毕业设计（论文）-基于SERCOS接口的开放式数控系统

装订线安徽工业大学 毕业设计（论文）报告纸1. 绪 论1.1 数控系统的概述数控,即数字控制（Numerical Control,NC）。自1946年诞生世界上第一台电子计算机以来，由于计算机技术在机床上的应用，于1952年在美国诞生了第一台数控机床。纵观数控系统发展史，可分为两个阶段。数控（NC）阶段（19521970年），这个阶段经历了三代，即第一代电子管，第二代晶体管，第三代小规模集成电路。计算机数控（Computerized Numerical Control,CNC）阶段（1970年现在）计算机数控阶段也经历了三代。即第四代小型计算机，第五代微处理器和第六代基于PC（国外称为PC-BASED）。 表1.1 数控系统发展的六代历史数控系统发展的历史世界产生年代中国产生年代第一代电子管数控系统1952年1958年第二代晶体管数控系统1961年1964年第三代集成电路数控系统1965年1972年第四代小型计算机数控系统1968年1978年第五代微处理器数控系统1974年1981年第六代基于工控PC的通用型CNC系统1990年1992年数控的广泛含义是指对流程工业的过程控制和对离散工业运动控制而言的，机床数控仅仅是运动控制中的一种类型。数控技术的问世己有40多年的历史，它是由机械学、控制论、电子学、计算机科学四大基础学科发展起来的一门综合性的新型学科。数控技术是数控机床的关键技术，数控机床又是推行柔性制造单元（Flexible Manufacturing Cell, FMC）、柔性制造系统（Flexible Manufacturing System, FMS）以及计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System, CIMS）等的基础。数控技术己经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。我国每年都有大量机电产品进口。这也从宏观上说明了机床数控化的必要性。数控技术的特点如下:作用和地位上的战略性;技术上的综合性;控制上的实时性;软件上的领域性;推广应用上的适应性;跟踪上的滞后性;发展上的开放性。随着制造业的发展，中小批量生产的趋势日益增强，对数控机床的柔性和通用性提出了更高的要求，随着计算机技术的飞速发展，各种不同层次的开放式数控系统应运而生，发展很快。目前正朝标准化开放体系结构的方向前进。就结构形式而言，当今世界上的数控系统大致可分为4种类型：(1)传统数控系统。如 FANUC 0系统、MITSUBISHI M50系统、Siemens 810系统等。这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。尽管也可以由用户做人机界面，但必须使用专门的开发工具（如Siemens的WS800A）耗费较多的人力，而对它的功能扩展、改变和维修，都必须求助于系统供应商。目前，这类系统还是占领了制造业的大部分市场。但由于开放体系结构数控系统的发展，传统数控系统的市场正在受到挑战，己逐渐减小。(2)“PC嵌入NC”结构的开放式数控系统。如FANUC18i、16i系统、Siemens810D系统、Num1060系统、AB9/360等数控系统。这是由于一些数控系统制造商不愿放弃多年来积累的数控软件技术，又想利用计算机丰富的软件资源而开发的产品。然而，尽管它也具有一定的开放性，但由于它的NC部分仍然是传统的数控系统，其体系结构还是不开放的。因此，用户无法介入数控系统的核心。这类系统结构复杂、功能强大，但价格昂贵。(3)“NC嵌入PC”结构的开放式数控系统。它由开放体系结构运动控制卡PC机构成。这种运动控制卡通常选用高速DSP作为CPU，具有很强的运动控制和PLC控制能力。它本身就是一个数控系统，可以单独使用。它开放的函数库供用户在WINDOWS平台下自行开发构造所需的控制系统。因而这种开放结构运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制各个领域。