EtherCAT科普系列（10）：EtherCAT技术在无刷直流电机驱动系统领域应用

直流无刷电机是通过电子控制器实现换向取代传统带碳刷的直流电机。常用电机类型多样，主要可以分为无刷电机和有刷电机。BLDC电机是一种不使用机械换向触头(碳刷)的直流电机，而是通过电子控制器实现换向取代传统带碳刷的直流电机，所以又被称为电子式可调速直流电动机或电子式换向直流电机。BLDC电机的转子是永磁体，通过改变周围的线圈所产生的磁场的方向使转子旋转。通过控制通向线圈的电流方向和大小来控制转子的旋转。

▲有刷电机（左）与无刷电机（右）对比（来源：Haredata Electronics）

无刷电机结构的特殊性带来了诸多优势：

1）驱动控制算法多样化，适应不同应用场景：BLDC电机根据多种多样的应用场景，可以选择方波、SVPWM、FOC等多种控制算法，实现多样化控制需求；

2）驱动控制算法壁垒高：BLDG 电机控制用到的参数较多且互为关联，驱动控制算法比较复杂与其他类型电机相比，其驱动控制算法难度较高；

3）高效率：BLDC电机在较宽的速度段上拥有更高的电机效率，任何速度下其均可以全功率运行；

4）高降噪：BLDC 电机具备高可靠性、低振动、高效率、低噪音、节能降耗的性能优势，充分契合终端客户各方面的新兴需求。

▲直流无刷电机控制算法对比（来源：峰岹科技）

BLDC电机特点鲜明，可广泛应用于家电、电动工具、计算机及通信设备、运动出行、工业与汽车等领域，并且持续拓展至服务机器人、智慧手臂等市场。根据Frost & Sullivan 数据，2023年全球BLDC 电机市场规模达2749亿元，2020-2023年年复合增速达 22.6%，显著高于全球电机市场规模增速(7.9%)；其中，2023 年中国BLDC电机市规模达696亿元，2020-2023年年复合增速达24.9%，亦显著高于中国电机市场的11.6%。伴随 BLDC 电机下游应用场景持续拓展和渗透，Frost& Sullivan预计2028年全球/中国BLDC电机市场规模将达到6869/1946 亿人民币，对应年复合增速为20%/23%；全球/中国 BLDC 电机市场规模占比将从2023年的20%/22%提高至 32%/35%。

在工业控制上，无刷电机驱动系统通常采用RS485通讯协议总线作为一种常规的通信总线。RS485 总线结构因硬件设计简单、控制方便、成本低廉、通用性强等优点，使得 RS485 总线在工业控制上得到广泛的应用。然而，RS485总线本身具有总线利用率低、实时性较差等缺点，并且在工业应用中，往往分散控制单元数量较多、分布较远、工业现场存在各种干扰，这使得RS485总线通信的实时性更加得不到保障。EtherCAT是开放的实时以太网络通讯协议，最初由德国倍福自动化有限公司研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，同时，它还可以降低传统RS485 总线的使用成本。EtherCAT的具有高精度设备同步，可选线缆冗余和功能性安全协议(SIL3)。2007年9月，EtherCAT正式成为IEC61158 规范，也是IEC/FDIS 61784-2 规范。基于EtherCAT技术实现的无刷直流电机伺服驱动系统在电机控制中可表现出诸多优良的性能，如低噪音、转矩脉动小、定位准确、低速稳定等。同时，EtherCAT 强大的通信性能保证了无刷直流电机控制的可靠性和实时性。

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EtherCAT 无刷直流电机驱动系统整体结构

典型EtherCAT 无刷直流电机驱动整个控制系统分为控制层、通信层和执行层。控制层为EtherCAT 主站系统可以由工业 PC 机或其他嵌入式平台实现，负责控制算法和发送控制指令。通信层主要由EtherCAT 从站控制器组成，负责接收和解析主站发送的控制指令，同时将电机的运动信号插入到EtherCAT 数据帧的相应位置，传送回主站。在执行层中，微处理器根据从站控制器解析后的控制指令，生成电机运动相应的PWM控制信号，从而驱动电机执行。整个系统采用标准的以太网连接，通过一根网线将主站与第一个驱动器的网络输入端口连接，再将第一个驱动器的网络输出端口与第二个驱动器的网络输入端口连接，以此类推，组成单线型总线结构。值得注意的是，此处的输入输出端口指的是 EtherCAT 数据帧从主站传输至从站时，数据帧的传输方向，而当数据帧到最后一个从站返回后，此前从站的输入端口就变成输出端口，输出端口变为输入端口。

