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

▲典型伺服系統(tǒng)組成結(jié)構圖

01

伺服電機驅(qū)動器：運動控制系統(tǒng)的“心臟”

伺服驅(qū)動器作為運動控制系統(tǒng)的驅(qū)動層和“心臟”，一般通過位置、速度和力矩三種方式對伺服電機進行控制，實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位。

驅(qū)動器接收控制信號并將其轉(zhuǎn)化為能夠運行電機的電流、電壓信號，進而驅(qū)動電機（執(zhí)行層）運轉(zhuǎn)，帶動工作機械運行，最終實現(xiàn)機械運動高速、高精度的位移（角度）、速度、力矩控制。

▲典型伺服驅(qū)動器工作機制圖

目前伺服驅(qū)動系統(tǒng)已廣泛應用于工業(yè)自動化生產(chǎn)中，比如機械手、CNC 數(shù)控機床、工業(yè)機器人等領域，已經(jīng)成為工業(yè)自動化的重要支撐技術之一。根據(jù)格物致勝數(shù)據(jù)，2023年我國工業(yè)自動化市場規(guī)模約為2601億元。其中伺服系統(tǒng)市場規(guī)模超過203億元，到2026年將達到216億元。

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

02

基于EtherCAT的伺服驅(qū)動系統(tǒng)

隨著工業(yè)4.0和中國制造2025概念的陸續(xù)提出，工業(yè)自動化領域的伺服驅(qū)動系統(tǒng)趨于網(wǎng)絡化和智能化，大多數(shù)伺服驅(qū)動系統(tǒng)都采用了總線通信方式，實現(xiàn)復雜的運動控制功能。

傳統(tǒng)的伺服驅(qū)動系統(tǒng)由于缺乏網(wǎng)絡通信功能、開放性不強、擴展性差、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技術快速發(fā)展，EtherCAT技術被廣泛應用于各種復雜的控制系統(tǒng)中，構成網(wǎng)絡化實時運動控制系統(tǒng)結(jié)構，并具備良好的網(wǎng)絡結(jié)構和人機交互功能，已成為伺服驅(qū)動領域發(fā)展的主流。

基于 EtherCAT伺服運動控制使得網(wǎng)絡伺服運動控制系統(tǒng)實時性更高（100個伺服軸的通訊僅需100us 就可為所有軸所需的參數(shù)，同時還能報告其狀態(tài)參數(shù)），拓撲結(jié)構更加靈活，可擴展性更好，安全性更高；同時有利于企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)網(wǎng)絡與管理系統(tǒng)網(wǎng)絡的結(jié)合，提高現(xiàn)代制造的管理水平，改造升級現(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)絡資源，有助于降低網(wǎng)絡運動控制系統(tǒng)成本。EtherCAT技術具有帶寬利用率高、兼容性好、可靠性高、抗干擾性強、拓撲靈活等優(yōu)勢特點，使其在工控界迅速普及，各家廠商紛紛推出了基于EtherCAT技術的伺服產(chǎn)品。

EtherCAT技術在伺服驅(qū)動控制領域的應用優(yōu)勢包括：

1）節(jié)點與節(jié)點之間只要網(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，網(wǎng)口是隔離的，整個弱電控制板的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）方便上位機遠程診斷和維護電氣系統(tǒng)，預測性維護也更方便。

基于EtherCAT實時通信的伺服電機驅(qū)動控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：工控機、伺服驅(qū)動器、EtherCAT總線、編碼器、伺服電機。

▲典型EtherCAT伺服驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構圖

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

2）伺服驅(qū)動器作為EtherCAT從站，接受編碼器所采集的電機參數(shù)，然后與主站進行數(shù)據(jù)交互，將相應數(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)動伺服電機；

3）EtherCAT總線將工控機與伺服驅(qū)動器連接起來，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位置、速度參數(shù)，并反饋給伺服驅(qū)動器，以便主站讀取；

5）伺服電機采用矢量控制等方式，由其伺服驅(qū)動器實現(xiàn)控制，以帶動相應軸系運轉(zhuǎn)。

整個EtherCAT伺服電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的重點在于EtherCAT主從站的實現(xiàn)：主站采用基于PC的方式實施，由工控機配置實現(xiàn)相應功能；從站直接采用EtherCAT伺服驅(qū)動器，已包含從站處理硬件，可通過相關配置實現(xiàn)從站通信和電機驅(qū)動功能。

基于EtherCAT的多軸伺服驅(qū)動器從站硬件構架的主要組成部分包括網(wǎng)絡通信接口、EEPROM 存儲電路、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)動器結(jié)構圖

EtherCAT從站控制器用于實現(xiàn)EtherCAT協(xié)議的實現(xiàn)以及數(shù)據(jù)幀的處理工作，是整個從站實現(xiàn)EtherCAT通信的核心。EtherCAT伺服從站控制器有3個主要接口，通過 RJ45 與主站或者是其他從站相連，構成不同的拓撲結(jié)構,也是通過網(wǎng)線進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布涌冢煌ㄟ^EEPROM存儲從站設備文件信息，主站從中讀取從站信息，識別并設置從站；通過 PDI(物理數(shù)據(jù)接口)與微處理器進行數(shù)據(jù)交換。

03

碼靈半導體EtherCAT伺服驅(qū)動器解決方案

碼靈半導體CF1106系列芯片在EtherCAT伺服驅(qū)動器中的應用優(yōu)勢：

CF1106系列芯片包含8個FMMU(現(xiàn)場總線內(nèi)存管理單元) 負責實現(xiàn)從邏輯地址到物理地址的映射，8個SyncManager(同步管理器) 可以由用戶配置方向，負責 EtherCAT 工作模式的選擇和相關通信數(shù)據(jù)的訪問管理，8KB的雙端口存儲器 (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，組成復雜EtherCAT從站；支持64 位分布式時鐘，分布時鐘引腳與MCU的中斷引腳連接，實現(xiàn)多個伺服從站控制任務與輸入采樣的同步；通過I2C接口連接EEPROM存儲器，存儲從站設備描述信息。CF1106系列芯片內(nèi)部集成2個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自動協(xié)商、Auto-MDIX自動交叉識別，可使用直連或交叉線纜。對于工業(yè)應用而言，CF1106系列內(nèi)部集成了兩個以太網(wǎng)PHY芯片，有利于系統(tǒng)高度集成，在電路設計過程中，更簡潔布線更容易。

▲ 碼靈半導體CF1106系列芯片結(jié)構框圖

▲ 碼靈半導體CF1106系列芯片實物圖

此外，與其它EtherCAT從站控制芯片相比，CF1106系列價格更低，在后期產(chǎn)品成本控制上，具有更大優(yōu)勢，可以提高產(chǎn)品市場競爭力。

隨著工業(yè)自動化的迅猛發(fā)展，EtherCAT伺服驅(qū)動器作為機電一體技術的關鍵組成部分，將標準以太網(wǎng)的優(yōu)點和工業(yè)自動化的實時性進行有機結(jié)合，兼具高效確定性的通信協(xié)議和更強大的數(shù)據(jù)處理能力適用于對動態(tài)性和精確性要求極高的伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)，降低了自動化設備成本，提高了實時響應速度，順應了工業(yè)自動化發(fā)展趨勢。碼靈半導體提供富有競爭力的EtherCAT芯片助力伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)向開放性、柔性、互聯(lián)性、高速穩(wěn)定性、可靠性、可重構性的方向發(fā)展。