如美国Delta Tau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMACNC数控系统、日本MAZAK公司用三菱电机的MELDASMAGIC 64构造的MAZAZATROL 640 CNC等。(4)SOFT型开放式数控系统。这是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活性，它的CNC软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声卡、CDROM和相应的驱动程序一样。用户可以在WINDOWS NT平台上，利用开放的CNC内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，与前几种数控系统相比，S0FT型开放式数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生命力。其典型产品有美国MDSI公司的Open CNC、德国Power Automation公司的PA8000 NT等。 传统数控系统大多是封闭专用的体系结构，用于实现某种专有的功能。这类数控系统虽结构简单、成本低，但若增加用户的特殊功能时需从头开始设计，造成大量人财物的浪费。随着计算机技术的发展，为了满足市场的普及型和个性化需要，现代制造技术对数控技术提出了更高的要求，数控软件的开发也就成为现代数控领域的一项关键技术，即可读性、可维护性和可重用性。PC机进入数控领域，极大地丰富了数控系统的软硬件资源，体系结构上的发展趋势必将是开放性。市场全球化的后果是竞争空前剧烈，从而要求制造商具有较强的市场适应能力，因而市场对适合中小批量加工，具有良好柔性和多功能性的制造系统的需求已逐步超过对大型单一功能的制造系统的需求。这一趋势促成了一个新概念的产生,即模块化、可重构、可扩充的软硬件系统，这就是开放式控制系统。 电气及电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE）定义开放系统是：“具有下列特性的系统可称为开放系统：符合系统规范的应用可运行在多个销售商的平台上，可与其他的系统应用互操作，并且具有一致风格的用户交互界面。”它有五个方面的系统特性：系统互换性、可伸缩性、可移植性、互操作性和可扩展性。它实质上是一种通用计算机上的标准应用程序，而非传统数控系统那样包含许多插件板的专有硬件系统。 研究开放式数控体系的主要目的就是要建立一个模块化、可重构、可扩展、可移植的系统平台。提高控制系统的互连性、增强数控系统的柔性和集成性。数控系统的开放性大致可分为三种。 (1) 开放的人机接口 这种方式使得系统内部、系统与外部设备之间、系统与通讯网络之间、本系统与其他系统之间实现互通，并且可以在保持原有数控基础上充分发挥各个厂家专用芯片的特殊功效，但是人机接口的开放只是为用户提供了按自己需求灵活定制操作界面的途径。 (2) 开放控制内核层接口 这种方式能够根据具体应用情况来确定系统的组成，并可按接口协议集成自己的控制软件模块。它能够充分发挥PC机的作用，利用它完成一些实时性不强或非周期的任务。而实时性的应用任务则由NC或PLC来完成。(3) 控制内核层全部开放 这种方式是一种测定的开放方案。它实际上是一种DNC结构，即用光缆将数字伺服与基于PC机的NC装置相连，组成一个可靠性高，实时性强，完整的CNC系统。它允许用户按照开放结构标准和规范自行开发特殊应用领域中的软件模块和硬件模块。数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。国际研究现状:开放式数控系统是当今数控技术发展的趋势。开放式数控系统的开发是一项高难度的系统工程,它需要大量的资金和优秀人才，而这一点，一般的企业无法承受。在国外，也是将它作为一种战略目标，在政府的资助下进行的。如美国NGC（Next Generation Controller）计划。国内研究现状：我国的数控技术经过近20年的发展，基本上掌握了关键技术，建立了数控开发、生产基地，培养了一批数控人才,初步形成了自己的数控产业。