与 Modbus 总线：

特性	EtherCAT	Modbus
实时性	≤ 100μs 循环周期	通常 5~50ms
同步精度	≤ 1μs（硬件分布时钟）	无硬件同步
适用	多轴同步运动控制	远程IO、仪表采集

4.4 驱动器内部处理流程详解#

4.4.1 从脉冲到电机转动的完整链路#

1
上位机 (控制卡)               驱动器内部                      电机/机械
2

3
  发送脉冲 ──▶ ┌─────────────────────────────────────┐
4
  100,000个   │                                     │
5
               │  ① 电子齿轮比  ──▶ ② 位置环 ──▶       │──▶ 电机旋转
6
               │  (指令脉冲→     (比较目标与实际     │    │
7
               │   电机脉冲)      位置，输出速度)     │    │
8
               │                                     │    │
9
               │  ③ 速度环 ──▶ ④ 电流环 ──▶ PWM输出│    │
10
               │                                     │    │
11
               │  ◀──── ⑤ 编码器反馈 ────────────────┼────┘
12
               └─────────────────────────────────────┘

4.4.2 电子齿轮比（Electronic Gear Ratio）#

为什么需要？ 上位机控制卡发送”脉冲数”，而机械本身的”脉冲当量”通常不是方便计算的整数。电子齿轮比让上位机发出的整数脉冲数，对应到机械上一个有意义的行程。

1
电子齿轮比 = 电机编码器反馈脉冲数 / 上位机指令脉冲数
2
           = 分子(Pn202) / 分母(Pn203)   ← 驱动器参数

示例：导程 8mm，PlusPerR=10000

1
机械实际：8mm / 10000脉冲 = 0.0008mm/脉冲
2
期望脉冲当量：0.001mm
3

4
电子齿轮比 = 0.001 / 0.0008 = 1.25 = 5/4

电子齿轮比的另一个重要作用：降低控制卡所需的脉冲频率

高位数的绝对式编码器如果没有电子齿轮比，脉冲型控制卡根本无法驱动：

1
23 位编码器（PlusPerR=8388608），电机转速 1000 rpm：
2
  需要脉冲频率 = 8388608 × 1000 / 60 ≈ 140 MHz
3
  ↑ 脉冲型控制卡的极限只有 1 MHz，差了 140 倍！
4

5
加上电子齿轮比（分母=1000）后：
6
  控制卡只需要发：140,000,000 / 1000 ≈ 140 kHz ✓

结论：电子齿轮比让脉冲型控制卡能用上高分辨率编码器。

4.4.3 三环控制#

驱动器收到脉冲后，经过三层闭环才驱动电机：

1
① 位置环：还差 100 个脉冲 → "快点跑！"（输出速度）
2
② 速度环：目标 3000 rpm，现在 2800 → "再使点劲！"（输出电流）
3
③ 电流环：目标 5A，现在 4.5A → "电压再高点！"（调整PWM）

响应速度对比：

1
电流环（μs级）：最快，控制力矩
2
速度环（百μs级）：中间，控制转速
3
位置环（ms级）：最慢，控制位置

4.4.4 上位机视角#

实际开发中，上位机 C# 代码不需要手动算脉冲：

1
// 开发者只需要知道：我要去 100mm 处
2
pMove.AbsMove(轴ID, 100, 工作速度);
3
// 底层 DLL 自动完成：毫米→脉冲数→电子齿轮比→发送
4

5
// EtherCAT 总线模式更直接：传浮点数位置值
6
// 驱动器收到 100.000mm，自己内部计算需转多少圈

5. 轴参数配置详解#

轴参数在 ParMachine.xml 中配置，由程序启动时通过 ReadXml() 加载到内存。

5.1 每圈脉冲（PlusPerR）#

编码器类型	常见 PlusPerR	计算方式
增量式 2500 线（4 倍频）	10000	2500 × 4
增量式 5000 线（4 倍频）	20000	5000 × 4
绝对式 17 位	131072	2^17
绝对式 18 位	262144	2^18
绝对式 23 位	8388608	2^23

