首颗获得EtherCAT官方授权的国产RISC-V MCU发布!适用于伺服控制和机械臂场景

发布时间:2024-07-3 阅读量:7506 来源: 我爱方案网 作者: bebop

EtherCAT(用于控制自动化技术的以太网)是由德国倍福公司(Beckhoff) 开发, EtherCAT技术协会监管,用于工业自动化应用设备、传感器和可编程逻辑控制器 (PLC))的实时工业以太网标准,适用于自动化工厂网络中的所有设备:如自动化控制器、操作员界面、远程输入/输出单元、传感器、传动器、伺服驱动器等。 

一般来说,一个EtherCAT网络,由一个主站(Master)与多个从站(Slave)所组成,就如同下面的架构图所示,一个网络中只能有一个主站,由这个主站负责跟所有的从站沟通,不同于传统的通信协议,比如Modbus/TCP是属于一问一答的方式,会造成网络数据包的增加,数据延迟也较长,这就像是传统的小吃摊面店一样,老板跑进跑出又要煮菜又要端菜,效率很低。

图:EtherCAT网络架构图(来源:研华科技)

EtherCAT是一个环状的网络,类似回转寿司的概念。EtherCAT主站发送一个报文,报文经过所有节点。EtherCAT从站设备高速动态地(on the fly)读取寻址到该节点的数据,并在数据帧继续传输的同时插入数据。这样数据帧的传输延时只取决于硬件传输延时。当某一网段,或者分支上的最后一个节点检测到开放端口(无下一个从站)时,利用以太网技术的全双工特性,将报文返回给主站。EtherCAT 报文的最大有效数据利用率达 90% 以上,而由于采用全双工特性,有效数据利用率理论上高于 100 MBit/s。

图:EtherCAT的运行原理(来源:EGT)

当前市面上EtherCAT从站方案多是由欧美原厂推出,传统的是倍福ET1100这类芯片,这类方案需要主控+ESC+PHY,成本比较高,可以说已经无法适应国内通用产品的竞争节奏。第二种就是集成了PHY的ESC方案,如LAN925、AX58100这类,这类集成了phy,成本相对降低。第三种就是瑞萨n2l、英飞凌这类方案,主控集成了ESC,性能优势稳步提高。
这几年国内EtherCAT芯片技术也是发展迅速。近日,先楫半导体发布中国首款拥有德国倍福公司(Beckhoff)正式授权 EterhCAT 从站控制器 (ESC: EtherCAT Slave Controller) 的高性能MCU产品HPM6E00系列,将国产高性能MCU在工业领域的应用推向新高度。
先楫半导体HPM6E00系列产品实现了高性能MCU与高实时性、低延时工业以太网的完美结合,具备高性能运动控制、高实时工业以太网互联的特性、 提供RISC-V 双核,多达3端口的千兆以太网交换机,支持多种工业以太网协议和时间敏感网络 (TSN: Time-Sensitive Networking),支持32 路高分辨率 PWM 输出、16位ADC、Σ∆ 数字滤波,带有专业的编码器管理模块、灵活的外部总线和敏捷的硬件电流环功能,在高精度运动控制系统中具备得天独厚的优势。

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HPM6E00产品性能





CPU性能:


主频 600 MHz,RISC-V 双核, 片上内存可达 2 MB。


实时以太网系统:
• 千兆以太网交换机,支持多达 3 个外部端口和 1 个内部端口,支持时间敏感网络。
• EtherCAT 从站控制器,支持多达 3 个端口。
增强运动控制系统:
• 4 个 8 通道增强型 PWM 控制器,PWM 调制精度高达 100ps。
• 多种运动传感器接口,包括增量式和绝对值位置传感器接口,旋转变压器接口和磁编码器接口。
• 脉冲式位置输出接口和绝对值位置输出接口。
• 运动和位置控制单元。
• 硬件空间矢量变换和闭环控制单元。
• 可编程逻辑单元 PLB
电源系统:
• 集成高效率 DCDC 转换器和 LDO, 支持系统单电源供电,可动态调节输出电压实现性能-功耗平衡,兼顾了电源的灵活性,易用性和效率。
• 多电源域设计,灵活支持各种低功耗模式。
• 超低功耗待机。
丰富外设:
• 多种通讯接口:1 个内置 PHY 的高速 USB,多达 8路 CAN/CAN-FD,以及丰富的 UART、SPI、I2C 等外设。
• Σ∆ 数字滤波 SDM,包含 SINC 数字滤波器,可外接Σ∆ 调制器。
• 4 个 2MSPS 16 位高精度 ADC,配置为 12 位精度时转换率可达 4MSPS,多达 32 个模拟输入通道;8 个模拟比较器。
• 多达 20 路 32 位定时器,5 个看门狗和 RTC。
• 2 个 8 通道 I2S 和数字麦克风。


HPM6E00开发板



HPM6E00开发板现已全面开售,在先楫半导体官网可购买,售价¥498

HPM6E00EVK提供双百兆网口,实现ESC功能,RGMII千兆网口,CAN接口,音频接口,sigma-detal 转换接口,HS USB接口以及标准的电机接口可以适配先楫的电机驱动板。同时HPM6E00EVK的FEMC/PPI插槽,方便用户实现各类总线接口,并默认提供FEMC/PPI子板,可以实现SDRAM和并口的ADC采样功能。此外,还提供树莓派接口以及板载的调试接口可以方便用户进行调试,同时也提供标准的JTAG接口供用户选择。


应用案例




驱控一体多轴伺服驱动器


Samkoon M9是一款模块化可扩展EtherCAT总线伺服驱动器,整流模块支持3-5KW,逆变模块支持400W-750W单双轴以及1500W单轴输出,支持内置抱闸继电器,支持TYPE-C USB调试接口,配合上位机可以实现伺服参数的快速导出导入及曲线波形监视。M9系列伺服以完全国产自主的RISC-V内核的HPM6E80处理器为主控芯片,HPM6E80为双核处理器,每个核主频高达 600MHZ,具有丰富的外设,采用单颗芯片方案即可实现EtherCAT总线伺服系统的应用。


方案优势:

  • 模块化设计,可扩展EtherCAT总线PLC及总线模块。

  • 逆变轴共母线,能量回馈与能量消耗形成动态平衡,节省电能。

  • 体积小,功率密度高,4轴节省25%空间,6轴节省35%空间。

  • 内置MOS控制抱闸通断,抱闸接线更简单。

  • 优化硬件设计,多轴伺服漏电流小。

  • 可搭配EtherCAT总线PLC模块,多轴驱动和驱控一体同时覆盖。

  • EtherCAT采用单芯片实现,稳定性更好,成本更优。

  • 电流环刷新频率64KHZ,速度环带宽3.1KHZ。


合作伙伴:深圳显控科技股份有限公司


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