目前国内己有的开放性控制系统有四种：华中型、中华型、航天型和蓝天型。国内的开放控制系统各有优点,但适合我国国情的应是将所有数控功能全软件化的集成式结构，因为这种结构的硬件规模最小，不但有利于降低系统成本，而且更重要的是可以有效提高系统的可靠性。因此，我们在开发新型数控系统时，应优先选用新型高性能CPU（如高主频的Pentium、Pentium等）作为系统的运算和控制核心，并尽量用软件来实现数控的所有功能。这样，可大幅度减小系统硬件的规模。由干一个新型高性能CPU可以代替数十个普通 CPU（如80286、80386等），因此，在基于高性能 CPU的PC平台上不仅可以完成数控系统的基本功能（如信息处理、刀补计算、插补计算、加减速控制等）和开关量控制功能（内装PLC），而且还可以完成伺服控制功能。这样，以前由DSP完成的数字化伺服控制功能（如位置控制、速度控制、矢量变换控制等）均可由PC中的CPU完成，从而实现内装式伺服控制，这不仅有效缩小了数控部分的硬件规模，而且还大幅度缩小了伺服控制部分硬件规模。这种具有内装PLC和内装伺服控制的全软件化集成式数控系统，其硬件规模将达到最小化，整个数控系统除一个PC平台外，剩下的只有驱动机床运动的功率接口和反馈接口。这既有效提高了系统可靠性，又消除了信息传递瓶颈，提高了系统性能，同时还可显著降低系统成本，使系统（包括电机）售价将可降至现有数控系统的一半左右。显然，这种高性能、高可靠性、低成本的新型数控系统将具有极强的竞争力，有望为开创中国数控的新局面作出贡献。并且这种PC数控系统容易实现开放式结构。这是因为，这种系统的硬件本身己经是完全开放的，构成开放式数控系统的工作完全在软件上，只要制定好标准和协议，从信息处理、轨迹插补、加减速控制、开关量控制到伺服控制都可以实现开放，从而可大大方便用户的使用。总之，同计算机设计一样，数控的设计有全新的设计和在系列机基础上的扩展型的设计之分。全新的设计，要从系统的体系结构设计开始，再在体系结构的基础上设计系统的技术规范，最终依据技术规范进行全部硬软件的设计，例如美国的NGC计划，这种全新的设计，不仅技术难度大，还必须有雄厚的资金和较长的开发时间作支持；扩展型的设计，是在原有系统体系结构的基础上，利用其软件的兼容性，并依据器件及技术的发展，设计新的硬软件以适应更新换代的要求。例如，美国Cincinnati Milacron的A2100，DELTA TAU的PMAC等。这些都是在通用PC机体系结构（或原有的CNC）基础上的扩展型设计，充分地利用了通用PC机的软硬件资源，特别是软件资源进行的。这种设计的技术难度低，见效快，而且照样能达到开放性的目的。随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CADCAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。为我国数控产业的发展带来了新的契机。我们应该抓住这一大好时机，迅速开展并深化我国的开放性控制系统的研究，结合我国的实际情况，制定近期和中长期目标与计划，在制定开放性控制系统标准的基础上，尽快推出我国的新一代开放性控制系统产品。1.2 课题的现实意义及本文所做的工作基于SERCOS接口的开放式数控系统能很好地解决变化频繁的需求与封闭控制之间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统平台，增强数控系统的柔性，降低制造成本。开放的目的就是使NC控制器与当今的PC机类似。系统构筑于一个开放的PC平台上，具有模块化的组织结构。允许用户根据需要进行选配和集成，更改或扩展系统的功能迅速适应不同的应用需求，即系统具有互换性、可伸缩性、可移植性、互操作性、可扩展性等等。它实质上是一种通用计算机上的标准应用程序，而非传统数控系统那样包含许多插件板的专有硬件系统。 迅速开展我国开放式控制系统研究，数控技术是制造技术的基础，是提高产品质量和性能，降低产品成本，缩短主产周期的关键。