基于SERCOS總線的機器人分布式控制系統(tǒng)

隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)增長和科技的進步，機器人技術得到了迅速發(fā)展。從一般的工業(yè)生產(chǎn)，如裝配、焊接，到特殊的應用領域，如醫(yī)療、太空等，機器人在現(xiàn)代社會的各個方面得到了廣泛的應用。目前對機器人的性能要求越來越高，不僅要具有快速的響應特性，較高的跟蹤精度，而且應該有良好的通用性和擴展性，為此，對機器人控制系統(tǒng)提出了越來越高的要求。

一、機器人控制系統(tǒng)體系結構的發(fā)展

傳統(tǒng)的機器人控制系統(tǒng)采用集中式的體系結構。上位機通過運動控制板卡與各個關節(jié)的伺服驅動器以及傳感器相連接。隨著控制系統(tǒng)復雜性的增加，這種體系結構固有的缺點逐漸暴露出來，例如：

·由于配線過多，對系統(tǒng)進行調試及維修比較困難；

·系統(tǒng)的可靠性較差。當需要控制的節(jié)點不斷增加，需要反饋的傳感器信號不斷增多時(例如應用于仿人型機器人)，如果處理信息和產(chǎn)生控制信號都由上位機的中央處理器來完成，那么對它來說是不堪重負的。一旦中央處理器出現(xiàn)故障，將對整個系統(tǒng)帶來嚴重的影響；

·采用基于模擬信號的數(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, 模塊之間的連接復雜，而且相互制約，難以實現(xiàn)十幾個軸以上的同步協(xié)調運動控制；

·機器人所采用的控制器基本上都是基于獨立的結構進行開發(fā)的，采用專用的微處理芯片，專用的機器人語言、專用的操作系統(tǒng)。因此，為開發(fā)另外一個應用系統(tǒng)，開發(fā)人員不得不從頭開始設計控制器，開發(fā)周期長、耗資巨大。這樣的專用的封閉式體系結構阻礙了機器人控制器的發(fā)展，滿足不了現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的要求。

二、現(xiàn)場總線分布式結構體系

隨著機器人控制技術的發(fā)展，開發(fā)“具有開放式結構的模塊化、標準化機器人控制器”便成為當前機器人控制器的一個發(fā)展方向。近幾年來，硬件及軟件技術飛速發(fā)展，高性能、低成本的DSP開始在機器人控制器中廣泛應用。另外，各種高性能的總線技術的發(fā)展也大大提升了控制的實時效果。在現(xiàn)場總線分布式結構中，各種開關量、模擬量就近轉變成數(shù)字信號，所有總線設備間均采用數(shù)字信號進行通信，減小了傳輸誤差，提高了測量和控制精度?，F(xiàn)場總線的應用使導線和連接附件大量減少，安裝、調試及維護的開銷大幅度下降，并且使系統(tǒng)具有優(yōu)異的遠程監(jiān)控功能和故障診斷功能，提高了系統(tǒng)的可靠性?，F(xiàn)場總線還使數(shù)控系統(tǒng)硬件擴展更加方便，當控制軸數(shù)和IO點數(shù)增加時，對系統(tǒng)的硬件結構沒有影響，便于系統(tǒng)的擴充和裁減。由于現(xiàn)場總線的協(xié)議是公開的，不同廠商的設備只要符合相應的標準，就可以實現(xiàn)互聯(lián)、互換。在這些條件下，設計基于現(xiàn)場總線的開放式實時機器人控制器成為可能也成為必要。

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國際上有60多種現(xiàn)場總線形式，常用的有Interbus、Profibus、Modbus、DeviceNet、ControlNet、CAN、CC-link、SERCOS等。在機器人領域比較常用的是如圖2所示的基于CAN總線的分布式結構體系。

在體系結構中，處理反饋信息和產(chǎn)生控制信號的任務分配給了各個節(jié)點的關節(jié)控制器(例如用DSP來實現(xiàn))，上位機只需要和各個關節(jié)控制器通過CAN總線相連接，完成任務調度、人機接口、運動學計算和軌跡規(guī)劃等功能。分布式結構的使用，簡化了控制設備，減少了系統(tǒng)控制的復雜性，降低了成本，而且提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，便于系統(tǒng)進一步擴展。

CAN總線具有技術成熟、成本低、靈活、可靠等優(yōu)點，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)實時性的進一步提高。SERCOS總線能夠提供高達16Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，而且，作為運動控制領域的串行實時國際通信標準，它全面描述了世界各廠商數(shù)字驅動器的技術參數(shù)，具有更高的通用性和開放性。

