電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李彎彎）近年來，國內(nèi)伺服市場增長迅速，2018底國內(nèi)伺服銷售規(guī)模1200萬臺，銷售額約120億人民幣，國內(nèi)伺服品牌市場占有率達到20%，約240萬臺。隨著“中國制造2025”的不斷推進，中國的伺服驅(qū)動市場每年保持20%以上增長。

伺服應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，主要包括數(shù)控機床、多關(guān)機機器人、鋰電池制造設(shè)備、LED晶圓設(shè)備、3C制造設(shè)備、雕琢/切割機、紡織機械、食品與包裝設(shè)備、朔料機械等。在日前由電子發(fā)燒友網(wǎng)主辦的《2020年第三屆無刷直流電機控制技術(shù)在線研討會》上，中電港銷售經(jīng)理王炳興就伺服技術(shù)的最新發(fā)展趨勢和方案做了精彩分享。

圖：中電港銷售經(jīng)理王炳興先生

據(jù)王炳興先生介紹，目前伺服技術(shù)主要有兩大發(fā)展趨勢：一是傳統(tǒng)的伺服市場以脈沖，CAN總線為主，隨著智能制造技術(shù)要求的提升，EtherCAT總線開始成為新一代的技術(shù)，逐步取代CAN總線，未來的市場占有率會超過50%以上；二是隨著國內(nèi)工業(yè)機器人，高精密設(shè)備等行業(yè)的高速發(fā)展，對于多軸、高性能伺服的需求越來越多。

采用Renesas MCU+Lattice FPGA雙芯片架構(gòu)的方案特點

中電港結(jié)合上述兩大技術(shù)發(fā)展趨勢，推出了高性能伺服驅(qū)動解決方案，該方案采用RenesasMCU+LatticeFPGA雙芯片架構(gòu)，支持Ethercat，支持多軸應(yīng)用。方案的優(yōu)勢是：一、FPGA硬件電流環(huán)，高性能，高精度；二、以最優(yōu)的成本實現(xiàn)單/多軸的應(yīng)用；三、靈活選擇型號搭配不同配置。

圖：高性能伺服驅(qū)動解決方案優(yōu)勢（紅色部分為DEMO板）

王炳興先生詳細(xì)介紹了該方案所選用型號的特點。首先來看RenesasRZ/T1，該系列芯片主核采用的是ARMCortex-R4F，工作主頻從可選300MHz、450MHz、600MHz，支持雙精度浮點運算，最重要的是支持EtherCAT功能，支持編碼器接口。

圖：RenesasRZ/T1系列特點展示

從產(chǎn)品線的型號來看，該系列最大的特點是全系列管腳兼容，可以靈活根據(jù)不同的功能或者主頻選擇不同的型號。為了讓聽眾更明白，王炳興先生進一步介紹，“比如我們現(xiàn)在的方案采用300MHz+EtherCAT功能，如果根據(jù)主頻選擇不同型號，我們還可以選擇主頻450MHz或者600MHz，甚至選擇雙核的版本，EtherCAT也是可選的功能，如果不需要EtherCAT功能，也可以不選。”

再來看LatticeFPGA系列，F(xiàn)PGA采用的是ECP5系列，整個系列是從12K覆蓋到85K的邏輯單元。王炳興先生指出，“為了保持兼容性及可擴展性，該方案選用了封裝完全兼容的25K/45K邏輯單元，選用的封裝式256caBGA，可以靈活的搭配1至4軸的需求，如果客戶需要6軸或者7軸，也可以選擇85K，容量更高。”

高性能Ethercat伺服解決方案系統(tǒng)框圖及優(yōu)勢

從整個伺服解決方案的系統(tǒng)框圖來看，該方案是以Renesas（RZ/T1）和LatticeFPGA(ECP5)作為主控，外圍搭配Renesas接口芯片。FPGA用來做硬件電流環(huán)以及編碼器接口，MCU用來做位置環(huán)、速度環(huán)以及EtherCAT控制，整個方案是采用FPGA硬件電流環(huán)以及EtherCAT總線架構(gòu)的多軸伺服系統(tǒng)，可以實現(xiàn)真正意義的多軸實時控制。

圖：高性能EtherCAT伺服解決方案系統(tǒng)框圖

圖：高性能EtherCAT伺服解決方案詳細(xì)的功能框圖

優(yōu)勢一：電流環(huán)更快速

王炳興先生指出，該方案采用RenesasRZ/T1+LatticeFPGA的最大優(yōu)勢是電流環(huán)更快速。在傳統(tǒng)的方案中，位置環(huán)和速度控制環(huán)算法復(fù)雜，計算緩慢，電流環(huán)控制需要實時、快速更新，要想在單個處理器芯片里兼顧這兩類不同的算法，非常具有挑戰(zhàn)性。而采用雙芯片的架構(gòu)，把電流環(huán)控制放在FPGA里面進行硬件加速，延時和計算時間是快速并確定的，而且FPGA做為協(xié)處理器，還可以分擔(dān)處理器的工作。

優(yōu)勢二：多軸控制

該方案采用FPGA的另一大優(yōu)勢是多軸控制，對比傳統(tǒng)MCU，F(xiàn)PGA在多軸同步控制、電流環(huán)控制、PWM控制和輸出等方面更有優(yōu)勢。

與市面其他伺服方案對比，F(xiàn)PGA方案具有明顯優(yōu)勢。目前市面常見的方案有SOC和DSP：

• 從內(nèi)核來看，RenesasRZ/T1采用的主核是ARMCortex-R4F，SOC一般采用ARMCortex-A9，DSP一般采用C2000；
• 從電流環(huán)控制來看，F(xiàn)GPA和SOC都可以用硬件實現(xiàn)，DSP有快速的電流環(huán)；
• 從主頻來看，F(xiàn)PGA有300MHz、450MHz和600MHz可選，SOC也有667MHz到888MHz可選，DSP受限于架構(gòu)，主頻只能到200MHz。
• 從EtherCAT控制來看，F(xiàn)GPA采用硬核的EtherCAT，更有優(yōu)勢，因為FPGA集結(jié)內(nèi)置EtherCAT，通信更迅速，SOC一般需要購買IPCode，DSP暫時只能外加EtherCAT通信芯片；
• 從電機軸來看，F(xiàn)GPA可以靈活搭配1至4軸，甚至可以選擇不同封裝的型號，達到6軸，SOC本質(zhì)也是FPGA，也可以到1到4軸，而DSP最多只能控制兩個電機，如果要做多軸電機，需要外加芯片，架構(gòu)會完全發(fā)生變化；
• 從開發(fā)難度來看，RenesasRZ/T1+LatticeFPGA分工明確，相對難度更低；
• 從可擴展性和成本來看，RenesasRZ/T1+LatticeFPGA可以靈活選擇不同型號搭配不同方案，可擴展性更有優(yōu)勢，綜合成本也更有優(yōu)勢。

整體而言，RenesasRZ/T1+LatticeFPGA方案在EtherCAT總線、單軸以及多軸的支持、開發(fā)的難易度、可擴展性和成本上相對比較均衡，方案更有優(yōu)勢。

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