直流無刷電機是通過電子控制器實現(xiàn)換向取代傳統(tǒng)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(xiàn)換向取代傳統(tǒng)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(yōu)勢：

1）驅動控制算法多樣化，適應不同應用場景：BLDC電機根據(jù)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(xiàn)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(shù)較多且互為關聯(lián)，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(jié)能降耗的性能優(yōu)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(yè)與汽車等領域，并且持續(xù)拓展至服務機器人、智慧手臂等市場。根據(jù)Frost & Sullivan 數(shù)據(jù)，2023年全球BLDC 電機市場規(guī)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(guī)模增速(7.9%)；其中，2023 年中國BLDC電機市規(guī)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(xù)拓展和滲透，F(xiàn)rost& Sullivan預計2028年全球/中國BLDC電機市場規(guī)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(guī)模占比將從2023年的20%/22%提高至 32%/35%。

在工業(yè)控制上，無刷電機驅動系統(tǒng)通常采用RS485通訊協(xié)議總線作為一種常規(guī)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(yōu)點，使得 RS485 總線在工業(yè)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(yè)應用中，往往分散控制單元數(shù)量較多、分布較遠、工業(yè)現(xiàn)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(wǎng)絡通訊協(xié)議，最初由德國倍福自動化有限公司研發(fā)。EtherCAT為系統(tǒng)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(tǒng)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(xié)議(SIL3)。2007年9月，EtherCAT正式成為IEC61158 規(guī)范，也是IEC/FDIS 61784-2 規(guī)范。基于EtherCAT技術實現(xiàn)的無刷直流電機伺服驅動系統(tǒng)在電機控制中可表現(xiàn)出諸多優(yōu)良的性能，如低噪音、轉矩脈動小、定位準確、低速穩(wěn)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(tǒng)整體結構

典型EtherCAT 無刷直流電機驅動整個控制系統(tǒng)分為控制層、通信層和執(zhí)行層。控制層為EtherCAT 主站系統(tǒng)可以由工業(yè) PC 機或其他嵌入式平臺實現(xiàn)，負責控制算法和發(fā)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(fā)送的控制指令，同時將電機的運動信號插入到EtherCAT 數(shù)據(jù)幀的相應位置，傳送回主站。在執(zhí)行層中，微處理器根據(jù)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(zhí)行。整個系統(tǒng)采用標準的以太網(wǎng)連接，通過一根網(wǎng)線將主站與第一個驅動器的網(wǎng)絡輸入端口連接，再將第一個驅動器的網(wǎng)絡輸出端口與第二個驅動器的網(wǎng)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(shù)據(jù)幀從主站傳輸至從站時，數(shù)據(jù)幀的傳輸方向，而當數(shù)據(jù)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?yōu)檩斎攵丝凇?/p>

▲典型EtherCAT無刷直流電機驅動系統(tǒng)整體結構圖

02

EtherCAT無刷直流電機驅動系統(tǒng)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(xiàn)EtherCAT 通信協(xié)議的關鍵。EtherCAT從站控制器主要處理數(shù)據(jù)鏈路層部分，根據(jù)EtherCAT協(xié)議對主站發(fā)送的報文進行讀取或者插入，通過硬件機制實現(xiàn)主站和從站之間的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，實現(xiàn)設備控制功能，并采樣設備的控制數(shù)據(jù)，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(tǒng)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(xié)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議和物理層協(xié)議完全固化在其中。EtherCAT數(shù)據(jù)幀的提取和插入完全由數(shù)據(jù)鏈路層硬件實現(xiàn)，然后通過從站控制器內部的數(shù)據(jù)儲存區(qū)與EtherCAT主站進行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)控制周期由主站發(fā)起，主站發(fā)出下行報文，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)幀經過時分析尋址到本機的報文，根據(jù)報文頭中的命令將相應的數(shù)據(jù)存儲到內部存儲區(qū)或將相應的數(shù)據(jù)從內部存儲區(qū)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)幀作為上行報文直接發(fā)送給主站。主站收到此上行電報后，處理返回數(shù)據(jù)，一次通信結束。

03

碼靈半導體EtherCAT 無刷直流電機驅動系統(tǒng)解決方案

EtherCAT 以太網(wǎng)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(fā)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(shù)據(jù)收發(fā)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(huán)回操作和數(shù)據(jù)轉發(fā)的功能，用來接收和發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)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(jù)LED閃爍狀態(tài)來表示此時從站控制器的運行狀態(tài)。CF110x系列從站控制器帶有一個系統(tǒng)中斷控制器，系統(tǒng)中斷控制器引腳與微處理器的中斷引腳相連，用于實現(xiàn)多個EtherCAT從站之間的數(shù)據(jù)傳輸同步；并通過PDI接口實現(xiàn)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(tǒng)中的應用優(yōu)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(xié)議標準；

內置8個現(xiàn)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(shù)據(jù)接口（PDI）-數(shù)字I/O，SPI和8/16 位uC接口；內置64位分布式時鐘（DC），可實現(xiàn)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(wěn)定性好的優(yōu)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(fā)周期上都對無刷直流電機產品開發(fā)上具有很大的優(yōu)勢。