三、SERCOS總線簡介

高速串行實時通訊系統(tǒng)SERCOS，由德國工業(yè)界于20世紀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時通信的現(xiàn)場總線接口和數(shù)字交換協(xié)議，主要針對自動化系統(tǒng)中的多軸運動控制系統(tǒng)而設計，于1995年被確定為IEC61491(1995)國際標準，1998年被確定為歐洲標準EN 61491。目前，已發(fā)展到了SERCOS第三代(SERCOS III)。它是目前用于數(shù)字伺服和傳動數(shù)據(jù)通信的唯一國際標準。2002年中國也正式頒布了SERCOS協(xié)議的國家標準。

由于SERCOS總線采用光纖傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速率較高，并且具有標準性、開放性、兼容性、實時性等特點，因而特別適合于多軸聯(lián)動控制，實現(xiàn)工業(yè)控制計算機與數(shù)字伺服裝置、傳感器和可編程控制器的IO口之間的實時數(shù)據(jù)通信，現(xiàn)已在數(shù)控機床等數(shù)字控制設備中得到了較廣泛的應用，成為國外最看好的工業(yè)總線之一。和其他總線相比，SERCOS總線的主要優(yōu)點在于：

·數(shù)據(jù)傳輸速率高，目前可達到2、4、8、16Mbps, 可由用戶設定；

·具有極高的有效數(shù)據(jù)傳輸效率。據(jù)測試，由于傳輸時附加的信息量不同，16Mbps的SERCOS總線具有與100Mbps的以太網(wǎng)系統(tǒng)相同的數(shù)據(jù)傳輸性能；

·采用光纖作為傳輸介質，有很高的抗電磁干擾性和電隔離性；

·在伺服數(shù)據(jù)和指令數(shù)據(jù)于不同時刻被發(fā)收的情況下, 可以通過控制參數(shù)來精確規(guī)定它們的采樣時刻和有效時刻, 確保系統(tǒng)的同步和精度；

·SERCOS 通信采用NRZI (非歸零反相) 編碼及HDLC 協(xié)議來保證傳輸?shù)目煽啃?/SPAN>, 并且提供豐富的故障診斷信息，有利于系統(tǒng)的安裝和維護；

·作為國際標準，提供了開放式控制單元和智能數(shù)字驅動器的詳細接口說明。其所有的底層操作、通信、調度等，都按照國際標準的規(guī)定設計，將簡單性和精確性融洽地結合起來，簡化了控制電機的過程。

四、拓撲結構

SERCOS總線采用環(huán)型拓撲結構，上位機通過SERCOS驅動卡可以帶一個或多個SERCOS環(huán)路。每個環(huán)路由一個主站和多個從站組成，主站負責將上位機連接入環(huán)路，從站負責將伺服裝置、IO模塊、AD模塊等連接到環(huán)路上，每個從站可以連接一個或多個伺服裝置。理論上，一個主站最多可以控制254個伺服裝置。但實際應用中，每個主站控制的伺服裝置總數(shù)受通訊周期時間、運行模式、數(shù)據(jù)傳輸率等諸多因數(shù)的影響。SERCOS 接口支持的運行模式有位置控制、速度控制和轉矩控制，不同的軸可以采取不同的運行模式。每個軸可以有一個主運行模式和三個輔助運行模式，并且在運行過程中可以動態(tài)切換運行模式。采用SERCOS接口，可以大大簡化連線和控制硬件，使調試更加方便。由于使用光纖連接，可以徹底消除傳輸過程中的電磁干擾，實現(xiàn)遠距離控制。采用塑料光纖，相鄰站點間最大距離可達80m，采用玻璃光纖，相鄰站點間最大距離可達240m。

