電子發燒友網報道（文/李彎彎）近年來，國內伺服市場增長迅速，2018底國內伺服銷售規模1200萬臺，銷售額約120億人民幣，國內伺服品牌市場占有率達到20%，約240萬臺。隨著“中國制造2025”的不斷推進，中國的伺服驅動市場每年保持20%以上增長。

伺服應用領域廣泛，主要包括數控機床、多關機機器人、鋰電池制造設備、LED晶圓設備、3C制造設備、雕琢/切割機、紡織機械、食品與包裝設備、朔料機械等。在日前由電子發燒友網主辦的《2020年第三屆無刷直流電機控制技術在線研討會》上，中電港銷售經理王炳興就伺服技術的最新發展趨勢和方案做了精彩分享。

圖：中電港銷售經理王炳興先生

據王炳興先生介紹，目前伺服技術主要有兩大發展趨勢：一是傳統的伺服市場以脈沖，CAN總線為主，隨著智能制造技術要求的提升，EtherCAT總線開始成為新一代的技術，逐步取代CAN總線，未來的市場占有率會超過50%以上；二是隨著國內工業機器人，高精密設備等行業的高速發展，對于多軸、高性能伺服的需求越來越多。

采用Renesas MCU+Lattice FPGA雙芯片架構的方案特點

中電港結合上述兩大技術發展趨勢，推出了高性能伺服驅動解決方案，該方案采用RenesasMCU+LatticeFPGA雙芯片架構，支持Ethercat，支持多軸應用。方案的優勢是：一、FPGA硬件電流環，高性能，高精度；二、以最優的成本實現單/多軸的應用；三、靈活選擇型號搭配不同配置。

圖：高性能伺服驅動解決方案優勢（紅色部分為DEMO板）

王炳興先生詳細介紹了該方案所選用型號的特點。首先來看RenesasRZ/T1，該系列芯片主核采用的是ARMCortex-R4F，工作主頻從可選300MHz、450MHz、600MHz，支持雙精度浮點運算，最重要的是支持EtherCAT功能，支持編碼器接口。

圖：RenesasRZ/T1系列特點展示

從產品線的型號來看，該系列最大的特點是全系列管腳兼容，可以靈活根據不同的功能或者主頻選擇不同的型號。為了讓聽眾更明白，王炳興先生進一步介紹，“比如我們現在的方案采用300MHz+EtherCAT功能，如果根據主頻選擇不同型號，我們還可以選擇主頻450MHz或者600MHz，甚至選擇雙核的版本，EtherCAT也是可選的功能，如果不需要EtherCAT功能，也可以不選。”

再來看LatticeFPGA系列，FPGA采用的是ECP5系列，整個系列是從12K覆蓋到85K的邏輯單元。王炳興先生指出，“為了保持兼容性及可擴展性，該方案選用了封裝完全兼容的25K/45K邏輯單元，選用的封裝式256caBGA，可以靈活的搭配1至4軸的需求，如果客戶需要6軸或者7軸，也可以選擇85K，容量更高。”

高性能Ethercat伺服解決方案系統框圖及優勢

從整個伺服解決方案的系統框圖來看，該方案是以Renesas（RZ/T1）和LatticeFPGA(ECP5)作為主控，外圍搭配Renesas接口芯片。FPGA用來做硬件電流環以及編碼器接口，MCU用來做位置環、速度環以及EtherCAT控制，整個方案是采用FPGA硬件電流環以及EtherCAT總線架構的多軸伺服系統，可以實現真正意義的多軸實時控制。

圖：高性能EtherCAT伺服解決方案系統框圖

圖：高性能EtherCAT伺服解決方案詳細的功能框圖

優勢一：電流環更快速

王炳興先生指出，該方案采用RenesasRZ/T1+LatticeFPGA的最大優勢是電流環更快速。在傳統的方案中，位置環和速度控制環算法復雜，計算緩慢，電流環控制需要實時、快速更新，要想在單個處理器芯片里兼顧這兩類不同的算法，非常具有挑戰性。而采用雙芯片的架構，把電流環控制放在FPGA里面進行硬件加速，延時和計算時間是快速并確定的，而且FPGA做為協處理器，還可以分擔處理器的工作。

優勢二：多軸控制

該方案采用FPGA的另一大優勢是多軸控制，對比傳統MCU，FPGA在多軸同步控制、電流環控制、PWM控制和輸出等方面更有優勢。

與市面其他伺服方案對比，FPGA方案具有明顯優勢。目前市面常見的方案有SOC和DSP：

• 從內核來看，RenesasRZ/T1采用的主核是ARMCortex-R4F，SOC一般采用ARMCortex-A9，DSP一般采用C2000；
• 從電流環控制來看，FGPA和SOC都可以用硬件實現，DSP有快速的電流環；
• 從主頻來看，FPGA有300MHz、450MHz和600MHz可選，SOC也有667MHz到888MHz可選，DSP受限于架構，主頻只能到200MHz。
• 從EtherCAT控制來看，FGPA采用硬核的EtherCAT，更有優勢，因為FPGA集結內置EtherCAT，通信更迅速，SOC一般需要購買IPCode，DSP暫時只能外加EtherCAT通信芯片；
• 從電機軸來看，FGPA可以靈活搭配1至4軸，甚至可以選擇不同封裝的型號，達到6軸，SOC本質也是FPGA，也可以到1到4軸，而DSP最多只能控制兩個電機，如果要做多軸電機，需要外加芯片，架構會完全發生變化；
• 從開發難度來看，RenesasRZ/T1+LatticeFPGA分工明確，相對難度更低；
• 從可擴展性和成本來看，RenesasRZ/T1+LatticeFPGA可以靈活選擇不同型號搭配不同方案，可擴展性更有優勢，綜合成本也更有優勢。

整體而言，RenesasRZ/T1+LatticeFPGA方案在EtherCAT總線、單軸以及多軸的支持、開發的難易度、可擴展性和成本上相對比較均衡，方案更有優勢。

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