基于SERCOS总线的机器人分布式控制系统

时间:2016年05月11日

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(Serial Real-time Communication System)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。
    
 

基于SERCOS总线的机器人分布式控制系统

 
 

图1 集中式机器人控制系统体系结构

 

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。

 

基于SERCOS总线的机器人分布式控制系统


 

图2 基于CAN总线的机器人分布式控制系统体系结构

 

    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EN 61491。目前,已发展到了SERCOS第三代(SERCOS III)。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

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