基于SERCOS總線的機器人單關節(jié)控制系統(tǒng)的結構如圖4所示。通過SERCOS總線，上位機可以向機器人各關節(jié)發(fā)送位置、速度、轉矩指令值，以及參考偏移量、正反向限幅值等運行參數(shù)，并且可以實時提取各關節(jié)實際位置、速度、轉矩等狀態(tài)信息。關節(jié)控制器根據(jù)從SERCOS總線上接收到的指令，不斷對電機的位置環(huán)、速度環(huán)或者轉矩環(huán)進行采樣，采用積分分離PID等算法進行控制，使得被控量跟蹤給定。關節(jié)控制器的核心處理芯片可以采用DSP來實現(xiàn)。驅動器主要實現(xiàn)功率的放大功能。為了使結構更加緊湊，方便在機器人內部安裝，可以考慮將驅動器和控制器做成一個模塊，即按照一個整體進行設計。當然在驅動器和控制器之間必須采取隔離等適當?shù)谋Ｗo措施。SERCOS接口的作用是將單關節(jié)控制系統(tǒng)連入SERCOS環(huán)路，完成SERCOS物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議解析，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、轉發(fā)等功能。SERCOS接口由光接收器、光發(fā)送器、撥碼開關以及SERCOS接口控制芯片組成。光接收器、光發(fā)送器用于信號的發(fā)送和接收，撥碼開關用于SERCOS地址的選擇，SERCOS接口控制芯片可以選用ST微電子公司生產(chǎn)的SERCON410B或者SERCON816[5]。SERCOS接口軟件則在DSP中運行。

五、通信方式

SERCOS總線在正常運行階段一個通訊周期的工作時序如圖5所示。周期時間Tscyc可以取(0.062，0.125，0.25，0.5，1，2，3，…，65)ms，這主要決定于控制方式和從站數(shù)量。SERCOS協(xié)議定義了主站同步電報MST、伺服電報AT和主站數(shù)據(jù)電報MDT三種電報類型。主站同步電報MST由主站以固定周期發(fā)向所有從站，表示一次通訊周期開始，所有從站都將同時接收到該電報，主站通過它來控制各個從站的同步運行；伺服電報AT由各個伺服從站發(fā)往主站，可將多種伺服信息實時反饋給主站，如伺服軸實際位置、轉速、轉矩、報警信號、診斷信號、狀態(tài)應答信號、伺服參數(shù)和電機參數(shù)等；主站數(shù)據(jù)電報MDT由主站發(fā)給從站，用于向從站發(fā)出控制指令，如伺服軸指令位置、轉速、轉矩、工作方式選擇、伺服參數(shù)和電機參數(shù)等，各個從站均能接收到此電報，并在指定位置找到各自的數(shù)據(jù)。

SERCOS協(xié)議規(guī)定，在正常運行階段之前，主站需要檢測SERCOS環(huán)路是否閉合，識別環(huán)路上的伺服裝置，并且完成網(wǎng)絡通訊參數(shù)的配置，主要包括系統(tǒng)通訊周期Tscyc，各個伺服電報ATx的發(fā)送時刻T1.1、T1.2、…、T1.N，主站數(shù)據(jù)電報MDT的發(fā)送時刻T2，各伺服裝置開始采樣反饋數(shù)據(jù)的時刻T4，各個從站控制數(shù)據(jù)在MDT數(shù)據(jù)區(qū)中的位置和MDT的長度等?？梢?，SERCOS接口的初始化過程是比較復雜的。為此，1995年Rexroth Indramat公司開發(fā)出了主動式的SERCOS接口主控卡，稱為“SERCANS”?？ㄉ嫌幸粋€微處理器，由裝入的軟件執(zhí)行SERCOS環(huán)路的初始化和通信管理，并通過一個雙口RAM與外界共享數(shù)據(jù)，開發(fā)人員只需根據(jù)中斷信號執(zhí)行讀寫操作，大大降低了主站接口開發(fā)的難度。1999年，隨著硬件軟件化的發(fā)展趨勢，Rexroth Indramat公司把SERCANS的主控功能向軟件抽象層上轉移，又成功開發(fā)出了SoftSERCANS，它只需要一個被動式的SERCOS接口主控卡。此卡很簡單，其上沒有微處理器，它比主動式SERCOS接口卡的成本低很多。它提供一個Win32和實時操作系統(tǒng)都能調用的動態(tài)鏈接庫DLL。對開發(fā)者來說不需要處理硬件地址和時序問題，只需要掌握DLL函數(shù)及系統(tǒng)參數(shù)的定義，從而將耗費在SERCOS接口實施上的精力和開銷降低到了最低水平。用SoftSERCANS寫的運動控制應用程序與硬件無關，使系統(tǒng)具有更高的開放性和軟件可移植性。

六、SERCOS總線在機器人領域的應用

如今全球有70多家公司能提供帶有SERCOS 接口的數(shù)字產(chǎn)品，其中包括數(shù)字伺服驅動器、控制器、SERCOS 接口IO模塊，有許多供應商還提供硬件和軟件接口模塊技術、咨詢和產(chǎn)品設計服務等。Beckhoff公司生產(chǎn)的具有PCI接口的SERCOS主控卡FC7501和FC7502。

