中電港：高性能 EtherCAT 伺服解決方案優(yōu)勢(shì)解讀

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李彎彎）近年來(lái)，國(guó)內(nèi)伺服市場(chǎng)增長(zhǎng)迅速，2018底國(guó)內(nèi)伺服銷售規(guī)模1200萬(wàn)臺(tái)，銷售額約120億人民幣，國(guó)內(nèi)伺服品牌市場(chǎng)占有率達(dá)到20%，約240萬(wàn)臺(tái)。隨著“中國(guó)制造2025”的不斷推進(jìn)，中國(guó)的伺服驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)每年保持20%以上增長(zhǎng)。

伺服應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，主要包括數(shù)控機(jī)床、多關(guān)機(jī)機(jī)器人、鋰電池制造設(shè)備、LED晶圓設(shè)備、3C制造設(shè)備、雕琢/切割機(jī)、紡織機(jī)械、食品與包裝設(shè)備、朔料機(jī)械等。在日前由電子發(fā)燒友網(wǎng)主辦的《2020年第三屆無(wú)刷直流電機(jī)控制技術(shù)在線研討會(huì)》上，中電港銷售經(jīng)理王炳興就伺服技術(shù)的最新發(fā)展趨勢(shì)和方案做了精彩分享。

圖：中電港銷售經(jīng)理王炳興先生

據(jù)王炳興先生介紹，目前伺服技術(shù)主要有兩大發(fā)展趨勢(shì)：一是傳統(tǒng)的伺服市場(chǎng)以脈沖，CAN總線為主，隨著智能制造技術(shù)要求的提升，EtherCAT總線開(kāi)始成為新一代的技術(shù)，逐步取代CAN總線，未來(lái)的市場(chǎng)占有率會(huì)超過(guò)50%以上；二是隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人，高精密設(shè)備等行業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)于多軸、高性能伺服的需求越來(lái)越多。

采用Renesas MCU+Lattice FPGA雙芯片架構(gòu)的方案特點(diǎn)

中電港結(jié)合上述兩大技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，推出了高性能伺服驅(qū)動(dòng)解決方案，該方案采用RenesasMCU+LatticeFPGA雙芯片架構(gòu)，支持Ethercat，支持多軸應(yīng)用。方案的優(yōu)勢(shì)是：一、FPGA硬件電流環(huán)，高性能，高精度；二、以最優(yōu)的成本實(shí)現(xiàn)單/多軸的應(yīng)用；三、靈活選擇型號(hào)搭配不同配置。

圖：高性能伺服驅(qū)動(dòng)解決方案優(yōu)勢(shì)（紅色部分為DEMO板）

王炳興先生詳細(xì)介紹了該方案所選用型號(hào)的特點(diǎn)。首先來(lái)看RenesasRZ/T1，該系列芯片主核采用的是ARMCortex-R4F，工作主頻從可選300MHz、450MHz、600MHz，支持雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算，最重要的是支持EtherCAT功能，支持編碼器接口。

圖：RenesasRZ/T1系列特點(diǎn)展示

從產(chǎn)品線的型號(hào)來(lái)看，該系列最大的特點(diǎn)是全系列管腳兼容，可以靈活根據(jù)不同的功能或者主頻選擇不同的型號(hào)。為了讓聽(tīng)眾更明白，王炳興先生進(jìn)一步介紹，“比如我們現(xiàn)在的方案采用300MHz+EtherCAT功能，如果根據(jù)主頻選擇不同型號(hào)，我們還可以選擇主頻450MHz或者600MHz，甚至選擇雙核的版本，EtherCAT也是可選的功能，如果不需要EtherCAT功能，也可以不選。”

再來(lái)看LatticeFPGA系列，F(xiàn)PGA采用的是ECP5系列，整個(gè)系列是從12K覆蓋到85K的邏輯單元。王炳興先生指出，“為了保持兼容性及可擴(kuò)展性，該方案選用了封裝完全兼容的25K/45K邏輯單元，選用的封裝式256caBGA，可以靈活的搭配1至4軸的需求，如果客戶需要6軸或者7軸，也可以選擇85K，容量更高。”

