基于SERCOS總線的機(jī)器人分布式控制系統(tǒng)
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SERCOS(Serial Real-time Communication System)總線是一種開(kāi)放式的運(yùn)動(dòng)控制總線，其接口協(xié)議已經(jīng)成為用于開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。這種總線具有完全開(kāi)放的通訊結(jié)構(gòu)、嚴(yán)格的同步機(jī)制和極佳的抗干擾能力，在惡劣的環(huán)境下能夠可靠的實(shí)現(xiàn)對(duì)多軸運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)同步控制，適應(yīng)了機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。本文將介紹SERCOS總線技術(shù)及其在機(jī)器人控制系統(tǒng)方面的應(yīng)用情況。
一、機(jī)器人控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展
傳統(tǒng)的機(jī)器人控制系統(tǒng)采用集中式的體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。上位機(jī)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制板卡與各個(gè)關(guān)節(jié)的伺服驅(qū)動(dòng)器以及傳感器相連接。隨著控制系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，這種體系結(jié)構(gòu)固有的缺點(diǎn)逐漸暴露出來(lái)，例如：
·由于配線過(guò)多，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試及維修比較困難；
·系統(tǒng)的可靠性較差。當(dāng)需要控制的節(jié)點(diǎn)不斷增加，需要反饋的傳感器信號(hào)不斷增多時(shí)(例如應(yīng)用于仿人型機(jī)器人)，如果處理信息和產(chǎn)生控制信號(hào)都由上位機(jī)的中央處理器來(lái)完成，那么對(duì)它來(lái)說(shuō)是不堪重負(fù)的。一旦中央處理器出現(xiàn)故障，將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重的影響；
·采用基于模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸方式，因此系統(tǒng)的抗噪聲能力很差；
·由于控制器的模塊繁多, 模塊之間的連接復(fù)雜，而且相互制約，難以實(shí)現(xiàn)十幾個(gè)軸以上的同步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制；
·機(jī)器人所采用的控制器基本上都是基于獨(dú)立的結(jié)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，采用專用的微處理芯片，專用的機(jī)器人語(yǔ)言、專用的操作系統(tǒng)。因此，為開(kāi)發(fā)另外一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)人員不得不從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)控制器，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、耗資巨大。這樣的專用的封閉式體系結(jié)構(gòu)阻礙了機(jī)器人控制器的發(fā)展，滿足不了現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的要求。
圖1 集中式機(jī)器人控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
隨著機(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)發(fā)“具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器”便成為當(dāng)前機(jī)器人控制器的一個(gè)發(fā)展方向。近幾年來(lái)，硬件及軟件技術(shù)飛速發(fā)展，高性能、低成本的DSP開(kāi)始在機(jī)器人控制器中廣泛應(yīng)用。另外，各種高性能的總線技術(shù)的發(fā)展也大大提升了控制的實(shí)時(shí)效果。在現(xiàn)場(chǎng)總線分布式結(jié)構(gòu)中，各種開(kāi)關(guān)量、模擬量就近轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，所有總線設(shè)備間均采用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行通信，減小了傳輸誤差，提高了測(cè)量和控制精度。現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用使導(dǎo)線和連接附件大量減少，安裝、調(diào)試及維護(hù)的開(kāi)銷大幅度下降，并且使系統(tǒng)具有優(yōu)異的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能和故障診斷功能，提高了系統(tǒng)的可靠性?，F(xiàn)場(chǎng)總線還使數(shù)控系統(tǒng)硬件擴(kuò)展更加方便，當(dāng)控制軸數(shù)和IO點(diǎn)數(shù)增加時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)沒(méi)有影響，便于系統(tǒng)的擴(kuò)充和裁減。由于現(xiàn)場(chǎng)總線的協(xié)議是公開(kāi)的，不同廠商的設(shè)備只要符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，就可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)、互換。在這些條件下，設(shè)計(jì)基于現(xiàn)場(chǎng)總線的開(kāi)放式實(shí)時(shí)機(jī)器人控制器成為可能也成為必要。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)際上有60多種現(xiàn)場(chǎng)總線形式，常用的有Interbus、Profibus、Modbus、DeviceNet、ControlNet、CAN、CC-link、SERCOS等。在機(jī)器人領(lǐng)域比較常用的是如圖2所示的基于CAN總線的分布式結(jié)構(gòu)體系。
圖2 基于CAN總線的機(jī)器人分布式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
CAN總線具有技術(shù)成熟、成本低、靈活、可靠等優(yōu)點(diǎn)，但是它的數(shù)據(jù)傳輸速率有限，最高僅為1Mbps，這就限制了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的進(jìn)一步提高。SERCOS總線能夠提供高達(dá)16Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，而且，作為運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的串行實(shí)時(shí)國(guó)際通信標(biāo)準(zhǔn)，它全面描述了世界各廠商數(shù)字驅(qū)動(dòng)器的技術(shù)參數(shù)，具有更高的通用性和開(kāi)放性。
三、SERCOS總線簡(jiǎn)介
高速串行實(shí)時(shí)通訊系統(tǒng)SERCOS，由德國(guó)工業(yè)界于20世紀(jì)80年代中期提出，它是一種用于數(shù)字伺服和控制器之間高速串行實(shí)時(shí)通信的現(xiàn)場(chǎng)總線接口和數(shù)字交換協(xié)議，主要針對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)中的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，于1995年被確定為IEC61491(1995)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，1998年被確定為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 61491。目前，已發(fā)展到了SERCOS第三代(SERCOS III)。它是目前用于數(shù)字伺服和傳動(dòng)數(shù)據(jù)通信的唯一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。2002年中國(guó)也正式頒布了SERCOS協(xié)議的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
評(píng)論