5.2 减速比（GeerRate）#

1
没有减速机（电机直连丝杠）→ GeerRate = 1
2
装了 10:1 减速机         → GeerRate = 10
3
装了 50:1 谐波减速机     → GeerRate = 50

5.3 导程（LeadLength）#

1
买的是 10mm 导程的丝杠 → LeadLength = 10
2
买的是 5mm 导程的丝杠  → LeadLength = 5
3
旋转轴：LeadLength = 360

5.4 工作速度（WorkSpeed）#

速度级别	典型值	适用场景
高速	1000~1500 mm/s	快速水平运动（空行程）
中速	300~800 mm/s	带载运动
低速	10~100 mm/s	精密定位、堆叠

5.5 核心换算公式（脉冲当量）#

1
脉冲当量 = LeadLength / (PlusPerR × GeerRate)
2
单位：mm/脉冲（直线轴）或 °/脉冲（旋转轴）

5.6 完整换算链#

1
上位机侧：
2
pMove.AbsMove(轴, 100mm)
3
    ↓
4
① 100mm ÷ 脉冲当量(0.001) = 100,000 脉冲
5

6
驱动器内部：
7
② 电子齿轮比（例如 5/4）：100,000 × 5/4 = 125,000 脉冲
8
③ 位置环 → ④ 速度环 → ⑤ 电流环 → PWM → IGBT → 电机
9
⑥ 编码器实时反馈位置/速度
10

11
机械：
12
直连情况：100,000 脉冲 → 电机 10 圈 → 丝杠 100mm ✓

6. IO 系统#

6.1 远程 IO 模块（EtherCAT 总线）#

远程 IO 模块串联在 EtherCAT 总线上，和驱动器共享同一根网线。

6.2 扩展 IO 模块（本地排线）#

扩展 IO 模块通过运控卡上的 IO_EXP 排线接口连接，不经过 EtherCAT 总线。

6.3 阀岛（Valve Island）#

阀岛是集成了多个电磁阀的总线模块，用于控制气动执行器。

6.4 接线规则（OUT 连 IN 串联）#

设备串联走线的标准规则：所有设备 OUT 连 IN，最后一站 OUT 悬空。

7. 传感器与执行器#

7.1 数字量输入（DI）类型#

类型	原理	典型用途
光电开关	光被遮挡/反射触发	到位信号、流入信号
磁性开关	检测气缸内磁环位置	气缸伸出/缩回到位确认
限位开关	机械触碰触发	正/负限位保护
原点开关	机械/光电触发	回零找原点
接近开关	金属物体感应	工件有无检测

7.2 数字量输出（DO）类型#

类型	控制对象	典型用途
电磁阀	气动气缸	阻挡、侧推、夹紧
继电器	大电流设备	电机启停、光源控制
指示灯	信号灯	三色灯、状态指示

8. 电气BOM与硬件详解#

本节对照实际 BOM 表，逐项解释各电气组件的功能、选型依据和接线方式。

8.1 接线概述：从 3D 图理解线缆#

3D 图没有线，但可以通过以下方式推断：

如果看到	就需要线	连接到
传感器（光电/接近/磁开）	3芯线（棕/蓝/黑）	IO 模块的 DI 端子
电磁阀/气缸	2芯线	IO 模块的 DO 端子或阀岛
伺服电机	动力线 + 编码器线 + (抱闸线)	驱动器
运动控制卡	EtherCAT 网线	串联到下一个驱动器
开关电源	输入 220V / 输出 24V	端子排 → 各设备

8.2 线材类型详解#

8.2.1 EtherCAT 网线#

两端均为 RJ45 水晶头，蓝绿色工业级网线。

用途： 串联所有 EtherCAT 设备。

长度	数量	用途
300mm	13	驱动器之间短距连接
1m	9	机顶↔工控机、机顶↔PLC交换机
3m	11	触摸屏↔交换机、PLC↔远程IO
5m	4	工控机↔驱动器、PLC交换机↔PLC