高性能Ethercat伺服解決方案系統(tǒng)框圖及優(yōu)勢(shì)

從整個(gè)伺服解決方案的系統(tǒng)框圖來(lái)看，該方案是以Renesas（RZ/T1）和LatticeFPGA(ECP5)作為主控，外圍搭配Renesas接口芯片。FPGA用來(lái)做硬件電流環(huán)以及編碼器接口，MCU用來(lái)做位置環(huán)、速度環(huán)以及EtherCAT控制，整個(gè)方案是采用FPGA硬件電流環(huán)以及EtherCAT總線架構(gòu)的多軸伺服系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)真正意義的多軸實(shí)時(shí)控制。

圖：高性能EtherCAT伺服解決方案系統(tǒng)框圖

圖：高性能EtherCAT伺服解決方案詳細(xì)的功能框圖

優(yōu)勢(shì)一：電流環(huán)更快速

王炳興先生指出，該方案采用RenesasRZ/T1+LatticeFPGA的最大優(yōu)勢(shì)是電流環(huán)更快速。在傳統(tǒng)的方案中，位置環(huán)和速度控制環(huán)算法復(fù)雜，計(jì)算緩慢，電流環(huán)控制需要實(shí)時(shí)、快速更新，要想在單個(gè)處理器芯片里兼顧這兩類不同的算法，非常具有挑戰(zhàn)性。而采用雙芯片的架構(gòu)，把電流環(huán)控制放在FPGA里面進(jìn)行硬件加速，延時(shí)和計(jì)算時(shí)間是快速并確定的，而且FPGA做為協(xié)處理器，還可以分擔(dān)處理器的工作。

優(yōu)勢(shì)二：多軸控制

該方案采用FPGA的另一大優(yōu)勢(shì)是多軸控制，對(duì)比傳統(tǒng)MCU，F(xiàn)PGA在多軸同步控制、電流環(huán)控制、PWM控制和輸出等方面更有優(yōu)勢(shì)。

與市面其他伺服方案對(duì)比，F(xiàn)PGA方案具有明顯優(yōu)勢(shì)。目前市面常見(jiàn)的方案有SOC和DSP：

• 從內(nèi)核來(lái)看，RenesasRZ/T1采用的主核是ARMCortex-R4F，SOC一般采用ARMCortex-A9，DSP一般采用C2000；
• 從電流環(huán)控制來(lái)看，F(xiàn)GPA和SOC都可以用硬件實(shí)現(xiàn)，DSP有快速的電流環(huán)；
• 從主頻來(lái)看，F(xiàn)PGA有300MHz、450MHz和600MHz可選，SOC也有667MHz到888MHz可選，DSP受限于架構(gòu)，主頻只能到200MHz。
• 從EtherCAT控制來(lái)看，F(xiàn)GPA采用硬核的EtherCAT，更有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)镕PGA集結(jié)內(nèi)置EtherCAT，通信更迅速，SOC一般需要購(gòu)買IPCode，DSP暫時(shí)只能外加EtherCAT通信芯片；
• 從電機(jī)軸來(lái)看，F(xiàn)GPA可以靈活搭配1至4軸，甚至可以選擇不同封裝的型號(hào)，達(dá)到6軸，SOC本質(zhì)也是FPGA，也可以到1到4軸，而DSP最多只能控制兩個(gè)電機(jī)，如果要做多軸電機(jī)，需要外加芯片，架構(gòu)會(huì)完全發(fā)生變化；
• 從開(kāi)發(fā)難度來(lái)看，RenesasRZ/T1+LatticeFPGA分工明確，相對(duì)難度更低；
• 從可擴(kuò)展性和成本來(lái)看，RenesasRZ/T1+LatticeFPGA可以靈活選擇不同型號(hào)搭配不同方案，可擴(kuò)展性更有優(yōu)勢(shì)，綜合成本也更有優(yōu)勢(shì)。

整體而言，RenesasRZ/T1+LatticeFPGA方案在EtherCAT總線、單軸以及多軸的支持、開(kāi)發(fā)的難易度、可擴(kuò)展性和成本上相對(duì)比較均衡，方案更有優(yōu)勢(shì)。

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