SoC和MCU奋力争夺EtherCAT 伺服应用市场

发布时间：2024-09-12 阅读量：2972 来源: 我爱方案网作者: bebop

摘要：EtherCAT伺服因其出色的高速性能、高效率、兼容性、技术支持、开放性、安全性和低成本实现等优势，在运动控制领域表现尤为出色。EtherCAT可以使用标准的以太网接口实现，无需昂贵的专用硬件，这降低了实施成本。随着EtherCAT ASIC芯片的推出，接口成本进一步降低，使得EtherCAT成为经济高效的解决方案。

支持EtherCAT的SoC采取向下打的策略，突出跑系统的平台优势，整合AI和多媒体显示实现灵活友好的HMI和控制。而EtherCAT的MCU是向上打的策略，在PLC和伺服等单机应用领域更灵活，也方便工程师实现以太网设备互联互通。

目前市面上已经有超过2，600家公司认可了EtherCAT (以太网)控制自动化技术，不少国际芯片大厂相继推出集成EtherCAT协议的产品。

国内IC原厂也在积极推出EtherCAT主从站控制器芯片。其中，瑞芯微推出针对EtherCAT总线进行专项优化的SoC产品——RK3506；先楫半导体推出了中国首款拥有德国倍福公司（Beckhoff）正式授权EtherCAT从站控制器(ESC, EtherCAT Slave Controller) 的高性能MCU产品 HPM6E00系列。

瑞芯微RK3506支持多种协议，并针对EtherCat总线进行了专项优化，可用于周期时间低至微秒级的实时应用，非常适合PLC主站控制场景，通过SoC多余资源实现主站控制，可大幅度降低硬件成本，提升控制系统的实时性。实现管理层级与传感器/执行器层级之间高效可靠通信。

先楫HPM6E00系列适用于PLC从站控制器场景，内置支持3端口的EtherCAT从站控制器和千兆以太网交换机，具有32通道的PWM模块、2套硬件环路控制系统、4套精确位置系统等资源。

图：EtherCAT网络架构图（来源：研华科技）

我们推荐瑞芯微RK3506和先楫HPM6E00二款芯片，它们是我爱方案网合作方案商验证的易用且高性价比产品。工程师可参照数据设计并开发低成本、高性能的EtherCAT PLC方案：

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瑞芯微RK3506

瑞芯微RK3506具备1.5GHZ高主频，实现高性能的同时，具备更低的功耗，为工业控制产品稳定可靠的执行提供坚实的基础。同时瑞芯微RK3506支持高性能DDR3存储器，在存储器性能与抖动抑制方面实现极大的优化。为了实现工业实时以太网EtherCAT与标准以太网TCP/IP通讯同时运行，瑞芯微RK3506设计了2个独立的高性能百兆以太网MAC单元，经过长时间验证，通讯效率与稳定性非常高。

EtherCAT总线专项优化，实时性能强

在伺服控制方面，瑞芯微RK3506支持EtherCat和CODESYS协议，可以通过以太网连接多个伺服驱动从站，可以精确控制伺服电机；1ms控制周期linnux系统抖动<70us；瑞芯微还提供专用实时网卡驱动，进一步提升实时控制效率，实测延时抖动性能达到10%以内（控制周期为1ms）。

支持AMP多系统方案

AMP（非对称多处理）是一种计算系统架构，指的是多核处理器中的每个核可以独立工作，并执行不同的任务或运行不同的操作系统。这种特性提升了系统的灵活性和效率，非常适合需要高实时性和特定任务处理的应用场景。

瑞芯微RK3506支持Rockchip平台异构多系统AMP（非对称多核架构）的开发软件包，支持Linux、RTOS、Bare-metal组合的AMP系统架构，实现微秒级中断响应延迟（<5us），同时提供提供标准RPMsg核间通信方案。可以满足一些特定行业应用，如电力物联网、电网继电保护、电力系统安全控制、工业自动化的需求。

先楫HPM6E00

HPM6E00系列是国内首款拥有德国倍福公司正式授权的EtherCAT从站控制器的高性能MCU产品，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端口千兆以太网路由模块，支持多种工业以太网协议和时间敏感网络 (TSN: Time-Sensitive Networking)，普遍适用于高性能伺服电机控制、机器人运动控制、数据传输系统和监控系统等场景。

内置高速实时以太网系统

为了支持工业设备间的高速通信，先楫HPM6E00系列MCU配有高性能的实时以太网系统，包括正版的EtherCAT从站控制器，一共支持3个端口，其中HPM6E80还支持一个TSN交换机，可以支持3个外部端口和一个内部端口，以及一个千兆以太网MAC控制器。

先楫将EtherCAT从站控制器集成在了芯片上，因此，它的PDI（Process Data Interface）集成在了芯片内部，通过高速的系统总线相连接，支持HPM6E00系列的CPU与DMA之间的通信，相比通过SPI口，或者并口来外扩的独立式的从站控制器来说，使用系统总线来连接PDI接口，可以获得更加高速的访问效率。

增强运动控制控制

在运动控制方面，HPM6E00系列同时配备精确位置电动控制系统，硬件坐标轴变换和环路计算模块，以及32路100ps高分辨率PWM输出，满足最高性能的电机控制要求。

HPM6E00还配有4套可编程的SEI串行编码器接口，用户可以实现自定义的编码器接口，且仅需简单配置软件，就可实现适配市面上各类的，各个厂家的位置传感器，包括多摩川协议、BiSS-C协议、以及EnDat 2.2协议等。

除了MCU外，先楫还推出了与HPM6E00系列MCU配套的开发套件—HPM6E00EVK和SDK，更方便工程师设计开发相应方案。

具体参数方面，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。

驱控一体多轴伺服驱动器方案

该方案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。

系统框图：

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。

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