隨著我國經濟的持續增長和科技的進步，機器人技術得到了迅速發展。從一般的工業生產，如裝配、焊接，到特殊的應用領域，如醫療、太空等，機器人在現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
二、現場總線分布式結構體系

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
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點的關節控制器(例如用DSP來實現)，上位機只需要和各個關節控制器通過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劃等功能。分布式結構的使用，簡化了控制設備，減少了系統控制的復雜性，降低了成本，而且提高了系統的穩定性，便于系統進一步擴展。

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。

由于SERCOS總線采用光纖傳輸，數據傳輸速率較高，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動控制，實現工業控制計算機與數字伺服裝置、傳感器和可編程控制器的IO口之間的實時數據通信，現已在數控機床等數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總線之一。和其他總線相比，SERCOS總線的主要優點在于：

·數據傳輸速率高，目前可達到2、4、8、16Mbps, 可由用戶設定；
·具有極高的有效數據傳輸效率。據測試，由于傳輸時附加的信息量不同，16Mbps的SERCOS總線具有與100Mbps的以太網系統相同的數據傳輸性能；
·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；
·在伺服數據和指令數據于不同時刻被發收的情況下, 可以通過控制參數來精確規定它們的采樣時刻和有效時刻, 確保系統的同步和精度；
·SERCOS 通信采用NRZI (非歸零反相) 編碼及HDLC 協議來保證傳輸的可靠性, 并且提供豐富的故障診斷信息，有利于系統的安裝和維護；
·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總線采用環型拓撲結構，上位機通過SERCOS驅動卡可以帶一個或多個SERCOS環路，如圖3所示。每個環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路，從站負責將伺服裝置、IO模塊、AD模塊等連接到環路上，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受通訊周期時間、運行模式、數據傳輸率等諸多因數的影響。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。