我们处在一个主流系统与非主流系统各行其道、共享市场的时代，中国进入WTO后，大量的外国公司产品及技术将瓜分中国的市场。我们迫切需要有自己的控制系统，以及适合国情的控制系统结构、硬件资源及软件工具。这不仅需要科研人员的不懈努力，还需要市场的培育及支持。有理由相信，有中国特色的先进控制系统将在竞争激烈的自动控制领域占有一席之地。本次研究的内容主要包括： (1) SERCOS接口的研究 SERCOS（Serial Real-time Communication System）接口是数字控制系 统中连接数字控制器、驱动器、执行机构以及输入输出部件，在彼此间进行串行实时通讯的国际标准。 (2) 基于SERCOS接口技术 介绍了SERCOS接口的一般工作原理,介绍了SERCOS接口的操作模式、数据传输、数据结构，数据类型。(3) SERCOS接口的软件驱动器SoftSERCANS讲述了SERCOS接口的发展以及SoftSERCANS的作用和参数设置。 (4) 应用SoftSERCANS编写运动控制程序。2. 数控系统的通信模型2.1 一般通信系统通信系统是传递信息所需的一切技术设备的总和，它一般由信息源和信息接收者、发送、接收设备，传输媒介几部分组成、单向数字通信系统的结构如图2.1所示：信息源接收者编码调制译码解调传输介质图2.1 通信系统的组成(l)信息源和信息接收者 在数字通信系统中传输的信息是数据，是数字化了的信息。这些信息可能是原始数据，也可能是计算机经过处理了的结果，还可能是某些指令或标志。信息源可根据输出信号的性质不同分为模拟信息源和数字信息源。模拟信息源（如电视，电话）输出的信号是幅度连续变化的信号：数字信息源（如计算机）输出的信号是离散的符号序列或文字。模拟信息源可通过采样和量化变换为离散信息源。(2)发送设备 发送设备的基本功能是将信息源和传输媒介匹配起来，即将信息源产生的信息经过编码，并变换为便于传输的信号形式，送往传输媒介。对于数字通信系统来说，发送设备的编码常常又可分为信道编码和信源编码两部分。信源编码是把连续信号变为数字信号，而信道编码则是使数字信号与传输介质匹配，提高传输的可靠性和有效性。变换方式有多种，调制是最常见的变换方式之一。(3)传输介质传输介质是指发送设备到接收设备之间信号传递所经媒介。它可以是无线的，也可以是有线的（包括光纤）。有线和无线均有多种传输媒介，如电磁波、红外线为无线传输介质，各种电缆、光缆、双绞线等为有线传输介质。介质在传输过程中必然会引入某些干扰，如热噪音、脉冲干扰、衰减等。(4)接收设备 接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解密等。他的任务就是从带有干扰的信号中正确恢复出原始信号来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。以上所述是单向通信系统，但在大多数场合下，信源兼为收信者，通信双方需要随时交流信息，因此要求双向通信。这时通信双方都要有发送设备和接收设备。如果两个方向有各自的传输媒介，则双方都可以独立进行发送和接收。但若共用一根传输介质，则必须频率或时间分割的办法来共享。通信系统除了完成信息传递外，还必须进行信息的交换。传输系统和交换系统共同组成一个完整的通信系统，直至构成复杂的通信系统。2.2 数控系统的通信CNC系统作为独立控制单台机床的设备时，通常需要与下列设备相接，并进行数据通信。(1) 输入输出设备，如光电纸带阅读机、纸带穿孔机、机床控制面板、手摇脉冲发生器等。(2) 进给驱动和主轴驱动单元。通常驱动单元与CNC系统装在同一机柜内，通过内部连线相接，无需设置通用I/O接口。(3) CNC系统作为CIMS层，可以是分布式数控系统，柔性制造系统的组成部分，要通过网络连接，即CNC系统具有网络通信功能。目前，国外许多公司生产的CNC系统都配备了完备的通信接口，如SINUMERIK850/880系统除配备有标准的RS-232C接口外，还设置有SINEC H1网络接口和MAP网络接口。2.2.1串行通信串行通信是将要传输的数据一位接一位地按时间先后顺序传送。其特点是使用传输电缆少，通信距离比较远，但传送速率低。