基于SERCOS总线的机器人分布式控制系统

随着我国经济的持续增长和科技的进步，机器人技术得到了迅速发展。从一般的工业生产，如装配、焊接，到特殊的应用领域，如医疗、太空等，机器人在现代社会的各个方面得到了广泛的应用。目前对机器人的性能要求越来越高，不仅要具有快速的响应特性，较高的跟踪精度，而且应该有良好的通用性和扩展性，为此，对机器人控制系统提出了越来越高的要求。

SERCOS（SerialReal-timeCommunicationSystem）总线是一种开放式的运动控制总线，其接口协议已经成为用于开放式运动控制的国际标准。这种总线具有完全开放的通讯结构、严格的同步机制和极佳的抗干扰能力，在恶劣的环境下能够可靠的实现对多轴运动的实时同步控制，适应了机器人技术的发展。本文将介绍SERCOS总线技术及其在机器人控制系统方面的应用情况。

一、机器人控制系统体系结构的发展

传统的机器人控制系统采用集中式的体系结构，如图1所示。上位机通过运动控制板卡与各个关节的伺服驱动器以及传感器相连接。随着控制系统复杂性的增加，这种体系结构固有的缺点逐渐暴露出来，例如：

由于配线过多，对系统进行调试及维修比较困难；

系统的可靠性较差。当需要控制的节点不断增加，需要反馈的传感器信号不断增多时（例如应用于仿人型机器人），如果处理信息和产生控制信号都由上位机的中央处理器来完成，那么对它来说是不堪重负的。一旦中央处理器出现故障，将对整个系统带来严重的影响；

采用基于模拟信号的数据传输方式，因此系统的抗噪声能力很差；

由于控制器的模块繁多,模块之间的连接复杂，而且相互制约，难以实现十几个轴以上的同步协调运动控制；

机器人所采用的控制器基本上都是基于独立的结构进行开发的，采用专用的微处理芯片，专用的机器人语言、专用的操作系统。因此，为开发另外一个应用系统，开发人员不得不从头开始设计控制器，开发周期长、耗资巨大。这样的专用的封闭式体系结构阻碍了机器人控制器的发展，满足不了现代工业发展的要求。

二、现场总线分布式结构体系

随着机器人控制技术的发展，开发“具有开放式结构的模块化、标准化机器人控制器”便成为当前机器人控制器的一个发展方向。近几年来，硬件及软件技术飞速发展，高性能、低成本的DSP开始在机器人控制器中广泛应用。另外，各种高性能的总线技术的发展也大大提升了控制的实时效果。在现场总线分布式结构中，各种开关量、模拟量就近转变成数字信号，所有总线设备间均采用数字信号进行通信，减小了传输误差，提高了测量和控制精度。现场总线的应用使导线和连接附件大量减少，安装、调试及维护的开销大幅度下降，并且使系统具有优异的远程监控功能和故障诊断功能，提高了系统的可靠性。现场总线还使数控系统硬件扩展更加方便，当控制轴数和IO点数增加时，对系统的硬件结构没有影响，便于系统的扩充和裁减。由于现场总线的协议是公开的，不同厂商的设备只要符合相应的标准，就可以实现互联、互换。在这些条件下，设计基于现场总线的开放式实时机器人控制器成为可能也成为必要。

据不完全统计，目前国际上有60多种现场总线形式，常用的有Interbus、Profibus、Modbus、DeviceNet、ControlNet、CAN、CC-link、SERCOS等。在机器人领域比较常用的是如图2所示的基于CAN总线的分布式结构体系。

                                    图2 基于CAN总线的分布式结构体系

在图2的体系结构中，处理反馈信息和产生控制信号的任务分配给了各个节点的关节控制器（例如用DSP来实现），上位机只需要和各个关节控制器通过CAN总线相连接，完成任务调度、人机接口、运动学计算和轨迹规划等功能。分布式结构的使用，简化了控制设备，减少了系统控制的复杂性，降低了成本，而且提高了系统的稳定性，便于系统进一步扩展。