▲典型EtherCAT无刷直流电机驱动系统整体结构图

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EtherCAT无刷直流电机驱动系统从站方案

EtherCAT 从站设备主要由从站控制器和微处理器两部分构成。EtherCAT从站控制器需要采用专门的芯片,其是 EtherCAT从站模块实现EtherCAT 通信协议的关键。EtherCAT从站控制器主要处理数据链路层部分，根据EtherCAT协议对主站发送的报文进行读取或者插入，通过硬件机制实现主站和从站之间的数据交换。微处理器主要负责应用层部分，通过读取从站控制器芯片中的控制数据，实现设备控制功能，并采样设备的控制数据，写入从站控制器芯片中，供主站读取。

▲典型EtherCAT无刷直流电机驱动系统从站结构

EtherCAT 从站微处理器

EtherCAT从站微处理器与从站控制器通过PDI接口通信，一方面，微处理器接收从站控制器通过 EtherCAT协议解析过的上位机控制指令，来完成具体的电机控制指令。另一方面，微处理器接收电机的运动信息，通过从站控制器，将这些信息通过 EtherCAT 通信反馈至上位机。EtherCAT报文解析仅与从站控制器有关，而与微处理器的性能无关。因此，在微处理器的选择上，只要满足与EtherCAT从站控制器能够快速进行数据传输和满足电机控制要求即可。

EtherCAT从站控制器

EtherCAT 从站单元的核心是从站控制器(ESC)，EtherCAT数据链路层协议和物理层协议完全固化在其中。EtherCAT数据帧的提取和插入完全由数据链路层硬件实现，然后通过从站控制器内部的数据储存区与EtherCAT主站进行数据交换。系统控制周期由主站发起，主站发出下行报文，数据遍历所有的电机从站设备，每个电机从站设备中的从站控制器在数据帧经过时分析寻址到本机的报文，根据报文头中的命令将相应的数据存储到内部存储区或将相应的数据从内部存储区写入到报文中指定位置。整个过程会产生几纳秒的时间延迟。数据在访问位于整个逻辑位置的最后一个从站后，该从站把经过处理的数据帧作为上行报文直接发送给主站。主站收到此上行电报后，处理返回数据，一次通信结束。

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码灵半导体EtherCAT 无刷直流电机驱动系统解决方案

EtherCAT 以太网控制自动化技术于2003年由德国的倍福公司提出，因此早期市场上的EtherCAT从站控制器芯片基本是倍福公司的产品，比如ET1100、ET1200等。然而，随着EtherCAT技术的应用领域越来越广，越来越多的公司关注和研究EtherCAT技术，并推出自己研发的从站控制器芯片，码灵半导体即为其中重要一员。

码灵半导体推出的CF110x系列EtherCAT从站控制器芯片最多可以提供3个数据收发端口MII，可选择性集成2个电流型PHY或32位ARM内核MCU， 每个MII接口都带有环回操作和数据转发的功能，用来接收和发送以太网数据帧。CF110x系列从站控制器带有1个I2C接口，通过该接口加载储存在EPPROM芯片中的XMI从站设备描述文件。CF110x系列从站控制器带有一个LED控制器用来对所连接的LED灯进行操作，根据LED闪烁状态来表示此时从站控制器的运行状态。CF110x系列从站控制器带有一个系统中断控制器，系统中断控制器引脚与微处理器的中断引脚相连，用于实现多个EtherCAT从站之间的数据传输同步；并通过PDI接口实现微处理器与从站控制器之间的通信。

▲码灵半导体CF110x系列芯片结构框图码灵半导体CF110x系列在无刷直流电机驱动系统中的应用优势特点：

产品获得德国倍福公司（Beckhoff）官方正式授权，已通过ETG官方的一致性测试认证，符合EtherCAT通信协议标准；

内置8个现场总线内存管理单元（FMMU）、8个同步管理器（SM），产品支持三种数据接口（PDI）-数字I/O，SPI和8/16 位uC接口；内置64位分布式时钟（DC），可实现EtherCAT从站的高精度同步（<< 1μs）；可选择性集成32位ARM Cortex-M3内核微控制器（MCU）或2个电流型PHY（兼容100BASE-TX），具有抗干扰能力强、信号完整性高和稳定性好的优点；多种封装形式可选，支持QFN64L(9x9mm)、QFN88L(10x10mm)、QFN100L(12x12mm)封装。▲码灵半导体CF110x系列芯片实物图

码灵半导体CF110x系列是一款性价比非常高的 EtherCAT 从站控制器芯片，在成本上、性能上和开发周期上都对无刷直流电机产品开发上具有很大的优势。