串行通信按传输技术分为两种类型：异步通信方式和同步通信方式。异步通信是把传送数据分成小段，每一段有起始标志位和停止标志位，其格式如图2.2所示。这样的一组信息也称为一帧。起始位由一位低电平组成，停止位可以是 l位，2位高电平，数据位可以是58位，数据位后可以加l位奇偶校验位。异步通信是发送端与接收端在约定相同波特率下收发数据，不需要发送同步信号，但由于每发送一个数据要增加约20%的附加信息位，降低了有效数据位的传送效率。 同步通信是将要传送的数据组成一个信息组，称为数据场，在其前面加上同步字符作为整个同步串行数据的起始标志、在数据场结尾加上循环冗余校验码，用以检测传送中是否发生错误。同步传送的速度高于异步但它要求用时钟来实现发送端与接收端之间的同步，故而硬件较复杂。串行通信传输方式，按 CCITT（International Telephone and Telegraph Consultative Committee）规定有单工和双工，美国通信工业规定有单工、半双工和双工。单工：数据流在媒体上的流动是固定单向的：半双工：数据流在媒体上的流动方向是随时间可以切换的，双工：数据流在媒体上双向流动，就是同时可以发送和接收。RS-232C是一种接口标准，因此又称它为RS-232C标准接口或者RS-232C接口，它是一个采用D型插座、25个引脚的连接器，其中大多数引脚的功能或逻辑电平的规定均已定义。有关厂家若按此标准设计接口电路就可以实现串行通信设备的互连。在串行通信的实际应用场合中，如采用半双工通信方式时，最简单的方法是采用三条线，即接收数据线、发送数据线以及一条信号地线。RS-232C的逻辑电平与TTL和MOS完全不同，规定“1”的逻辑电平在-3-15之间，规定“0”的逻辑电平在+3+15之间。高于+15V或低于-15电平被认为无意义，介于+3-3间的电平也为无意义。这种电平称为EIA电平。由于这种电平与TTL电平不同，因此为了与TTL器件连接，必须进行电平转换。RS-232C采用这样的逻辑电平标准主要是为了防止干扰，一般30m距离内可以进行正常的信号传送。在CNC系统中，RS-232C接口用以连接输入输出设备、外部机床控制面板或手摇脉冲发生器。传输速率不超过9600bit/s。SIMENS的CNC中规定连接距离不超过50m。 振铃指示22 22振铃指示 数据终端准备好20 20数据终端准备好载波检测8 8载波检测信号地7 7信号地 数据设备准备好6 6数据设备准备好允许发送5 5允许发送请求发送4 4请求发送接收数据3 3接收数据发送数据2 2发送数据 1 保护地 1 图2.2 RS-232C接口2.2.2 CNC系统的网络通信接口当前对生产自动化提出很高的要求，生产有很高的灵活性并能充分利用制造设备资源。为此，计算机通过工业局部网络（LAN）将CNC系统和各种系统中的设备连网，以构成FMS或CIMS。连网时应能保证高速和可靠地传送数据和程序。在这种情况下，一般采用同步串行传送方式，在CNC系统中设有专用的通信微处理器的通信接口，担负网络通信任务。其通信协议都采用ISO开放式互连系统参考模型的七层结构为基础的有关协议，或IEEE802局部网络有关协议。表2.1 RS-232C电缆引线分配引脚信号说明1保护地（可以不用）2TXD发送数据3RXD接收数据4RTS请求发送5CTS允许发送6DSR数据装置准备好7信号地信号地8DCD载波检测20DTR数据终端准备好22振铃指示响铃信号从计算机网络技术看，计算机网络是通过通信线路并根据一定的通信协议互连起来的独立自主的计算机的集合。CNC系统可以看作是一台具有特殊功能的专用计算机。计算机的互连是为了交换信息，共享资源。工厂范围内应用的主要是局部网络（LAN），通常它有距离限制（几公里），较高的传输速率，较低的误码率和可以采用各种传输介质（如电话线、双绞线、同轴电缆和光导纤维）。ISO的开放式互连系统参考模型（OSI/RM）是国际标准化组织提出的分层结构的计算机通信协议的模型。提出这一模型是为了使世界各国不同厂家生产的设备能够互连，它是网络的基础。OSI/RM在系统结构上具有7个层次，如图2.3所示。