CAN总线具有技术成熟、成本低、灵活、可靠等优点，但是它的数据传输速率有限，最高仅为1Mbps，这就限制了系统实时性的进一步提高。SERCOS总线能够提供高达16Mbps的数据传输速率，而且，作为运动控制领域的串行实时国际通信标准，它全面描述了世界各厂商数字驱动器的技术参数，具有更高的通用性和开放性。

三、SERCOS总线简介

高速串行实时通讯系统SERCOS，由德国工业界于20世纪80年代中期提出，它是一种用于数字伺服和控制器之间高速串行实时通信的现场总线接口和数字交换协议，主要针对自动化系统中的多轴运动控制系统而设计，于1995年被确定为IEC61491（1995）国际标准，1998年被确定为欧洲标准EN61491。目前，已发展到了SERCOS第三代（SERCOSIII）。它是目前用于数字伺服和传动数据通信的唯一国际标准。2002年中国也正式颁布了SERCOS协议的国家标准。

由于SERCOS总线采用光纤传输，数据传输速率较高，并且具有标准性、开放性、兼容性、实时性等特点，因而特别适合于多轴联动控制，实现工业控制计算机与数字伺服装置、传感器和可编程控制器的IO口之间的实时数据通信，现已在数控机床等数字控制设备中得到了较广泛的应用，成为国外最看好的工业总线之一。和其他总线相比，SERCOS总线的主要优点在于：

数据传输速率高，目前可达到2、4、8、16Mbps,可由用户设定；

具有极高的有效数据传输效率。据测试，由于传输时附加的信息量不同，16Mbps的SERCOS总线具有与100Mbps的以太网系统相同的数据传输性能；

采用光纤作为传输介质，有很高的抗电磁干扰性和电隔离性；

在伺服数据和指令数据于不同时刻被发收的情况下,可以通过控制参数来精确规定它们的采样时刻和有效时刻,确保系统的同步和精度；

SERCOS通信采用NRZI（非归零反相）编码及HDLC协议来保证传输的可靠性,并且提供丰富的故障诊断信息，有利于系统的安装和维护；

作为国际标准，提供了开放式控制单元和智能数字驱动器的详细接口说明。其所有的底层操作、通信、调度等，都按照国际标准的规定设计，将简单性和精确性融洽地结合起来，简化了控制电机的过程。

四、拓扑结构

SERCOS总线采用环型拓扑结构，上位机通过SERCOS驱动卡可以带一个或多个SERCOS环路，如图3所示。每个环路由一个主站和多个从站组成，主站负责将上位机连接入环路，从站负责将伺服装置、IO模块、AD模块等连接到环路上，每个从站可以连接一个或多个伺服装置。理论上，一个主站最多可以控制254个伺服装置。但实际应用中，每个主站控制的伺服装置总数受通讯周期时间、运行模式、数据传输率等诸多因数的影响。SERCOS接口支持的运行模式有位置控制、速度控制和转矩控制，不同的轴可以采取不同的运行模式。每个轴可以有一个主运行模式和三个辅助运行模式，并且在运行过程中可以动态切换运行模式。采用SERCOS接口，可以大大简化连线和控制硬件，使调试更加方便。由于使用光纤连接，可以彻底消除传输过程中的电磁干扰，实现远距离控制。采用塑料光纤，相邻站点间最大距离可达80m，采用玻璃光纤，相邻站点间最大距离可达240m。

