直流無(wú)刷電機(jī)是通過(guò)電子控制器實(shí)現(xiàn)換向取代傳統(tǒng)帶碳刷的直流電機(jī)。常用電機(jī)類型多樣，主要可以分為無(wú)刷電機(jī)和有刷電機(jī)。BLDC電機(jī)是一種不使用機(jī)械換向觸頭(碳刷)的直流電機(jī)，而是通過(guò)電子控制器實(shí)現(xiàn)換向取代傳統(tǒng)帶碳刷的直流電機(jī)，所以又被稱為電子式可調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)或電子式換向直流電機(jī)。BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁體，通過(guò)改變周圍的線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。通過(guò)控制通向線圈的電流方向和大小來(lái)控制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。

▲有刷電機(jī)（左）與無(wú)刷電機(jī)（右）對(duì)比（來(lái)源：Haredata Electronics）

無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性帶來(lái)了諸多優(yōu)勢(shì)：

1）驅(qū)動(dòng)控制算法多樣化，適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景：BLDC電機(jī)根據(jù)多種多樣的應(yīng)用場(chǎng)景，可以選擇方波、SVPWM、FOC等多種控制算法，實(shí)現(xiàn)多樣化控制需求；

2）驅(qū)動(dòng)控制算法壁壘高：BLDG 電機(jī)控制用到的參數(shù)較多且互為關(guān)聯(lián)，驅(qū)動(dòng)控制算法比較復(fù)雜與其他類型電機(jī)相比，其驅(qū)動(dòng)控制算法難度較高；

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

4）高降噪：BLDC 電機(jī)具備高可靠性、低振動(dòng)、高效率、低噪音、節(jié)能降耗的性能優(yōu)勢(shì)，充分契合終端客戶各方面的新興需求。

▲直流無(wú)刷電機(jī)控制算法對(duì)比（來(lái)源：峰岹科技）

BLDC電機(jī)特點(diǎn)鮮明，可廣泛應(yīng)用于家電、電動(dòng)工具、計(jì)算機(jī)及通信設(shè)備、運(yùn)動(dòng)出行、工業(yè)與汽車等領(lǐng)域，并且持續(xù)拓展至服務(wù)機(jī)器人、智慧手臂等市場(chǎng)。根據(jù)Frost & Sullivan 數(shù)據(jù)，2023年全球BLDC 電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)2749億元，2020-2023年年復(fù)合增速達(dá) 22.6%，顯著高于全球電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模增速(7.9%)；其中，2023 年中國(guó)BLDC電機(jī)市規(guī)模達(dá)696億元，2020-2023年年復(fù)合增速達(dá)24.9%，亦顯著高于中國(guó)電機(jī)市場(chǎng)的11.6%。伴隨 BLDC 電機(jī)下游應(yīng)用場(chǎng)景持續(xù)拓展和滲透，F(xiàn)rost& Sullivan預(yù)計(jì)2028年全球/中國(guó)BLDC電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到6869/1946 億人民幣，對(duì)應(yīng)年復(fù)合增速為20%/23%；全球/中國(guó) BLDC 電機(jī)市場(chǎng)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(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu)因硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、控制方便、成本低廉、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使得 RS485 總線在工業(yè)控制上得到廣泛的應(yīng)用。然而，RS485總線本身具有總線利用率低、實(shí)時(shí)性較差等缺點(diǎn)，并且在工業(yè)應(yīng)用中，往往分散控制單元數(shù)量較多、分布較遠(yuǎn)、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在各種干擾，這使得RS485總線通信的實(shí)時(shí)性更加得不到保障。EtherCAT是開放的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，最初由德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司研發(fā)。EtherCAT為系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能和拓?fù)涞撵`活性樹立了新的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，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(shè)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(shù)實(shí)現(xiàn)的無(wú)刷直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在電機(jī)控制中可表現(xiàn)出諸多優(yōu)良的性能，如低噪音、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、定位準(zhǔn)確、低速穩(wěn)定等。同時(shí)，EtherCAT 強(qiáng)大的通信性能保證了無(wú)刷直流電機(jī)控制的可靠性和實(shí)時(shí)性。

01

EtherCAT 無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

典型EtherCAT 無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)整個(gè)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(jī)或其他嵌入式平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)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(fù)責(zé)接收和解析主站發(fā)送的控制指令，同時(shí)將電機(jī)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)插入到EtherCAT 數(shù)據(jù)幀的相應(yīng)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(jī)運(yùn)動(dòng)相應(yīng)的PWM控制信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行。整個(gè)系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)連接，通過(guò)一根網(wǎng)線將主站與第一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的網(wǎng)絡(luò)輸入端口連接，再將第一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的網(wǎng)絡(luò)輸出端口與第二個(gè)驅(qū)動(dòng)器的網(wǎng)絡(luò)輸入端口連接，以此類推，組成單線型總線結(jié)構(gòu)。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(shí)，數(shù)據(jù)幀的傳輸方向，而當(dāng)數(shù)據(jù)幀到最后一個(gè)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(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