國外生產(chǎn)的各類印刷機、食品包裝機、裝配機器人及其它具有特殊用途的機器中也不乏SERCOS總線的應用。圖8是AMI公司推出的GP1托盤堆垛機器人，通過SERCOS環(huán)路，可以控制多達40個從動軸。該產(chǎn)品已廣泛用于醫(yī)療、汽車、集裝箱、玻璃制造以及罐頭生產(chǎn)等領域。

德國航天局(DLR)研制的LWRI輕質量機械臂。它總長1338mm，重量僅為14.5kg，關節(jié)最高轉速可達120°s，共有7個軸(R-P-R-P-R-P-R)。采用光纖以及SERCOS協(xié)議進行通信，成功實現(xiàn)了機械臂的位置控制、轉矩控制以及阻抗控制。

近年來，國內也開始嘗試應用SERCOS總線這一后起之秀, 相關的研究也在日益增多。我國自1997年開始從德國Indramat公司購入帶有SERCOS接口的控制器和啟動器。最早引進的單位有大連機床廠和北京工業(yè)大學。北京工業(yè)大學還成立了由德國SERCOS協(xié)會授權的SERCOS 接口技術資格中心，研制出了基于SERCOS接口技術的LINSERCANS軟件(將softSERCANS移植到實時Linux操作系統(tǒng)上)以及數(shù)控橫切機。該中心已經(jīng)連續(xù)3年主辦了與SERCOS 技術相關的國際會議。國內SERCOS接口用戶目前已有20多家。其中包括清華大學、北京機電研究院、北京625所、北人集團、上海高斯印刷機械廠、沈陽第一機床廠、華中數(shù)控集團、北京航空航天大學、二汽設備制造廠、上海大眾汽車廠、上海通用汽車廠等國內著名企業(yè)單位。

目前，國內將SERCOS總線應用于機器人領域尚處于起步階段，但已經(jīng)有一些基于SERCOS總線的機器人系統(tǒng)的成功案例。例如清華大學計算機系等單位研制的大型復雜曲面水火成型智能機器人，它采用了德國Bosch Rexroth公司的SERCANS接口卡和具有SERCOS接口的INDRAMAT伺服電機。這是國內第一個基于SERCOS總線的工業(yè)機器人，現(xiàn)已通過國家863專家組驗收。由于使用了SERCOS總線連接伺服電機，控制機器人5個軸的運動，系統(tǒng)布線大大簡化，增強了抗干擾能力，提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率。另外，清華大學自動化系提出了基于SERCOS總線的兩足步行機器人的設計方案，并且論證了對于傳輸速率為4Mbps的SERCOS總線, 考慮到數(shù)據(jù)間隙和采樣、步態(tài)、姿態(tài)規(guī)劃時間，主計算機的控制周期可保證在10ms, 完成步行機器人的靜態(tài)以及動態(tài)行走的控制是沒有問題的。

哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所和德國宇航中心機器人與系統(tǒng)動力學研究所研制的DLR-I智能機器人靈巧手系統(tǒng)，操作手臂上的電纜線只有一個光纖環(huán)路和4個電源接口。全局手控制器和本地手指控制器之間通過光纖進行連接并以SERCOS的方式進行通訊，在1ms內就可以實現(xiàn)4個手指所有的傳感器信號和控制信號的數(shù)據(jù)交換，并且使整個系統(tǒng)具有高度適應性和可擴展性。

北京航空航天大學也開發(fā)出了ISA總線SERCOS主站卡以及SERCOS主站驅動程序包，可以控制1～36個伺服電機，并且將SERCOS總線應用于教學機器人控制系統(tǒng)。這些研究成果對于新一代開放性智能機器人控制器的研制具有很好的借鑒作用。

七、結語

現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)和機器人研究對機器人控制器開放性的要求越來越迫切，制造業(yè)要求工業(yè)機器人具有更大的柔性和更強大的編程環(huán)境, 以適應不同的應用場合和多品種小批量的生產(chǎn)。SERCOS總線作為數(shù)字伺服和傳動數(shù)據(jù)通信的唯一國際標準，代表了數(shù)字伺服接口的發(fā)展方向，已成為當前數(shù)控技術的研究熱點。這種總線采用光纖連接控制部件，構成封閉的環(huán)路，完成數(shù)據(jù)的實時傳輸，它的通信機制保證了系統(tǒng)的同步運行和控制精度，并且具有很高的可靠性和開放性。因此，利用SERCOS總線進行多軸控制將是機器人系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢。

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