运动控制系统融合了多种学科技术,随着计算机技术、芯片技术、传感器技术、人工智能、嵌入式技术、工业现场总线等技术的飞速发展,运动控制系统正向着高精度、高智能、开放式、网络化方向发展。Ether CAT总线技术在实时性、传输速率、传输带宽、同步性、兼容性等方面有着较强的性能,并且支持多种以太网标准,有助于实现运动控制系统的网络化、多功能化和高同步性。为了提高控制系统的设备挂载能力、实时性、同步性等性能,本文将Ether CAT总线技术应用于运动控制系统之中,设计了一套完整的Ether CAT多功能控制系统。该系统由PC上位机、AM4377主站控制器、Ether CAT从站三大部分组成。PC上位机用于人机交互、AM4377主站控制器用于运控计算和实现主站功能、Ether CAT从站用于驱动外设。本文在从站功能上进行创新,使从站可以快速的添加新的功能。本文的主要研究工作如下。首先,设计完整的控制系统架构,对功能模块进行规划,完成硬件选型,确定主站从站开发方案。针对主站控制器的实时性要求,对多种基于Linux系统的实时性方案进行研究。最终选用xenomai开源实时方案,在主站控制器的Linux系统中构建了一个实时核。接着,基于“STM32+LAN9252”架构设计Ether CAT-STM32从站。开发Ether CAT从站功能,包括I/O、AD、姿态数据采集、步进电机驱动、舵机驱动、单轴点动等功能。其次,开发主站控制器功能。控制器选用“Linux+xenomai”架构,使用Ig H Ether CAT Master开源主站方案实现主站功能。根据运控需求,提出了一种四线程的主站控制器架构,设计了线程与线程间的通讯方案。两个运行于Linux域中,两个运行于xenomai域中,分别用于通信和运控任务处理。主站控制器通过TCP/IP协议与PC上位机进行通讯,通过Ether CAT总线与Ether CAT从站交互Ether CAT数据帧。然后,基于Qt5.9软件开发上位机程序。上位机拥有系统设置、操作输入、G代码解析、刀路仿真等功能,通过TCP/IP协议发送指令给主站控制器。最后,分别对Ether CAT-STM32从站、AM4377主站控制器进行测试,并设计了两套运控方案。方案一采用“PC上位机+AM4377主站控制器+Ether CAT-STM32从站”,构建了基于步进电机的二轴绘图系统,实现二维图形的绘制。方案二采用“PC上位机+AM4377主站控制器+台达Ether CAT伺服”,构建了三轴的数控加工系统,并进行数控加工。经试验验证,Ether CAT总线运行正常,数控加工准确,各种从站功能测试有效。