伺服系統(tǒng)是指以位置、速度、轉(zhuǎn)矩為控制量，能夠動(dòng)態(tài)跟蹤目標(biāo)變化從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的系統(tǒng)，主要包括伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)和編碼器，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化精密制造和柔性制造的核心技術(shù)。

▲典型伺服系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

01

伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的“心臟”

伺服驅(qū)動(dòng)器作為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)層和“心臟”，一般通過位置、速度和力矩三種方式對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位。

驅(qū)動(dòng)器接收控制信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為能夠運(yùn)行電機(jī)的電流、電壓信號(hào)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)（執(zhí)行層）運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)工作機(jī)械運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)高速、高精度的位移（角度）、速度、力矩控制。

▲典型伺服驅(qū)動(dòng)器工作機(jī)制圖

目前伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中，比如機(jī)械手、CNC 數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域，已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)化的重要支撐技術(shù)之一。根據(jù)格物致勝數(shù)據(jù)，2023年我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)規(guī)模約為2601億元。其中伺服系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模超過203億元，到2026年將達(dá)到216億元。

▲ 2020-2026E中國(guó)伺服系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模及發(fā)展趨勢(shì)（數(shù)據(jù)來源：格物致勝）

02

基于EtherCAT的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

隨著工業(yè)4.0和中國(guó)制造2025概念的陸續(xù)提出，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)趨于網(wǎng)絡(luò)化和智能化，大多數(shù)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都采用了總線通信方式，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制功能。

傳統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于缺乏網(wǎng)絡(luò)通信功能、開放性不強(qiáng)、擴(kuò)展性差、系統(tǒng)兼容性差等條件的限制，已很難滿足現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展需求。近年來，隨著工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT技術(shù)快速發(fā)展，EtherCAT技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并具備良好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和人機(jī)交互功能，已成為伺服驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域發(fā)展的主流。

基于 EtherCAT伺服運(yùn)動(dòng)控制使得網(wǎng)絡(luò)伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性更高（100個(gè)伺服軸的通訊僅需100us 就可為所有軸所需的參數(shù)，同時(shí)還能報(bào)告其狀態(tài)參數(shù)），拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加靈活，可擴(kuò)展性更好，安全性更高；同時(shí)有利于企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，提高現(xiàn)代制造的管理水平，改造升級(jí)現(xiàn)代制造業(yè)；通過充分使用豐富的PC硬/軟件資源和低成本且可共享的網(wǎng)絡(luò)資源，有助于降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)成本。EtherCAT技術(shù)具有帶寬利用率高、兼容性好、可靠性高、抗干擾性強(qiáng)、拓?fù)潇`活等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，使其在工控界迅速普及，各家廠商紛紛推出了基于EtherCAT技術(shù)的伺服產(chǎn)品。

EtherCAT技術(shù)在伺服驅(qū)動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)包括：

1）節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間只要網(wǎng)線連接，系統(tǒng)電氣柜配線非常方便；

2）系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，網(wǎng)口是隔離的，整個(gè)弱電控制板的EMC特性好；

3）EtherCAT 初始化完成就可以直接讀取所有從站軸的編碼器位置；

4）SDO可以在線讀取與修改各軸的參數(shù)與增益，軸參數(shù)調(diào)試更方便；

5）可以選擇不同的 PDO數(shù)據(jù)內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)位置轉(zhuǎn)矩速度控制，CSP(周期位置)ICSV(周期速度)/CST(周期轉(zhuǎn)矩)可以自由切換；

6）方便上位機(jī)遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)電氣系統(tǒng)，預(yù)測(cè)性維護(hù)也更方便。

基于EtherCAT實(shí)時(shí)通信的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：工控機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、EtherCAT總線、編碼器、伺服電機(jī)。

▲典型EtherCAT伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1）工控機(jī)配置為基于PC機(jī)的EtherCAT 主站，周期性接受從站上傳位置、速度等參數(shù)，并做相應(yīng)的閉環(huán)運(yùn)算，然后下發(fā)參考電流或轉(zhuǎn)矩給從站；

2）伺服驅(qū)動(dòng)器作為EtherCAT從站，接受編碼器所采集的電機(jī)參數(shù)，然后與主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，將相應(yīng)數(shù)據(jù)由EtherCAT總線周期性傳給主站，并接受主站下發(fā)數(shù)據(jù)和控制命令，并驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)；

3）EtherCAT總線將工控機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)器連接起來，作為主從站數(shù)據(jù)通信通道，使用100BASE-TX的5類雙絞網(wǎng)線等為其傳輸介質(zhì)；

4）編碼器周期快速采集電機(jī)位置、速度參數(shù)，并反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器，以便主站讀?。?/p>

