直流無刷電機是通過電子控制器實現換向取代傳統帶碳刷的直流電機。常用電機類型多樣，主要可以分為無刷電機和有刷電機。BLDC電機是一種不使用機械換向觸頭(碳刷)的直流電機，而是通過電子控制器實現換向取代傳統帶碳刷的直流電機，所以又被稱為電子式可調速直流電動機或電子式換向直流電機。BLDC電機的轉子是永磁體，通過改變周圍的線圈所產生的磁場的方向使轉子旋轉。通過控制通向線圈的電流方向和大小來控制轉子的旋轉。

▲有刷電機（左）與無刷電機（右）對比（來源：Haredata Electronics）

無刷電機結構的特殊性帶來了諸多優勢：

1）驅動控制算法多樣化，適應不同應用場景：BLDC電機根據多種多樣的應用場景，可以選擇方波、SVPWM、FOC等多種控制算法，實現多樣化控制需求；

2）驅動控制算法壁壘高：BLDG 電機控制用到的參數較多且互為關聯，驅動控制算法比較復雜與其他類型電機相比，其驅動控制算法難度較高；

3）高效率：BLDC電機在較寬的速度段上擁有更高的電機效率，任何速度下其均可以全功率運行；

4）高降噪：BLDC 電機具備高可靠性、低振動、高效率、低噪音、節能降耗的性能優勢，充分契合終端客戶各方面的新興需求。

▲直流無刷電機控制算法對比（來源：峰岹科技）

BLDC電機特點鮮明，可廣泛應用于家電、電動工具、計算機及通信設備、運動出行、工業與汽車等領域，并且持續拓展至服務機器人、智慧手臂等市場。根據Frost & Sullivan 數據，2023年全球BLDC 電機市場規模達2749億元，2020-2023年年復合增速達 22.6%，顯著高于全球電機市場規模增速(7.9%)；其中，2023 年中國BLDC電機市規模達696億元，2020-2023年年復合增速達24.9%，亦顯著高于中國電機市場的11.6%。伴隨 BLDC 電機下游應用場景持續拓展和滲透，Frost& Sullivan預計2028年全球/中國BLDC電機市場規模將達到6869/1946 億人民幣，對應年復合增速為20%/23%；全球/中國 BLDC 電機市場規模占比將從2023年的20%/22%提高至 32%/35%。

在工業控制上，無刷電機驅動系統通常采用RS485通訊協議總線作為一種常規的通信總線。RS485 總線結構因硬件設計簡單、控制方便、成本低廉、通用性強等優點，使得 RS485 總線在工業控制上得到廣泛的應用。然而，RS485總線本身具有總線利用率低、實時性較差等缺點，并且在工業應用中，往往分散控制單元數量較多、分布較遠、工業現場存在各種干擾，這使得RS485總線通信的實時性更加得不到保障。EtherCAT是開放的實時以太網絡通訊協議，最初由德國倍福自動化有限公司研發。EtherCAT為系統的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標準，同時，它還可以降低傳統RS485 總線的使用成本。EtherCAT的具有高精度設備同步，可選線纜冗余和功能性安全協議(SIL3)。2007年9月，EtherCAT正式成為IEC61158 規范，也是IEC/FDIS 61784-2 規范。基于EtherCAT技術實現的無刷直流電機伺服驅動系統在電機控制中可表現出諸多優良的性能，如低噪音、轉矩脈動小、定位準確、低速穩定等。同時，EtherCAT 強大的通信性能保證了無刷直流電機控制的可靠性和實時性。

01

EtherCAT 無刷直流電機驅動系統整體結構

典型EtherCAT 無刷直流電機驅動整個控制系統分為控制層、通信層和執行層。控制層為EtherCAT 主站系統可以由工業 PC 機或其他嵌入式平臺實現，負責控制算法和發送控制指令。通信層主要由EtherCAT 從站控制器組成，負責接收和解析主站發送的控制指令，同時將電機的運動信號插入到EtherCAT 數據幀的相應位置，傳送回主站。在執行層中，微處理器根據從站控制器解析后的控制指令，生成電機運動相應的PWM控制信號，從而驅動電機執行。整個系統采用標準的以太網連接，通過一根網線將主站與第一個驅動器的網絡輸入端口連接，再將第一個驅動器的網絡輸出端口與第二個驅動器的網絡輸入端口連接，以此類推，組成單線型總線結構。值得注意的是，此處的輸入輸出端口指的是 EtherCAT 數據幀從主站傳輸至從站時，數據幀的傳輸方向，而當數據幀到最后一個從站返回后，此前從站的輸入端口就變成輸出端口，輸出端口變為輸入端口。