图2.3 OSI/RM的七个层次通信一定是在两个系统之间进行。因此两个系统都必须具有相同的层次功能。通信可以认为是在两个系统的对应层次（同等层，Peer）内进行。同等层间通信必须遵循一系列规则或约定，这些规则和约定称为协议。OSI/RM最大优点在于有效地解决了异种机之间的通信问题。不管两个系统之间的差异有多大，只要具有下述特点就可以相互有效地通信：它们完成一组同样的通信功能，这些功能分成相同的层次，对等层提供相同的功能，同等层必须共享共同的协议。局部网络标准由IEEE802委员会提出建议，并已被ISO采用。它只规定了链路层和物理层的协议。它将数据链路层分成逻辑链路控制（LLC）和介质存取控制（MAC）两个子层。MAC中根据采用的LAN技术分成：CSMA/CD（IEEE802.3），令牌总线（Token Bus 802.4），令牌环（Token Ring 802.5）。MAU分基带、载带和宽带传输。传输载体有双绞线、同轴电缆、光导纤维（见图2.4）。 图2.4 LAN的分层结构2.3 SERCOS与其他通信总线SERCOS接口是数字控制系统中连接数字控制器、驱动器、执行机构以及输入输出部件，在彼此间进行串行实时通讯的国际标准（IEC61491）。传统的数控系统采用模拟接口，由于模拟接口对噪声敏感，分辨率有限，信号漂移不可避免，每次只能在一个方向上传送一个命令，接线复杂导致干扰量大及安装难度高等弱点，严重限制了数控系统的性能。在数字驱动器问世后,模拟接口越来越不能满足人们对数控系统开放性、模块化、高速化、多轴分布控制的需求。1986年欧洲各国的一些控制器供应商和OEM设备制造厂组成了一个工作组来开发驱动器和控制器件的下一代开放接口。1989年诞生了SERCOS接口标准，1995年国际电器技术协会采纳它作为国际标准，今天它己成为仅有的开放式高速运动控制接口的国际标准。2.3.1 SERCOS技术国内外现状自1995年SERCOS接口成为国际标准以来，得到了广泛应用。至今全世界有70多家公司SERCOS接口产品（包括数字伺服驱动器，控制器，输入输出组件，接口组件，控制软件等）及技术咨询和产品设计服务。SERCOS接口己经广泛应用于机床，印刷机，食品加工和包装，机器人，包装箱加工，材料处理，纺织机，木材加工，自动装配等领域。1995年Rexroth Indramat公司成功地开发出了SERCANS卡主动式SERCOS主控卡，大大降低了应用SERCOS接口的难度。1999年Rexroth Indramat公司成功开发出了SoftSERCANS及其被动式SERCOS主控卡。2000年开发出了SERCON816 ASIC，把传输速率提高到了16Mbps，大大提高了SERCOS接口能力。国际 SERCOS协会 Internet Grounp SERCOS（IGS）为了推动该项技术的广泛应用，己在欧洲和美国建立了两个SERCOS资格中心（SERCOS interface Competence Center）。国际SERCOS协会总部设在欧洲德国，在北美和日本分别建立了两个分会：SERCOS North America( N.A ) ,SERCOS Janpan，并积极建议在中国建立第三个分会，SERCOS China。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。目前国内SERCOS接口用户有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，但是这些单位所采用的SERCOS接口均限于硬SEROCANS，而不是SoftSERCANS。2000年德国Indramat公司向北京工业大学提供了SoftSERCANS应用技术的全面支持。2.3.2 SERCOS接口与现场总线系统的比较Ethernet是当前流行的网络通讯技术，但它仅定义了网络的物理层，在多年前己放弃了为运动控制接口建立标准的多供应商协议。同时以太网采用的是异步通讯机制，如果要将它用于运动控制必须增加光交换器，其成本将是SERCOS的3到5倍。