5）伺服電機(jī)采用矢量控制等方式，由其伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)控制，以帶動(dòng)相應(yīng)軸系運(yùn)轉(zhuǎn)。

整個(gè)EtherCAT伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的重點(diǎn)在于EtherCAT主從站的實(shí)現(xiàn)：主站采用基于PC的方式實(shí)施，由工控機(jī)配置實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能；從站直接采用EtherCAT伺服驅(qū)動(dòng)器，已包含從站處理硬件，可通過相關(guān)配置實(shí)現(xiàn)從站通信和電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能。

基于EtherCAT的多軸伺服驅(qū)動(dòng)器從站硬件構(gòu)架的主要組成部分包括網(wǎng)絡(luò)通信接口、EEPROM 存儲(chǔ)電路、EtherCAT從站控制器、主控微處理器及外圍電路等。

▲典型EtherCAT伺服驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖

EtherCAT從站控制器用于實(shí)現(xiàn)EtherCAT協(xié)議的實(shí)現(xiàn)以及數(shù)據(jù)幀的處理工作，是整個(gè)從站實(shí)現(xiàn)EtherCAT通信的核心。EtherCAT伺服從站控制器有3個(gè)主要接口，通過 RJ45 與主站或者是其他從站相連，構(gòu)成不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),也是通過網(wǎng)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布涌?；通過EEPROM存儲(chǔ)從站設(shè)備文件信息，主站從中讀取從站信息，識(shí)別并設(shè)置從站；通過 PDI(物理數(shù)據(jù)接口)與微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

03

碼靈半導(dǎo)體EtherCAT伺服驅(qū)動(dòng)器解決方案

碼靈半導(dǎo)體CF1106系列芯片在EtherCAT伺服驅(qū)動(dòng)器中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：

CF1106系列芯片包含8個(gè)FMMU(現(xiàn)場(chǎng)總線內(nèi)存管理單元) 負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)從邏輯地址到物理地址的映射，8個(gè)SyncManager(同步管理器) 可以由用戶配置方向，負(fù)責(zé) EtherCAT 工作模式的選擇和相關(guān)通信數(shù)據(jù)的訪問管理，8KB的雙端口存儲(chǔ)器 (DPRAM)用于存放數(shù)據(jù)；支持三種PDI(過程數(shù)據(jù)接口)接口：支持32位 Digital I/O、SPI 從站接口、8/16位異步微控制器接口（μC8/16），作為從站控制器和應(yīng)用之間的數(shù)據(jù)接口；其中SPI與μC8/16方式用于連接外部微處理器，組成復(fù)雜EtherCAT從站；支持64 位分布式時(shí)鐘，分布時(shí)鐘引腳與MCU的中斷引腳連接，實(shí)現(xiàn)多個(gè)伺服從站控制任務(wù)與輸入采樣的同步；通過I2C接口連接EEPROM存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)從站設(shè)備描述信息。CF1106系列芯片內(nèi)部集成2個(gè)10M/100Mbps以太網(wǎng)PHY，兼容IEEE 802.3u 100Base-TX、100Base-FX（僅電壓型PHY支持光纖），支持Auto-Negotiation自動(dòng)協(xié)商、Auto-MDIX自動(dòng)交叉識(shí)別，可使用直連或交叉線纜。對(duì)于工業(yè)應(yīng)用而言，CF1106系列內(nèi)部集成了兩個(gè)以太網(wǎng)PHY芯片，有利于系統(tǒng)高度集成，在電路設(shè)計(jì)過程中，更簡(jiǎn)潔布線更容易。

▲ 碼靈半導(dǎo)體CF1106系列芯片結(jié)構(gòu)框圖

▲ 碼靈半導(dǎo)體CF1106系列芯片實(shí)物圖

此外，與其它EtherCAT從站控制芯片相比，CF1106系列價(jià)格更低，在后期產(chǎn)品成本控制上，具有更大優(yōu)勢(shì)，可以提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

隨著工業(yè)自動(dòng)化的迅猛發(fā)展，EtherCAT伺服驅(qū)動(dòng)器作為機(jī)電一體技術(shù)的關(guān)鍵組成部分，將標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)和工業(yè)自動(dòng)化的實(shí)時(shí)性進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，兼具高效確定性的通信協(xié)議和更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力適用于對(duì)動(dòng)態(tài)性和精確性要求極高的伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，降低了自動(dòng)化設(shè)備成本，提高了實(shí)時(shí)響應(yīng)速度，順應(yīng)了工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)。碼靈半導(dǎo)體提供富有競(jìng)爭(zhēng)力的EtherCAT芯片助力伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)向開放性、柔性、互聯(lián)性、高速穩(wěn)定性、可靠性、可重構(gòu)性的方向發(fā)展。