02

EtherCAT無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)從站方案

EtherCAT 從站設(shè)備主要由從站控制器和微處理器兩部分構(gòu)成。EtherCAT從站控制器需要采用專門的芯片,其是 EtherCAT從站模塊實(shí)現(xiàn)EtherCAT 通信協(xié)議的關(guān)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(duì)主站發(fā)送的報(bào)文進(jìn)行讀取或者插入，通過(guò)硬件機(jī)制實(shí)現(xiàn)主站和從站之間的數(shù)據(jù)交換。微處理器主要負(fù)責(zé)應(yīng)用層部分，通過(guò)讀取從站控制器芯片中的控制數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制功能，并采樣設(shè)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(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)從站結(jié)構(gòu)

EtherCAT 從站微處理器

EtherCAT從站微處理器與從站控制器通過(guò)PDI接口通信，一方面，微處理器接收從站控制器通過(guò) EtherCAT協(xié)議解析過(guò)的上位機(jī)控制指令，來(lái)完成具體的電機(jī)控制指令。另一方面，微處理器接收電機(jī)的運(yùn)動(dòng)信息，通過(guò)從站控制器，將這些信息通過(guò) EtherCAT 通信反饋至上位機(jī)。EtherCAT報(bào)文解析僅與從站控制器有關(guān)，而與微處理器的性能無(wú)關(guān)。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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和滿足電機(jī)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(shí)現(xiàn)，然后通過(guò)從站控制器內(nèi)部的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存區(qū)與EtherCAT主站進(jìn)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(bào)文，數(shù)據(jù)遍歷所有的電機(jī)從站設(shè)備，每個(gè)電機(jī)從站設(shè)備中的從站控制器在數(shù)據(jù)幀經(jīng)過(guò)時(shí)分析尋址到本機(jī)的報(bào)文，根據(jù)報(bào)文頭中的命令將相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)或?qū)⑾鄳?yīng)的數(shù)據(jù)從內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)寫入到報(bào)文中指定位置。整個(gè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生幾納秒的時(shí)間延遲。數(shù)據(jù)在訪問(wèn)位于整個(gè)邏輯位置的最后一個(gè)從站后，該從站把經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)幀作為上行報(bào)文直接發(fā)送給主站。主站收到此上行電報(bào)后，處理返回?cái)?shù)據(jù)，一次通信結(jié)束。

03

碼靈半導(dǎo)體EtherCAT 無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)解決方案

EtherCAT 以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)于2003年由德國(guó)的倍福公司提出，因此早期市場(chǎng)上的EtherCAT從站控制器芯片基本是倍福公司的產(chǎn)品，比如ET1100、ET1200等。然而，隨著EtherCAT技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，越來(lái)越多的公司關(guān)注和研究EtherCAT技術(shù)，并推出自己研發(fā)的從站控制器芯片，碼靈半導(dǎo)體即為其中重要一員。

碼靈半導(dǎo)體推出的CF110x系列EtherCAT從站控制器芯片最多可以提供3個(gè)數(shù)據(jù)收發(fā)端口MII，可選擇性集成2個(gè)電流型PHY或32位ARM內(nèi)核MCU， 每個(gè)MII接口都帶有環(huán)回操作和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，用來(lái)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(gè)I2C接口，通過(guò)該接口加載儲(chǔ)存在EPPROM芯片中的XMI從站設(shè)備描述文件。CF110x系列從站控制器帶有一個(gè)LED控制器用來(lái)對(duì)所連接的LED燈進(jìn)行操作，根據(jù)LED閃爍狀態(tài)來(lái)表示此時(shí)從站控制器的運(yùn)行狀態(tài)。CF110x系列從站控制器帶有一個(gè)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(shí)現(xiàn)多個(gè)EtherCAT從站之間的數(shù)據(jù)傳輸同步；并通過(guò)PDI接口實(shí)現(xiàn)微處理器與從站控制器之間的通信。

▲碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片結(jié)構(gòu)框圖碼靈半導(dǎo)體CF110x系列在無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)：

產(chǎn)品獲得德國(guó)倍福公司（Beckhoff）官方正式授權(quán)，已通過(guò)ETG官方的一致性測(cè)試認(rèn)證，符合EtherCAT通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；

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），產(chǎn)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(nèi)置64位分布式時(shí)鐘（DC），可實(shí)現(xiàn)EtherCAT從站的高精度同步（<< 1μs）；可選擇性集成32位ARM Cortex-M3內(nèi)核微控制器（MCU）或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)；多種封裝形式可選，支持QFN64L(9x9mm)、QFN88L(10x10mm)、QFN100L(12x12mm)封裝。▲碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片實(shí)物圖

碼靈半導(dǎo)體CF110x系列是一款性價(jià)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(duì)無(wú)刷直流電機(jī)產(chǎn)品開發(fā)上具有很大的優(yōu)勢(shì)。