步進(jìn)電機(jī)由于驅(qū)動簡單、高效實用，常作為機(jī)床或生產(chǎn)線的輔助設(shè)備，在工業(yè)自動化生產(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)同控制運用廣泛，需要運用多步進(jìn)電機(jī)控制生產(chǎn)高精度產(chǎn)品的場景也越來越多，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)品的價值。工業(yè)以太網(wǎng)的迅速發(fā)展加快了自動化生產(chǎn)線的升級，改變了驅(qū)動設(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)動器之間的協(xié)調(diào)多用一對一的脈沖模式，該模式控制線路復(fù)雜并且自動糾錯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)動器應(yīng)運而生，可以有效地響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化步進(jìn)驅(qū)動器件的發(fā)展需求。軟硬件資源的豐富性、協(xié)議的開放性推動著工業(yè)以太網(wǎng)不斷延伸至工業(yè)現(xiàn)場層。加之工業(yè)以太網(wǎng)對比現(xiàn)場總線足夠高的帶寬，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)的運動控制網(wǎng)絡(luò)，形成一個自上而下相互連通，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。

其中由德國倍福公司最初研發(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τ?a target="_blank">開發(fā)者簡單的系統(tǒng)配置，在數(shù)據(jù)鏈路層提供獨立的過程數(shù)據(jù)傳輸通道，顯著提升的系統(tǒng)實時性等明顯優(yōu)勢正在逐漸得到包括多軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器在內(nèi)的工業(yè)控制領(lǐng)域越來越多的應(yīng)用。

▲EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)工作原理圖

基于碼靈半導(dǎo)體CF1106型號ESC芯片開發(fā)的多軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器應(yīng)用方案將已經(jīng)發(fā)展較為成熟的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動進(jìn)行集成化，實現(xiàn)多軸合驅(qū)，并與實時工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT相結(jié)合，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同控制、成本低廉、可以同時驅(qū)動多軸步進(jìn)電機(jī)。通過組建基于CF1106型號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)完整性校驗和重發(fā)機(jī)制等糾錯功能，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)勢特點

方案板搭載了碼靈半導(dǎo)體自主研發(fā)的CF1106型號ESC芯片，內(nèi)部集成了2個電流型PHY，顯著減少了對外部元件的依賴，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，既安靜又具有較低的發(fā)熱量；一體設(shè)計，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)動器方案框圖

硬件選型和產(chǎn)品的開發(fā)效率及產(chǎn)品的性能密切相關(guān)，為使本方案設(shè)計的驅(qū)動器成本低、可靠性高、體積小，并且能在較短的時間內(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，減少硬件軟件開發(fā)的復(fù)雜程度；性價比高，在功能上滿足要求的前提下，盡量采用較低價格的元器件，而且容易采購到，以保證將來批量生產(chǎn)時的訂貨；可靠性高，考慮到工業(yè)現(xiàn)場長期使用，需要經(jīng)受惡劣環(huán)境的考驗，元器件均使用工業(yè)級產(chǎn)品。

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

采用CF1106芯片作為EtherCAT 通信模塊，實現(xiàn)電機(jī)控制指令的EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)傳輸。一方面實現(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)的控制指令和過程數(shù)據(jù)實時更新本地的輸入數(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ESC芯片在EtherCAT多軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器中的應(yīng)用優(yōu)勢：

Beckhoff官方授權(quán)ESC，滿足ETG一致性測試要求； 內(nèi)置2個電流型PHY（兼容100BASE-TX），具有抗干擾能力強(qiáng)、信號完整性高和穩(wěn)定性好的優(yōu)點； 內(nèi)置8個現(xiàn)場總線內(nèi)存管理單元（FMMU）、8個同步管理器（SM）、8KB雙端口存儲器 (DPRAM)和1個64位分布式時鐘（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℃。

同時碼靈半導(dǎo)體搭建了由脈沖信號發(fā)生器、驅(qū)動器、混合式步進(jìn)電機(jī)、磁編碼器、示波器和信號采集器等組成的多軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器整體測試平臺，對驅(qū)動器運行穩(wěn)定性和運行精度等性能指標(biāo)、EtherCAT 通信功能進(jìn)行了測試。實驗測試結(jié)果顯示，本驅(qū)動器在低頻下能夠平穩(wěn)運行，在高頻時能夠保持良好的輸出力矩，具有較低的振動和噪聲，并具備EtherCAT高實時性。本方案既發(fā)揮了步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)勢特點，又降低了開發(fā)成本，并可實現(xiàn)驅(qū)動設(shè)備互聯(lián)互通，尤其適用于高實時性、高精度、多節(jié)點控制要求的領(lǐng)域。

目前基于碼靈半導(dǎo)體CF1106型號ESC芯片開發(fā)的EtherCAT多軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器應(yīng)用方案已經(jīng)在不同工程中實現(xiàn)，且實現(xiàn)都比較方便，具有較高的實際應(yīng)用價值。

隨著工業(yè)自動化和控制、電信、電力、測試與測量、分布式的網(wǎng)絡(luò)傳感器系統(tǒng)等對高精度的實時調(diào)度和控制要求越來越高，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ESC芯片開發(fā)的EtherCAT多軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器參考應(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)實時控制技術(shù)團(tuán)隊提供全方位的技術(shù)支持，可助力客戶快速響應(yīng)市場變化，實現(xiàn)更多領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。