而采用16Mbps的SERCON816 ASIC芯片的SERCOS接口的有效数据传送率相当100Mbps的以太网。现场总线采用的是异步通讯机制，下表给出现场总线（以标准的Profibus为例）与SERCOS接口的性能差异。 表2.2 SERCOS接口与现场总线的性能比较接口性能现场总线SERCOS连接线2X2噪声干扰低非常低漂移无无数据电文最大容量8byte（可配置）80byte（可配置）正常/极限运动控制周期4ms/2ms（受轴影响很大）0.5ms/0.6265ms（受轴影响很小）响应能力低高（1s）同步精度异步同步2.3.3 SERCOS与其他开放式运动控制总线除SERCOS接口外，目前在市场上还出现了下列两种开放式数字运动控制接口。(1) MACRO (Motion And Control Ring Optical)该总线由美国Delta Tau公司开发。它以环形拓扑和串行发送数据的方式操作。每个环上的主控站有一个数据接收口和数据发送口。在一个环上可以有多个节点（最多到16个），允许联动多个驱动器，并可带有一个I/O站。从运动控制器（主站）发出的数据包由96位串行数据构成，其目标地址是一个指定的从站节点。如果数据包指定的对象不是某一节点，它就继续传送。如果是这个节点，此节点就拷贝此数据包的内容（一般是命令数据），并用反馈值替换命令数据，送回到控制器。MACRO支持非常高的数据传输率（125Mbps），它的动作几乎等同于采用模拟接口时习惯上所做的那样，使用的是传统的PDI（比例、微分、积分）调节（不同于SERCOS的数据报文）。MACRO允许用户选择分布式的智能化驱动器（与SERCOS一样，但是在这里有些控制驻留在运动控制器中，另一些控制驻留在驱动器内）或集中式控制器（由运动控制器处理所有的控制）。MACRO不是标准化接口，虽然它作为非专有系统向外供应，但是除了Delta Tau公司外，接受该接口的制造商是有限的，因而可选择的硬件和提供技术支持的数量是很小的。(2) Fire Wire的系统 Fire Wire非常类似于Ethernet,是一个标准的告诉协议（IEEE 1394），是为更通用化的目的开发出来的。其支持者认为它占有大量的消费品市场，有非常低的产品成本和广泛的支持。Fire Wire不是一个运动控制总线，而是一个物理层定义，供应商必须对它加进协议、信息内容、数据格式和编程，才能兼程一个运动控制总线。若干供应商（Ormec Nyguist Adept）已经这样做了，但是这些系统相互间是不相容的。 它的优点是：具有时实性宽带，支持非常高的非常高的传输率，还支持设备的热插拨和对等通信。它的主要缺点是：当前物理层之外的附加组件对每个制造商都是不同的，具有专有性。表2.3列出了三种开放式运动控制总线的特性比较。SERCOS系统受到最多的批评是它的速度。因为它在总线上的数据传送速率比与之竞争的其他总线低得多，但是实际情况并非如此。首先，任何总线的性能不仅与总线的速度有关，而且与PC机和远程节点如何处理数据有关。数据处理的占用了大部分微处理器的处理时间。SERCOS采用无源接口控制芯片和报文传送数据可以在很大程度上减少数据处理时间。一个实验室测试结果表明：采用SERCOSN816在16Mbit/s传输速率下工作的SERCOS系统的数据处理速率相当于在100Mbit/s传输速率下工作的Ethernet系统的数据处理速率。其次，与其接口不同，SERCOS接口的数据传送速率描述的是一个位置命令的刷新速度，而速度环、电流环和位置环的刷新速度比位置命令的刷新速度快得多，例如，采用4Mbit/s的SERCOS芯片，典型的SERCOS驱动器以2kHz刷新位置环，以4kHz刷新速度环，以16kHz刷新电流环，如果采用16Mbit/s的SERCON芯片，则伺服环的命令刷新速度就要超过其他运动控制接口。而且SERCOS的智能驱动器执行了许多轴控制功能，其他运动控制接口则把大部分轴控制功能放在控制器内。最后，SERCOS接口在高速机器的应用中实际性能很好，完全满足了当今制造业对高速性的要求。实践证明了SERCOS系统在比其他运动控制接口的总线数据传输速度低的情况下达到了更高的生产率水平。 