替代TI/ST方案：国产EtherCAT电机控制方案如何实现30%综合成本优势？

发布时间：2025-05-30 阅读量：1407 来源: 我爱方案网作者: bebop

工业领域中多步进电机协同控制运用广泛，需要运用多步进电机控制生产高精度产品的场景也越来越多，如精密雕刻设备、汽车生产流水线以及印刷设备等。所用的电机组群多为分散且距离较远，为了能够保证设备达到预期效果，系统同步性能直接影响产品的价值。

由于传统步进驱动器之间的协调多用一对一的脉冲模式，该模式控制线路复杂并且自动纠错与抗干扰能力都比较弱，不能适应于条件恶劣的工业环境与自然环境。目前多步进电机协同控制主要采用RS485 和CAN 总线进行通信，但存在传输速度低、传输距离短和同步误差大等问题。

在此背景下，能够提供非常高的实时性能的工业以太网技术——EtherCAT正在逐渐得到包括多轴步进电机驱动器在内的工业控制领域越来越多的应用。

EtherCAT 技术在中国工业领域有广泛的应用，但使用的MCU芯片均被国外品牌垄断，在此背景下，国产高性能MCU厂商先楫半导体推出得到德国Beckhoff 正式授权的国产EtherCAT从站控制芯片——HPM5E00，且基于该芯片研发的EtherCAT整体方案已在多个客户项目中成功导入验证，展现出优异的稳定性与可靠性。

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HPM5E00系列在延续HPM6E00高算力基因的基础上，进一步实现低功耗优化、成本控制优势与紧凑高效封装三大升级，面向工业控制系统对高性能、高集成的持续演进需求提供全新解决方案。

HPM5E00芯片的技术亮点与创新

1.核心性能优势

HPM5E00搭载32位RISC-V内核，主频达480MHz，支持RV32-IMAFDCBP指令集，并集成DSP单元与SIMD指令加速，性能达5.6 CoreMark/MHz。其内置544KB SRAM（含128KB指令/数据本地存储器）和1MB闪存，可满足复杂算法的高速执行需求，避免因外部存储访问延迟导致的性能损失。

案例：在步进马达控制方案中，HPM5E00通过高精度PWM模块（100ps分辨率）实现CIA402协议支持，适配CSP、CSV模式，显著提升电机响应速度和能效。

2.EtherCAT技术集成

集成德国倍福授权的EtherCAT从站控制器（ESC），支持3个端口，提供60KB Process Data RAM和64位分布式时钟，同步精度达纳秒级。相比传统现场总线（如PROFINET），EtherCAT的“Processing on the fly”机制可实现超低通信延迟（循环周期<100μs），适用于多轴同步控制场景。

对比：ST意法半导体的STM32H7系列虽支持EtherCAT，但需外置ESC芯片，而HPM5E00的片上集成方案可减少30%的PCB面积和物料成本。

3.运动控制与模拟外设

配备2个8通道增强型PWM模块、4个Σ-Δ信号接收单元及可编程逻辑模块（PLB），支持伺服驱动器的实时闭环控制。其16位ADC（2MSPS采样率）和模拟比较器可精准采集电机电流、位置信号，满足高精度运动控制需求。

4.国际竞品分析

–TI C2000系列：以DSP核见长，在电机控制算法优化上具备优势，但主频普遍低于300MHz，且EtherCAT需依赖FPGA扩展，成本较高。

–ST STM32G4系列：主打高性价比，支持CAN-FD和高级定时器，但缺乏原生EtherCAT支持，多用于中低端工控场景。

实战方案

参考方案一：基于HPM5E00 MCU芯片的EtherCAT步进马达方案，可实现用EtherCAT控制步进电机的运行，主要功能如下：

支持通过EtherCAT升级、
支持CIA402协议，有CSP、CSV等模式
输入电压范围15V~48V
正交编码器接口
最大输出电流3A
电压保护功能
两路光耦隔离输出、四路光耦隔离输入
支持HPM Monitor Studio上位机
EUI显示及按键操作功能

参考方案二：

格睿物联旗下品牌“GRMOT格睿力源” EC1-570总线型开环步进驱动器，采用先楫半导体HPM5E00系列为主控芯片，通过EtherCAT总线通讯接口将EtherCAT从站技术、矢量控制技术、内置微细分技术、自适应滤波技术融为一体，实现了步进系统的实时控制与实时数据传输，进一步优化了步进电机的性能：

中低速具有极佳的平稳性和超低噪声；
高速力矩得到极大提升，扩展了步进电机的速度应用范围；
平滑、精确的纯正弦电流矢量控制技术有效地减小了电机发热。

目前，该产品已完美适配倍福、欧姆龙、基恩士、汇川、信捷等多家主站控制系统，并且广泛应用于纺织、机器人、锂电设备、3C电子等行业。

参考方案三：

先楫HPM6E00伺服驱动器整机方案

先楫HPM6E00伺服驱动器支持单相AC~90V- AC~253V 电源供电，配合100W~750W 高响应伺服电机（电机搭配17位绝对值编码器），实现全闭环功能，电机运行安静平稳。该方案支持适配电机、支持EtherCAT总线控制，支持DI输入和DO输出，具备过流、过压、过载等保护。该方案应用于电子制造、锂电、机械手、包装、机床等行业的自动化设备，以其高性能实现快速精确的位置控制、速度控制和转矩控制，提高系统的响应速度和生产效率。

规格参数：

MCU：HPM6E80 (只使用了CPU0)
输入电压范围：AC~90V- AC~253V
额定功率：750W
额定电流：5A
额定转速：3000RPM （根据适配电机）
适配电机：5对极伺服电机
编码器：电机适配17位绝对值编码器(多摩川)
支持通讯方式：EtherCAT (支持CiA402协议)

支持功能：

支持的操作模式：CSP，CSV，CST， PP、PV
丰富的回零HM模式；
位置、速度、力矩三环控制；
上电软起动、掉电电机绕组短路等；
保护功能：过流、过压、欠压、过载、堵转、过热等

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