隨著我國經濟的持續(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，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。

SERCOS(Serial Real-time Communication System)總線是一種開放式的運動控制總線，其接口協(xié)議已經成為用于開放式運動控制的國際標準。這種總線具有完全開放的通訊結構、嚴格的同步機制和極佳的抗干擾能力，在惡劣的環(huán)境下能夠可靠的實現(xiàn)對多軸運動的實時同步控制，適應了機器人技術的發(fā)展。本文將介紹SERCOS總線技術及其在機器人控制系統(tǒng)方面的應用情況。

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，如圖1所示。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。

圖1 集中式機器人控制系統(tǒng)體系結構
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。現(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。

圖2 基于CAN總線的機器人分布式控制系統(tǒng)體系結構
在圖2的體系結構中，處理反饋信息和產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? 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，如圖3所示。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。