                                     图3 基于SERCOS总线采用环型拓扑结构

                              图4 基于SERCOS总线的机器人单关节控制系统结构

基于SERCOS总线的机器人单关节控制系统的结构如图4所示。通过SERCOS总线，上位机可以向机器人各关节发送位置、速度、转矩指令值，以及参考偏移量、正反向限幅值等运行参数，并且可以实时提取各关节实际位置、速度、转矩等状态信息。关节控制器根据从SERCOS总线上接收到的指令，不断对电机的位置环、速度环或者转矩环进行采样，采用积分分离PID等算法进行控制，使得被控量跟踪给定。关节控制器的核心处理芯片可以采用DSP来实现。驱动器主要实现功率的放大功能。为了使结构更加紧凑，方便在机器人内部安装，可以考虑将驱动器和控制器做成一个模块，即按照一个整体进行设计。当然在驱动器和控制器之间必须采取隔离等适当的保护措施。SERCOS接口的作用是将单关节控制系统连入SERCOS环路，完成SERCOS物理层和数据链路层协议解析，实现数据存储、转发等功能。SERCOS接口由光接收器、光发送器、拨码开关以及SERCOS接口控制芯片组成。光接收器、光发送器用于信号的发送和接收，拨码开关用于SERCOS地址的选择，SERCOS接口控制芯片可以选用ST微电子公司生产的SERCON410B或者SERCON816[5]。SERCOS接口软件则在DSP中运行。

五、通信方式

SERCOS总线在正常运行阶段一个通讯周期的工作时序如图5所示。周期时间Tscyc可以取（0.062，0.125，0.25，0.5，1，2，3，…，65）ms，这主要决定于控制方式和从站数量。SERCOS协议定义了主站同步电报MST、伺服电报AT和主站数据电报MDT三种电报类型。主站同步电报MST由主站以固定周期发向所有从站，表示一次通讯周期开始，所有从站都将同时接收到该电报，主站通过它来控制各个从站的同步运行；伺服电报AT由各个伺服从站发往主站，可将多种伺服信息实时反馈给主站，如伺服轴实际位置、转速、转矩、报警信号、诊断信号、状态应答信号、伺服参数和电机参数等；主站数据电报MDT由主站发给从站，用于向从站发出控制指令，如伺服轴指令位置、转速、转矩、工作方式选择、伺服参数和电机参数等，各个从站均能接收到此电报，并在指定位置找到各自的数据。

SERCOS协议规定，在正常运行阶段之前，主站需要检测SERCOS环路是否闭合，识别环路上的伺服装置，并且完成网络通讯参数的配置，主要包括系统通讯周期Tscyc，各个伺服电报ATx的发送时刻T1.1、T1.2、…、T1.N，主站数据电报MDT的发送时刻T2，各伺服装置开始采样反馈数据的时刻T4，各个从站控制数据在MDT数据区中的位置和MDT的长度等。可见，SERCOS接口的初始化过程是比较复杂的。为此，1995年RexrothIndramat公司开发出了主动式的SERCOS接口主控卡，称为“SERCANS”。卡上有一个微处理器，由装入的软件执行SERCOS环路的初始化和通信管理，并通过一个双口RAM与外界共享数据，开发人员只需根据中断信号执行读写操作，大大降低了主站接口开发的难度。1999年，随着硬件软件化的发展趋势，RexrothIndramat公司把SERCANS的主控功能向软件抽象层上转移，又成功开发出了SoftSERCANS，它只需要一个被动式的SERCOS接口主控卡。此卡很简单，其上没有微处理器，它比主动式SERCOS接口卡的成本低很多。它提供一个Win32和实时操作系统都能调用的动态链接库DLL。对开发者来说不需要处理硬件地址和时序问题，只需要掌握DLL函数及系统参数的定义，从而将耗费在SERCOS接口实施上的精力和开销降低到了最低水平。用SoftSERCANS写的运动控制应用程序与硬件无关，使系统具有更高的开放性和软件可移植性。

六、SERCOS总线在机器人领域的应用

如今全球有70多家公司能提供带有SERCOS接口的数字产品，其中包括数字伺服驱动器、控制器、SERCOS接口IO模块，有许多供应商还提供硬件和软件接口模块技术、咨询和产品设计服务等。图6是Beckhoff公司生产的具有PCI接口的SERCOS主控卡FC7501和FC7502。图7是SERCOS总线信号传输使用的塑料光纤。