8.2.2 电机动力线#

伺服电机必须有三套线才能工作：

1
① 动力线（Power Cable）：3相交流线（U/V/W）+ 地线（PE）
2
② 编码器线（Encoder Cable）：多芯屏蔽线
3
③ 抱闸线（Brake Cable）：仅垂直轴需要，2芯线，24V供电

8.2.3 阀岛相关线缆#

阀岛需要通讯线和电源线两种线缆。通讯线有 M12 圆头转 RJ45 网口、M12 对 M12 等类型。

8.2.4 拖链电缆#

预接线组件，用于运动部件上的传感器信号通过拖链引到控制柜。

8.2.5 SMEMA 联机线#

设备间通信的标准接口，用于上下设备之间传递”有料/无料”信号。

8.3 电源与保护器件#

8.3.1 开关电源#

型号	功率	用途
CDDR6HS48024BZ	480W (24V×20A)	主电源
CDDR6HS12024BZ	120W (24V×5A)	刹车电源
CDDR6HS24024BZ	240W (24V×10A)	PLC电源

8.3.2 小型断路器#

型号	额定电流	保护对象
CDB6LESi-63 2P C25 300mA	25A + 漏电保护	总进线
CDB6i-63 2P C20A	20A	电机电源、IO电源
CDB6i-63 2P C10A	10A	刹车电源
CDB6i-2P-C16A	16A	PLC电源

8.3.3 直流熔断器#

用于直流电路的一次性过流保护，烧断了需要更换。

8.3.4 滤波保险端子台#

开关电源输出端，先滤波再送给伺服驱动器等精密设备。

8.4 继电器#

用小电流控制大电流的开关。

继电器数量确定公式：

1
继电器数量 = 需要隔离的 DO 数量 + 备用量（10~20%）

8.5 接线端子#

安装在 DIN 导轨上的接线排，用于线缆中转和分线。

型号	说明
TP2.5-4-GY	单层四路互通端子，2.5mm²，用量最大（150个）
TP2.5-4-PE	带PE脚接地端子（6个）
TPD2.5-2-GY	双层不互通端子（20个）

8.6 连接器#

8.6.1 弹簧连接器#

SUPU（速普）弹簧连接器，用于 IO 模块与现场传感器/执行器之间的可插拔连接。

8.6.2 航空插头#

大电流连接器，用于总电源进线和机顶供电。

8.6.3 双头 RJ45 法兰座#

安装在机柜面板上，外部插网线，内部走线到交换机。

8.7 传感器类型与接线#

8.7.1 反射型光电传感器（EX-14A / EX-14B）#

EX-14A（NPN）vs EX-14B（PNP）的唯一区别：输出类型

你的 IO 模块是	应该选	检测到信号时
NPN 型（默认）	EX-14A	IO 读到 0V
PNP 型	EX-14B	IO 读到 +24V

8.7.2 对射型光电传感器（EX-13EA / EX-13EB）#

发射端和接收端分开，检测距离远（可达10m+），用于流线检测。

8.7.3 槽型光电传感器（PM-U25）#

用于气缸伸缩检测。

8.7.4 激光位移传感器（HG-C1030）#

发射激光 → 测量反射时间 → 精确距离，精度 μm 级。

8.8 IO 模块详解#

型号	规格	用途
LHS3-2408-NET1	24入 + 8出 + EtherCAT	流线控制
LHS3-3200-XET1	32入，无输出	交错上料站
LHS3-1616-NET1	16入 + 16出 + EtherCAT	中转搬运、下料站
HCB5-1616-DTD01	16入16出，排线连接	固高扩展模块

8.9 汇川 PLC 系统#

1
PLC主体：EASY521-0808TN
2
  ├── 本体自带 8路DI + 8路DO
3
  ├── 本体带 Ethernet 通讯口
4
  └── 可扩展 IO 模块：
5
        ├── GL20-1600END（16路输入）
6
        └── GL20-0016ETN（16路输出）

8.10 接地系统#

接地铜条： 10×10×100mm

所有设备的接地线汇集到铜条上，再统一接到大地。

接地线规则：

1
黄绿色线（PE专用）
2
每个设备都要接地
3
不能串联接地，必须星型接法到铜条