步進(jìn)電機(jī)由于驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、高效實(shí)用，常作為機(jī)床或生產(chǎn)線的輔助設(shè)備，在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用。工業(yè)領(lǐng)域中多步進(jìn)電機(jī)協(xié)同控制運(yùn)用廣泛，需要運(yùn)用多步進(jìn)電機(jī)控制生產(chǎn)高精度產(chǎn)品的場(chǎng)景也越來(lái)越多，如精密雕刻設(shè)備、汽車生產(chǎn)流水線以及印刷設(shè)備等。所用的電機(jī)組群多為分散且距離較遠(yuǎn)，為了能夠保證設(shè)備達(dá)到預(yù)期效果，系統(tǒng)同步性能直接影響產(chǎn)品的價(jià)值。工業(yè)以太網(wǎng)的迅速發(fā)展加快了自動(dòng)化生產(chǎn)線的升級(jí)，改變了驅(qū)動(dòng)設(shè)備的控制和連接方式，使之朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

由于傳統(tǒng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器之間的協(xié)調(diào)多用一對(duì)一的脈沖模式，該模式控制線路復(fù)雜并且自動(dòng)糾錯(cuò)與抗干擾能力都比較弱，不能適應(yīng)于條件惡劣的工業(yè)環(huán)境與自然環(huán)境。目前多步進(jìn)電機(jī)協(xié)同控制主要采用RS485 和CAN 總線進(jìn)行通信，但是存在傳輸速度低、傳輸距離短和同步誤差大等問(wèn)題。

在此背景下，工業(yè)以太網(wǎng)式多軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)運(yùn)而生，可以有效地響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器件的發(fā)展需求。軟硬件資源的豐富性、協(xié)議的開(kāi)放性推動(dòng)著工業(yè)以太網(wǎng)不斷延伸至工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)層。加之工業(yè)以太網(wǎng)對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)總線足夠高的帶寬，技術(shù)的日益完善，構(gòu)建基于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)的運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)，形成一個(gè)自上而下相互連通，完全透明的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)下全球發(fā)展的熱點(diǎn)。

其中由德國(guó)倍福公司最初研發(fā)的一種新型工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，EtherCAT，目前正在全球范圍內(nèi)迅速發(fā)展。EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)因其適用于幾乎所有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚俑咝院蛯?duì)于開(kāi)發(fā)者簡(jiǎn)單的系統(tǒng)配置，在數(shù)據(jù)鏈路層提供獨(dú)立的過(guò)程數(shù)據(jù)傳輸通道，顯著提升的系統(tǒng)實(shí)時(shí)性等明顯優(yōu)勢(shì)正在逐漸得到包括多軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在內(nèi)的工業(yè)控制領(lǐng)域越來(lái)越多的應(yīng)用。

▲EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)工作原理圖

基于碼靈半導(dǎo)體CF1106型號(hào)ESC芯片開(kāi)發(fā)的多軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用方案將已經(jīng)發(fā)展較為成熟的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行集成化，實(shí)現(xiàn)多軸合驅(qū)，并與實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同控制、成本低廉、可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)多軸步進(jìn)電機(jī)。通過(guò)組建基于CF1106型號(hào)ESC芯片的EtherCAT以太網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，改善了傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的不足，把傳統(tǒng)的脈沖傳送改為智能型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送并具有數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)和重發(fā)機(jī)制等糾錯(cuò)功能，適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展方向。

方案的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)

方案板搭載了碼靈半導(dǎo)體自主研發(fā)的CF1106型號(hào)ESC芯片，內(nèi)部集成了2個(gè)電流型PHY，顯著減少了對(duì)外部元件的依賴，從而有效降低了客戶的元器件成本；深入考慮了工業(yè)環(huán)境的苛刻要求，確保產(chǎn)品能在-40℃至+85℃的寬泛工作溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，完全符合標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)工作溫度范圍-40℃至+85℃；板載超靜音電機(jī)驅(qū)動(dòng)，既安靜又具有較低的發(fā)熱量；一體設(shè)計(jì)，體積小，節(jié)省空間，便于安裝調(diào)試，集成度高。提高產(chǎn)品落地效率。