                             图6 具有PCI接口的SERCOS主控卡FC7501和FC7502

                                 图7 SERCOS总线信号传输使用的塑料光纤

国外生产的各类印刷机、食品包装机、装配机器人及其它具有特殊用途的机器中也不乏SERCOS总线的应用。图8是AMI公司推出的GP1托盘堆垛机器人，通过SERCOS环路，可以控制多达40个从动轴。该产品已广泛用于医疗、汽车、集装箱、玻璃制造以及罐头生产等领域。

                                       图8 LWRI轻质量机械臂

图9是德国航天局（DLR）研制的LWRI轻质量机械臂。它总长1338mm，重量仅为14.5kg，关节最高转速可达120�s，共有7个轴（R-P-R-P-R-P-R）。采用光纤以及SERCOS协议进行通信，成功实现了机械臂的位置控制、转矩控制以及阻抗控制。

                                             图9 德国LWR-I轻质量机械臂

近年来，国内也开始尝试应用SERCOS总线这一后起之秀,相关的研究也在日益增多。我国自1997年开始从德国Indramat公司购入带有SERCOS接口的控制器和启动器。最早引进的单位有大连机床厂和北京工业大学。北京工业大学还成立了由德国SERCOS协会授权的SERCOS接口技术资格中心，研制出了基于SERCOS接口技术的LINSERCANS软件（将softSERCANS移植到实时Linux操作系统上）以及数控横切机。该中心已经连续3年主办了与SERCOS技术相关的国际会议。国内SERCOS接口用户目前已有20多家。其中包括清华大学、北京机电研究院、北京625所、北人集团、上海高斯印刷机械厂、沈阳第一机床厂、华中数控集团、北京航空航天大学、二汽设备制造厂、上海大众汽车厂、上海通用汽车厂等国内著名企业单位。

目前，国内将SERCOS总线应用于机器人领域尚处于起步阶段，但已经有一些基于SERCOS总线的机器人系统的成功案例。例如清华大学计算机系等单位研制的大型复杂曲面水火成型智能机器人，它采用了德国BoschRexroth公司的SERCANS接口卡和具有SERCOS接口的INDRAMAT伺服电机。这是国内第一个基于SERCOS总线的工业机器人，现已通过国家863专家组验收。由于使用了SERCOS总线连接伺服电机，控制机器人5个轴的运动，系统布线大大简化，增强了抗干扰能力，提高了数据的传输速率。另外，清华大学自动化系提出了基于SERCOS总线的两足步行机器人的设计方案，并且论证了对于传输速率为4Mbps的SERCOS总线,考虑到数据间隙和采样、步态、姿态规划时间，主计算机的控制周期可保证在10ms,完成步行机器人的静态以及动态行走的控制是没有问题的。

图10是哈尔滨工业大学机器人研究所和德国宇航中心机器人与系统动力学研究所研制的DLR-I智能机器人灵巧手系统，操作手臂上的电缆线只有一个光纤环路和4个电源接口。全局手控制器和本地手指控制器之间通过光纤进行连接并以SERCOS的方式进行通讯，在1ms内就可以实现4个手指所有的传感器信号和控制信号的数据交换，并且使整个系统具有高度适应性和可扩展性。

                                           图10 DLR-I智能机器人灵巧手

北京航空航天大学也开发出了ISA总线SERCOS主站卡以及SERCOS主站驱动程序包，可以控制1～36个伺服电机，并且将SERCOS总线应用于教学机器人控制系统。这些研究成果对于新一代开放性智能机器人控制器的研制具有很好的借鉴作用。

七、结语

现代化工业生产和机器人研究对机器人控制器开放性的要求越来越迫切，制造业要求工业机器人具有更大的柔性和更强大的编程环境,以适应不同的应用场合和多品种小批量的生产。SERCOS总线作为数字伺服和传动数据通信的唯一国际标准，代表了数字伺服接口的发展方向，已成为当前数控技术的研究热点。这种总线采用光纤连接控制部件，构成封闭的环路，完成数据的实时传输，它的通信机制保证了系统的同步运行和控制精度，并且具有很高的可靠性和开放性。因此，利用SERCOS总线进行多轴控制将是机器人系统的未来发展趋势。