中电港：高性能 EtherCAT 伺服解决方案优势解读

近年来，国内伺服市场增长迅速，2018底国内伺服销售规模1200万台，销售额约120亿人民币，国内伺服品牌市场占有率达到20%，约240万台。随着“中国制造2025”的不断推进，中国的伺服驱动市场每年保持20%以上增长。

伺服应用领域广泛，主要包括数控机床、多关机机器人、锂电池制造设备、LED晶圆设备、3C制造设备、雕琢/切割机、纺织机械、食品与包装设备、朔料机械等。在日前由电子发烧友网主办的《2020年第三届无刷直流电机控制技术在线研讨会》上，中电港销售经理王炳兴就伺服技术的最新发展趋势和方案做了精彩分享。

图：中电港销售经理王炳兴先生

据王炳兴先生介绍，目前伺服技术主要有两大发展趋势：一是传统的伺服市场以脉冲，CAN总线为主，随着智能制造技术要求的提升，EtherCAT总线开始成为新一代的技术，逐步取代CAN总线，未来的市场占有率会超过50%以上；二是随着国内工业机器人，高精密设备等行业的高速发展，对于多轴、高性能伺服的需求越来越多。

采用Renesas MCU+Lattice FPGA双芯片架构的方案特点

中电港结合上述两大技术发展趋势，推出了高性能伺服驱动解决方案，该方案采用RenesasMCU+LatticeFPGA双芯片架构，支持Ethercat，支持多轴应用。方案的优势是：一、FPGA硬件电流环，高性能，高精度；二、以最优的成本实现单/多轴的应用；三、灵活选择型号搭配不同配置。

图：高性能伺服驱动解决方案优势（红色部分为DEMO板）

王炳兴先生详细介绍了该方案所选用型号的特点。首先来看RenesasRZ/T1，该系列芯片主核采用的是ARMCortex-R4F，工作主频从可选300MHz、450MHz、600MHz，支持双精度浮点运算，最重要的是支持EtherCAT功能，支持编码器接口。

图：RenesasRZ/T1系列特点展示

从产品线的型号来看，该系列最大的特点是全系列管脚兼容，可以灵活根据不同的功能或者主频选择不同的型号。为了让听众更明白，王炳兴先生进一步介绍，“比如我们现在的方案采用300MHz+EtherCAT功能，如果根据主频选择不同型号，我们还可以选择主频450MHz或者600MHz，甚至选择双核的版本，EtherCAT也是可选的功能，如果不需要EtherCAT功能，也可以不选。”

再来看LatticeFPGA系列，FPGA采用的是ECP5系列，整个系列是从12K覆盖到85K的逻辑单元。王炳兴先生指出，“为了保持兼容性及可扩展性，该方案选用了封装完全兼容的25K/45K逻辑单元，选用的封装式256caBGA，可以灵活的搭配1至4轴的需求，如果客户需要6轴或者7轴，也可以选择85K，容量更高。”

高性能Ethercat伺服解决方案系统框图及优势

从整个伺服解决方案的系统框图来看，该方案是以Renesas（RZ/T1）和LatticeFPGA(ECP5)作为主控，外围搭配Renesas接口芯片。FPGA用来做硬件电流环以及编码器接口，MCU用来做位置环、速度环以及EtherCAT控制，整个方案是采用FPGA硬件电流环以及EtherCAT总线架构的多轴伺服系统，可以实现真正意义的多轴实时控制。

图：高性能EtherCAT伺服解决方案系统框图

图：高性能EtherCAT伺服解决方案详细的功能框图

优势一：电流环更快速

王炳兴先生指出，该方案采用RenesasRZ/T1+LatticeFPGA的最大优势是电流环更快速。在传统的方案中，位置环和速度控制环算法复杂，计算缓慢，电流环控制需要实时、快速更新，要想在单个处理器芯片里兼顾这两类不同的算法，非常具有挑战性。而采用双芯片的架构，把电流环控制放在FPGA里面进行硬件加速，延时和计算时间是快速并确定的，而且FPGA做为协处理器，还可以分担处理器的工作。

优势二：多轴控制

该方案采用FPGA的另一大优势是多轴控制，对比传统MCU，FPGA在多轴同步控制、电流环控制、PWM控制和输出等方面更有优势。

与市面其他伺服方案对比，FPGA方案具有明显优势。目前市面常见的方案有SOC和DSP：

• 从内核来看，RenesasRZ/T1采用的主核是ARMCortex-R4F，SOC一般采用ARMCortex-A9，DSP一般采用C2000；
• 从电流环控制来看，FGPA和SOC都可以用硬件实现，DSP有快速的电流环；
• 从主频来看，FPGA有300MHz、450MHz和600MHz可选，SOC也有667MHz到888MHz可选，DSP受限于架构，主频只能到200MHz。
• 从EtherCAT控制来看，FGPA采用硬核的EtherCAT，更有优势，因为FPGA集结内置EtherCAT，通信更迅速，SOC一般需要购买IPCode，DSP暂时只能外加EtherCAT通信芯片；
• 从电机轴来看，FGPA可以灵活搭配1至4轴，甚至可以选择不同封装的型号，达到6轴，SOC本质也是FPGA，也可以到1到4轴，而DSP最多只能控制两个电机，如果要做多轴电机，需要外加芯片，架构会完全发生变化；
• 从开发难度来看，RenesasRZ/T1+LatticeFPGA分工明确，相对难度更低；
• 从可扩展性和成本来看，RenesasRZ/T1+LatticeFPGA可以灵活选择不同型号搭配不同方案，可扩展性更有优势，综合成本也更有优势。

整体而言，RenesasRZ/T1+LatticeFPGA方案在EtherCAT总线、单轴以及多轴的支持、开发的难易度、可扩展性和成本上相对比较均衡，方案更有优势。

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