▲典型EtherCAT無刷直流電機驅動系統整體結構圖

02

EtherCAT無刷直流電機驅動系統從站方案

EtherCAT 從站設備主要由從站控制器和微處理器兩部分構成。EtherCAT從站控制器需要采用專門的芯片,其是 EtherCAT從站模塊實現EtherCAT 通信協議的關鍵。EtherCAT從站控制器主要處理數據鏈路層部分，根據EtherCAT協議對主站發送的報文進行讀取或者插入，通過硬件機制實現主站和從站之間的數據交換。微處理器主要負責應用層部分，通過讀取從站控制器芯片中的控制數據，實現設備控制功能，并采樣設備的控制數據，寫入從站控制器芯片中，供主站讀取。

▲典型EtherCAT無刷直流電機驅動系統從站結構

EtherCAT 從站微處理器

EtherCAT從站微處理器與從站控制器通過PDI接口通信，一方面，微處理器接收從站控制器通過 EtherCAT協議解析過的上位機控制指令，來完成具體的電機控制指令。另一方面，微處理器接收電機的運動信息，通過從站控制器，將這些信息通過 EtherCAT 通信反饋至上位機。EtherCAT報文解析僅與從站控制器有關，而與微處理器的性能無關。因此，在微處理器的選擇上，只要滿足與EtherCAT從站控制器能夠快速進行數據傳輸和滿足電機控制要求即可。

EtherCAT從站控制器

EtherCAT 從站單元的核心是從站控制器(ESC)，EtherCAT數據鏈路層協議和物理層協議完全固化在其中。EtherCAT數據幀的提取和插入完全由數據鏈路層硬件實現，然后通過從站控制器內部的數據儲存區與EtherCAT主站進行數據交換。系統控制周期由主站發起，主站發出下行報文，數據遍歷所有的電機從站設備，每個電機從站設備中的從站控制器在數據幀經過時分析尋址到本機的報文，根據報文頭中的命令將相應的數據存儲到內部存儲區或將相應的數據從內部存儲區寫入到報文中指定位置。整個過程會產生幾納秒的時間延遲。數據在訪問位于整個邏輯位置的最后一個從站后，該從站把經過處理的數據幀作為上行報文直接發送給主站。主站收到此上行電報后，處理返回數據，一次通信結束。

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碼靈半導體EtherCAT 無刷直流電機驅動系統解決方案

EtherCAT 以太網控制自動化技術于2003年由德國的倍福公司提出，因此早期市場上的EtherCAT從站控制器芯片基本是倍福公司的產品，比如ET1100、ET1200等。然而，隨著EtherCAT技術的應用領域越來越廣，越來越多的公司關注和研究EtherCAT技術，并推出自己研發的從站控制器芯片，碼靈半導體即為其中重要一員。

碼靈半導體推出的CF110x系列EtherCAT從站控制器芯片最多可以提供3個數據收發端口MII，可選擇性集成2個電流型PHY或32位ARM內核MCU， 每個MII接口都帶有環回操作和數據轉發的功能，用來接收和發送以太網數據幀。CF110x系列從站控制器帶有1個I2C接口，通過該接口加載儲存在EPPROM芯片中的XMI從站設備描述文件。CF110x系列從站控制器帶有一個LED控制器用來對所連接的LED燈進行操作，根據LED閃爍狀態來表示此時從站控制器的運行狀態。CF110x系列從站控制器帶有一個系統中斷控制器，系統中斷控制器引腳與微處理器的中斷引腳相連，用于實現多個EtherCAT從站之間的數據傳輸同步；并通過PDI接口實現微處理器與從站控制器之間的通信。

▲碼靈半導體CF110x系列芯片結構框圖碼靈半導體CF110x系列在無刷直流電機驅動系統中的應用優勢特點：

產品獲得德國倍福公司（Beckhoff）官方正式授權，已通過ETG官方的一致性測試認證，符合EtherCAT通信協議標準；

內置8個現場總線內存管理單元（FMMU）、8個同步管理器（SM），產品支持三種數據接口（PDI）-數字I/O，SPI和8/16 位uC接口；內置64位分布式時鐘（DC），可實現EtherCAT從站的高精度同步（<< 1μs）；可選擇性集成32位ARM Cortex-M3內核微控制器（MCU）或2個電流型PHY（兼容100BASE-TX），具有抗干擾能力強、信號完整性高和穩定性好的優點；多種封裝形式可選，支持QFN64L(9x9mm)、QFN88L(10x10mm)、QFN100L(12x12mm)封裝。▲碼靈半導體CF110x系列芯片實物圖

碼靈半導體CF110x系列是一款性價比非常高的 EtherCAT 從站控制器芯片，在成本上、性能上和開發周期上都對無刷直流電機產品開發上具有很大的優勢。