在伺服电机控制领域，传统的控制芯片架构依赖于 MCU+FPGA+ET1100 三个芯片，这种架构存在诸多不足，如尺寸大、系统复杂且成本高昂，难以满足日益增长的小型化和高性能需求。而德州仪器 C2000™ 实时微控制器家族中的 F28P65，凭借其卓越的性能和高度集成化的特点，可单芯片实现伺服或机器人的功能，替代MCU+FPGA+ET1100三个芯片方案。

单芯片实现伺服控制的基本原理

传统的伺服电机控制依赖 MCU+FPGA+ET1100三个芯片架构。其中，FPGA 负责快速电流环控制，包括sigma-delta滤波器、绝对式位置编码器解码、FOC 电流环控制算法以及 PWM 保护等功能；MCU 主要负责电机速度环和位置环控制任务；ET1100 则是由倍福公司设计的专用于 EtherCat 控制的芯片，实现高速以及分布式时钟同步功能的通信。

图 1 展示了传统三芯片架构的伺服系统，其存在以下不足：

1. 尺寸大，不满足伺服小型化特别是机器人控制的需求。
2. 需要更多的辅助电源供电，系统复杂，可靠性下降。
3. 成本高。

F28P65是德州仪器C2000™实时微控制器家族中的一款高性能产品，具有双C28内核+CLA（协处理器）的多核架构，每个核心提供200MIPS的信号处理性能，支持64位浮点。它拥有1.28MB闪存和256KB SRAM，集成多达40个模拟通道的高性能ADC和36个高分辨率PWM，支持多种工业标准协议的通信接口，如EtherCat，CAN FD和USB 2.0等。F28P65还集成可配置逻辑块（CLB），允许用户自定义逻辑逻辑，在伺服和机器人领域中可以实现编码器解码，PTO分频输出等功能。

因此F28P65可以实现单芯片实现伺服控制的所有功能，其优势如下：

• 高度集成，集成EtherCat IP，单芯片实现ARM+FPGA+ET1100功能。
• 尺寸小(9x9mm封装)。
• 快速电流环技术，性能媲美FPGA。
• 完善的功能安全支持，提供芯片级TUV认证证书，安全手册，FMEDA，诊断库等资料和系统级功能安全支持。

快速电流环原理和实现

对于电机电流环控制而言，其核心环节包括 ADC 采样、算法运算以及 PWM 更新，图3是矢量FOC电流环控制的框图：

对于传统的电流环控制，一般会在PWM载波周期的过零点或者周期点位置更新PWM的寄存器，如图4所示，在PWM载波周期点采样，需等待一个 PWM 载波周期才更新 PWM 寄存器，存在 1 个 PWM 周期的延迟。

而快速电流环配置了ePWM模块为立即装载模式，即PWM更新不是等到周期点或者过零点才更新，而是在运算完算法后立即更新PWM寄存器，如图5所示，减少系统延迟，显著提高电流环带宽。

快速电流环要求从ADC采样到PWM更新的时间要尽可能的短，因此MCU需要足够的运算处理能力，F28P65 集成了多个 C28 和 CLA 协处理器的并行处理能力，以及 TMU 三角函数加速器等强大运算功能，能在 1us 内完成整个电流环的环路控制。

不过，快速电流环会牺牲一定的最大占空比，例如环路时间为1us，PWM载波周期为100us，则占空比的最大范围为99%。

因此，在实际应用中，应尽量减小环路时间，以提高最大占空比。对于sdfm的电流采样方式，如果 sdfm 本身的滤波时间过长，可能会影响最大占空比，此时可以通过提前采样触发时间来优化，以尽量满足最大占空比范围的要求。

快速电流环具体实现的例程，可以在安装Motor Control SDK后，在以下路径找到：

C:\ti\c2000\C2000Ware_MotorControl_SDK_5_04_00_00\solutions\tmdxiddk379d\f28p65x

绝对式编码器解码的实现

在伺服控制中，绝对式编码器和分频输出 PTO 功能通常由 CPLD 或 FPGA 实现。而 C2000 的可配置逻辑块（CLB）模块类似于 FPGA，是高度灵活的硬件逻辑单元，用于快速实现复杂数字逻辑功能，可支持 T - format、BiSS C、Endat、Hiperface 等多种编码器解码功能。

CLB 模块由多个逻辑块（Tile）组成，每个 Tile 包含计数器（Counter）、状态机（FSM）、查找表（Look up table）、HLC（小型微控制器）等子模块，可处理来自 ePWM、eCAP、XBAR 等外设的信号，并将输出信号传递给其他模块或通过 IO 管脚输出，且无需占用 CPU 资源。

以与 Tamagawa T - Format 绝对编码器通信为例，采用 CLB + SPI 模块实现，CLB 负责生成符合 T - Format 协议要求(2.5 MBPS)的 SPI 模块时钟信号(SPICLK)，并通过时钟信号对齐补偿电缆传输延迟，提高通讯精度和可靠性，同时自带 CRC 校验功能实时校验数据，减轻 CPU 负担；SPI 则是 T - Format 协议中数据传输的核心模块，负责与编码器进行实际串行通信数据收发。

相关绝对式编码器的例程可以在安装Motor Control SDK后，在以下路径找到：

C:\ti\c2000\C2000Ware_MotorControl_SDK_5_04_00_00\solutions\boostxl_posmgr

EtherCat通讯

EtherCat 是一种基于以太网的现场总线系统，由 Beckhoff® Automation 公司发明，并在 IEC 61158 中标准化。F28p65 器件集成 Beckhoff EtherCat 硬件 IP 内核，支持两个 MII 端口连接 EtherCat PHY。

微控制器 MCU 负责处理 EtherCat 从站协议栈代码和应用程序运行。数据链路层由 EtherCat IP 实现，MCU 和 EtherCat IP 的通讯通过 16 位异步总线接口 PDI 实现。F28P65的EtherCat 从站节点支持 EtherCat 分布式时钟模式用于网络同步和锁存，具备标准 I2C EEPROM 接口，其 EtherCat 子系统拥有 32 个通用输入和 32 个通用输出，可时控选择性驱动或检测 GPIO，相比分立元件更具优势，能在特定 EtherCat 事件（如帧开始、同步事件或闪存事件）上捕获输入事件，通用输出也可根据帧结束、同步事件或看门狗触发起设置，且将同步和锁存事件集成到器件外设中，实现同步和事件时间戳。

EtherCat IP 可分配给 CPU1 或 CPU2，根据需求灵活选择哪个CPU运行 EtherCat 应用程序。

相关EtherCat 例程可以在安装C2000ware后，在以下路径找到：

C:\ti\c2000\C2000Ware_5_04_00_00\libraries\communications\EtherCat \f28p65x

参考资料：

BiSS-C Absolute Encoder, Master-Interface Reference Design for C2000™ MCUs (Rev. A)

Tamagawa T-Format Absolute-Encoder Master Interface Ref Design for C2000 MCUs (Rev. E)

Fast Current Loop performance: better than we thought, and measurable in your own (Rev. A)

EtherCat ® Interface for High-Performance C2000 MCU User's Guide