基于恩智浦i.MX RT1180芯片的EtherCAT+伺服电机控制方案

i.MX RT1180是恩智浦最近推出的一款高性能跨界处理器，其中包含了300MHz的Arm Cortex-M33核以及800MHz的Arm Cortex-M7核，集成了多种网络功能如时间敏感网络 (TSN) 交换机、EtherCAT SubDevice控制器等。同时，芯片内部集成了先进的电源管理模块，便于降低复杂的外部电源设计，并且还提供了多种外部存储接口和丰富的外设。

工业以太网在工业自动化中的应用

工业以太网将以太网技术延伸至工业控制场景，主要应用于工厂自动化、过程自动化、智能仓储与物流、能量管理等领域。相比于传统总线，工业以太网具有以下优势：

更高带宽的传输速度，更好的兼容性

工业以太网传输速率可达100Mbps至10Gbps，支持大带宽数据传输，且兼容IT网络标准，易于与云端、ERP系统对接；而传统工业总线传输速率较低 (通常≤1Mbps)，协议封闭，跨系统集成困难。

支持远距离传输与强拓展性

以太网通过交换机可扩展传输距离 (单段超100米)，支持大规模组网。

高实时性

工业以太网通过实时协议 (如EtherCAT、Profinet) 解决传统以太网的传输延迟问题，实时性接近传统总线，同时支持多设备并发通信。

低维护成本

以太网硬件标准化程度高，成本低，且维护方便 (持热插拔、远程诊断)，传统总线设备专用性强，硬件与协议定制成本高，升级维护复杂。

更强的灵活性与开放性

工业以太网支持IP协议，可直接接入互联网，便于实现远程监控与工业物联网 (IIoT) 融合；传统总线协议封闭，需网关转换才能与外部网络通信，难以适应智能化升级需求。

迄今为止，以太网现场总线新接入节点达到76%，远超传统的现场总线，是未来现场总线的趋势。

基于i.MX RT1180的EtherCAT+伺服控制

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology)，即“以太网控制自动化技术”，是由德国Beckhoff公司研发的一种基于以太网的现场总线系统的开放架构。它突破传统以太网局限，数据帧经各节点时，能高速动态读写数据并插入新数据，带宽利用率超90%。

EtherCAT几乎支持所有拓扑，周期时间短、同步精度高，从站处理器无需处理以太网封包，所有程序资料由从站控制器硬件处理，能满足工业自动化短数据更新时间、低通讯抖动和低成本硬件的要求，在机器控制、测量系统等领域广泛应用。

目前i.MX RT1180基于内置的EtherCAT subdevice controller已经实现了EtherCAT的EOE, COE, FOE等功能。

内置EtherCAT subdevice controller，相比于常规的外置控制器，拥有更低的成本，更高的PDI传输速度。恩智浦基于片内EtherCAT控制器设计了基于单颗i.MX RT1180芯片的EtherCAT+伺服电机控制方案，并通过一台滑台丝杆的齿轮对接，对该方案的性能进行了展示。

该方案主站既可以利用TwinCAT实现，也可以使用SOEM进行实现，这里，选取了SOEM作为主站，其同步周期为250μs。从站节点基于CiA402协议完成数据处理，参考设计共有两个从站节点，每个节点控制两个电机，所有节点均运行在csp模式，单片i.MX RT1180最多可以支持四电机加现场总线方案。

基于单片i.MX RT1180芯片的EtherCAT+伺服电机控制方案框图

下图给出了具体从站节点的方案图，主要分为两个部分：

EtherCAT通讯总线负责收发主设备的电机指令及反馈实时状态。该部分由Cortex-M33核、片内 EtherCAT 子设备控制器和外部PHY芯片协同实现。PHY芯片通过 RMII接口连接子设备控制器，将RJ45的模拟信号转为数字信号，再与Cortex-M33核一起完成协议栈处理。

电机控制部分，该部分由M7核完成，M7拥有更高的主频，更高的算力，因此将用于实时性要求更高的电机控制应用。

i.MX RT1180非常适合工业通信应用， 了解该高性能跨界处理器更多详情，请浏览产品官网>>

i.MX RT1180从站节点方案框图

具备多种以太网方案

i.MX RT1180除了能够支持EtherCAT现场总线外，还支持SN、Profinet等几乎所有工业网络。

i.MX RT1180支持多种以太网方案

支持多种编码器接口协议

工业自动化对电机的控制精度要求十分严格，不同的应用场景需要应用不同的编码器规格，不同的编码器都需要对应的一套编码器解码外设，而i.MX RT1180可以通过灵活的FLEXIO外设模拟各种各样的编码器接口，仅仅需要四个引脚即可模拟市面上绝大部分的编码器协议，能够方便客户节省成本与硬件设计资源，达到一套硬件电路适配多种编码器的功能。

总结与展望

i.MX RT1180支持多种工业网路总线 (TSN、EtherCAT、Profinet等)，最高支持单芯片四电机控制的外设资源，多种多样的外部存储接口与通讯外设接口，主频高达800MHz的M7核能够及时完成繁重的电机处理任务，可以说该芯片非常适合工业自动化领域。

i.MX RT1180已加入恩智浦长期供货计划，承诺供货至少15年，让客户后顾无忧。

本文作者

陶楷文 (Kevin Tao)，恩智浦半导体MCU系统应用工程师，他专注于i.MX RT及DSC系列电机控制应用领域，凭借在系统应用工程师团队的丰富经验，为客户提供了多种多样的电机控制相关解决方案。