SoC和MCU奋力争夺EtherCAT 伺服应用市场

科技   2024-09-11 17:00   广东  
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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)
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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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