基于SERCOS總線的機器人分布式控制系統
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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，在惡劣的環境下能夠可靠的實現對多軸運動的實時同步控制，適應了機器人技術的發展。本文將介紹SERCOS總線技術及其在機器人控制系統方面的應用情況。
一、機器人控制系統體系結構的發展
傳統的機器人控制系統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的伺服驅動器以及傳感器相連接。隨著控制系統復雜性的增加，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，對系統進行調試及維修比較困難；
·系統的可靠性較差。當需要控制的節點不斷增加，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故障，將對整個系統帶來嚴重的影響；
·采用基于模擬信號的數據傳輸方式，因此系統的抗噪聲能力很差；
·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，難以實現十幾個軸以上的同步協調運動控制；
·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。因此，為開發另外一個應用系統，開發人員不得不從頭開始設計控制器，開發周期長、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展，滿足不了現代工業發展的要求。
圖1 集中式機器人控制系統體系結構
隨著機器人控制技術的發展，開發“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展方向。近幾年來，硬件及軟件技術飛速發展，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展也大大提升了控制的實時效果。在現場總線分布式結構中，各種開關量、模擬量就近轉變成數字信號，所有總線設備間均采用數字信號進行通信，減小了傳輸誤差，提高了測量和控制精度。現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，并且使系統具有優異的遠程監控功能和故障診斷功能，提高了系統的可靠性。現場總線還使數控系統硬件擴展更加方便，當控制軸數和IO點數增加時，對系統的硬件結構沒有影響，便于系統的擴充和裁減。由于現場總線的協議是公開的，不同廠商的設備只要符合相應的標準，就可以實現互聯、互換。在這些條件下，設計基于現場總線的開放式實時機器人控制器成為可能也成為必要。
據不完全統計，目前國際上有60多種現場總線形式，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體系結構
CAN總線具有技術成熟、成本低、靈活、可靠等優點，但是它的數據傳輸速率有限，最高僅為1Mbps，這就限制了系統實時性的進一步提高。SERCOS總線能夠提供高達16Mbps的數據傳輸速率，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字驅動器的技術參數，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SERCOS，由德國工業界于20世紀80年代中期提出，它是一種用于數字伺服和控制器之間高速串行實時通信的現場總線接口和數字交換協議，主要針對自動化系統中的多軸運動控制系統而設計，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，已發展到了SERCOS第三代(SERCOS III)。它是目前用于數字伺服和傳動數據通信的唯一國際標準。2002年中國也正式頒布了SERCOS協議的國家標準。
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