基于SERCOS總線的機器人分布式控制系統(tǒng)
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SERCOS(Serial Real-time Communication System)總線是一種開放式的運動控制總線，其接口協(xié)議已經(jīng)成為用于開放式運動控制的國際標(biāo)準(zhǔn)。這種總線具有完全開放的通訊結(jié)構(gòu)、嚴(yán)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(yīng)了機器人技術(shù)的發(fā)展。本文將介紹SERCOS總線技術(shù)及其在機器人控制系統(tǒng)方面的應(yīng)用情況。
一、機器人控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，如圖1所示。上位機通過運動控制板卡與各個關(guān)節(jié)的伺服驅(qū)動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)固有的缺點逐漸暴露出來，例如：
·由于配線過多，對系統(tǒng)進行調(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)點不斷增加，需要反饋的傳感器信號不斷增多時(例如應(yīng)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(yán)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(fù)雜，而且相互制約，難以實現(xiàn)十幾個軸以上的同步協(xié)調(diào)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(jié)構(gòu)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(yīng)用系統(tǒng)，開發(fā)人員不得不從頭開始設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)
隨著機器人控制技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)“具有開放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機器人控制器”便成為當(dāng)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(shù)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(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時效果。在現(xiàn)場總線分布式結(jié)構(gòu)中，各種開關(guān)量、模擬量就近轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，所有總線設(shè)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(yīng)用使導(dǎo)線和連接附件大量減少，安裝、調(diào)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(dāng)控制軸數(shù)和IO點數(shù)增加時，對系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)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(shè)備只要符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，就可以實現(xiàn)互聯(lián)、互換。在這些條件下，設(shè)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(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，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(lǐng)域的串行實時國際通信標(biāo)準(zhǔn)，它全面描述了世界各廠商數(shù)字驅(qū)動器的技術(shù)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(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(shè)計，于1995年被確定為IEC61491(1995)國際標(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)字伺服和傳動數(shù)據(jù)通信的唯一國際標(biāo)準(zhǔn)。2002年中國也正式頒布了SERCOS協(xié)議的國家標(biāo)準(zhǔn)。
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