▲碼靈半導(dǎo)體EtherCAT多軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方案框圖

硬件選型和產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)效率及產(chǎn)品的性能密切相關(guān)，為使本方案設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器成本低、可靠性高、體積小，并且能在較短的時(shí)間內(nèi)研制完成。在硬件選型中碼靈半導(dǎo)體嚴(yán)格遵循以下幾個(gè)原則：功能上滿足要求，集成度高，提高可靠性，減少硬件軟件開(kāi)發(fā)的復(fù)雜程度；性價(jià)比高，在功能上滿足要求的前提下，盡量采用較低價(jià)格的元器件，而且容易采購(gòu)到，以保證將來(lái)批量生產(chǎn)時(shí)的訂貨；可靠性高，考慮到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期使用，需要經(jīng)受惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，元器件均使用工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。

為此，碼靈半導(dǎo)體借助自研的CF1106型號(hào)ESC芯片，再外加一些輔助器件即可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精確控制。

采用CF1106芯片作為EtherCAT 通信模塊，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制指令的EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)傳輸。一方面實(shí)現(xiàn)了與 EtherCAT 主站之間的通信數(shù)據(jù)交互功能，既可以接收主站下發(fā)的讀寫本地寄存器的操作指令和輸入數(shù)據(jù)，又可以將本地寄存器中存儲(chǔ)的參數(shù)信息和輸出數(shù)據(jù)上傳到主站；另一方面可以根據(jù)主站下發(fā)的控制指令和過(guò)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新本地的輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)。

▲碼靈半導(dǎo)體CF1106產(chǎn)品結(jié)構(gòu)框圖

碼靈半導(dǎo)體CF1106型號(hào)ESC芯片在EtherCAT多軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：

Beckhoff官方授權(quán)ESC，滿足ETG一致性測(cè)試要求； 內(nèi)置2個(gè)電流型PHY（兼容100BASE-TX），具有抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)完整性高和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)； 內(nèi)置8個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線內(nèi)存管理單元（FMMU）、8個(gè)同步管理器（SM）、8KB雙端口存儲(chǔ)器 (DPRAM)和1個(gè)64位分布式時(shí)鐘（DC）； 多種數(shù)據(jù)接口（PDI）可選：數(shù)字I/O，SPI和8/16 位uC接口； 兩種封裝可選：QFN64L(9x9mm)、QFN88L(10x10mm)； 滿足工業(yè)溫度范圍：-40℃~85℃。

同時(shí)碼靈半導(dǎo)體搭建了由脈沖信號(hào)發(fā)生器、驅(qū)動(dòng)器、混合式步進(jìn)電機(jī)、磁編碼器、示波器和信號(hào)采集器等組成的多軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器整體測(cè)試平臺(tái)，對(duì)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行穩(wěn)定性和運(yùn)行精度等性能指標(biāo)、EtherCAT 通信功能進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，本驅(qū)動(dòng)器在低頻下能夠平穩(wěn)運(yùn)行，在高頻時(shí)能夠保持良好的輸出力矩，具有較低的振動(dòng)和噪聲，并具備EtherCAT高實(shí)時(shí)性。本方案既發(fā)揮了步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，又降低了開(kāi)發(fā)成本，并可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)設(shè)備互聯(lián)互通，尤其適用于高實(shí)時(shí)性、高精度、多節(jié)點(diǎn)控制要求的領(lǐng)域。

目前基于碼靈半導(dǎo)體CF1106型號(hào)ESC芯片開(kāi)發(fā)的EtherCAT多軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用方案已經(jīng)在不同工程中實(shí)現(xiàn)，且實(shí)現(xiàn)都比較方便，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

隨著工業(yè)自動(dòng)化和控制、電信、電力、測(cè)試與測(cè)量、分布式的網(wǎng)絡(luò)傳感器系統(tǒng)等對(duì)高精度的實(shí)時(shí)調(diào)度和控制要求越來(lái)越高，多軸步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)在協(xié)同控制方面將發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。基于碼靈半導(dǎo)體CF1106型號(hào)ESC芯片開(kāi)發(fā)的EtherCAT多軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器參考應(yīng)用方案，旨在為客戶提供性能卓越、高效且易于集成的解決方案。碼靈半導(dǎo)體步進(jìn)電機(jī)實(shí)時(shí)控制技術(shù)團(tuán)隊(duì)提供全方位的技術(shù)支持，可助力客戶快速響應(yīng)市場(chǎng)變化，實(shí)現(xiàn)更多領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。