表2.3 开放式运动控制接口的特性比较特性SERCOS接口MACRO接口基于Fire Wire的接口通信类型串行串行串行网络拓扑环型环型树型物理介质光缆光缆，双绞铜线光缆（新），双绞线最大电缆长度塑料光纤：节点间 40m光缆最大长度 10 000m玻璃光纤：节点间 800m光缆最大长度200 000m玻璃光纤： 3000m 铜线： 100m 铜线： 10m通信模式周期性： 用于实时同步通信，通信速度与环上的节点数量有关，最小周期时间为62.5s非周期性： 用于非实时数据传送，例如状态和诊断信息对远程寄存器直接读写同步：用于管理时实通讯，周期时间125s异步：用于非实时数据和信息传送支持的伺服环模式位置，速度，力矩数据块方式（驱动器内插补）位置，速度，力矩，相位电流，PWM位置，速度，力矩传送速度2/4/8/16Mbit/s125Mbit/s400Mbit/s命令刷新速率当传送速度为4Mbit/s时位置环：2KHz (20轴) 4KHz （10轴）速度、电流环：16KHz2KHz-10KHz 位置环和速度环：4KHz(4轴)电流环：16KHz主站数量多个1616每个网络上的最大节点数每环254个允许有多个环每环16个可支持16个环每环4个可支持16个环物理标准（网络上的1、2层）IEC61491/EN61491无IEEE-1394控制标准（协议，信息内容，数据格式，编程）IEC61491/EN61491无工业标准，供应商独有无工业标准，供应商独有供应商数量7578103. SERCOS接口的模块分析3.1 SERCOS接口的结构一个 SERCOS 接口通讯系统由一个主动轴和若干个从动轴组成。这些单元由一个光纤环连接。光纤环开始并结束于主轴。从动轴可以更新、复制它所收到的数据，同时也能发送自己的信号给主动轴。采用这种方式，由主轴发出的信号被所有的从动轴接收到，同时主轴也能接收来自从动轴的数据。光纤可以确保一个可靠的低噪音、高速率的数据传输。如下图3.1所示： 图3.1 SERCOS接口拓扑结构示意图接口控制器是SERCOS通讯系统中的集成芯片，它包含SERCOS接口所有与硬件相关的功能函数，这样就有效的降低了硬件成本和减少微处理器的计算时间。SERCOS的先进性体现在如下几点：(1) 采用光电信号数字同步通讯技术，使数控系统具有高的实时响应能力，精密同步功能及高可靠性。 (2) 强大的通讯能力。SERCOS接口采用环行拓扑结构，每一个环最多可连接40个驱动器及输入输出设备，控制器与所连设备间通过每一运动周期发送一串双向通讯电文来进行彼此间同步通讯，电文长度可大于80字节。这是现场总线无法匹敌的。为了提高数控系统控制轴数量以及系统集成和控制模式的灵活性和可靠性，通讯数据量日益提高，除了控制命令外 还必须包括系统和环上设备参数的自动初始化、控制模式和参数的实时修改以及控制信息、状态信息、诊断信息和其他服务信息。 (3) 全面描述了世界各厂商生产的数字驱动器技术参数，使SERCOS接口具有更高的开放性。为使SERCOS接口成为各制造商共同协定的国际标准，SERCOS接口定义了400多个参数，并为厂商提供了自定义参数的机制，因此技术参数的全面描述代表了SERCOS接口的实力。从信息技术的观点来看，所有重要的驱动数据以多制造商的形式实现标准化使SERCOS接口具有价值的特色，它奠定了此接口在软件层上进行抽象的基础，从而将 一个复杂的自动化技术与信息技术集成起来。从用户的观点来看，他们不再受某个供应商的限制，可以从不同的供应商中选购不同的驱动器和控制器，开放地设计和优化他们的产品解决方案，同时对供应商来讲，可使驱动器和控制器彼此独立的发展。(4) 使分布式控制变得既经济又可靠。现今制造业大量使用柔性化数控主产线，但是在传统的数控生产线上安装有大量的电器柜和密密麻麻的连线， 需采取各种复杂的防干扰措施，故障率和成本都很高。SERCOS接口的采 用，从根本上改变了这种状况。首先，在一般情况下，用一个控制器便可方便的控制生产线上的所有轴的运动：其次，用一对可长达8OO米的光缆便可把所有的驱动器连接起来，而且可以把驱动器直接安放在电机附近，整个系统的装配既简洁又省时，轴数越多，系统的经济性越高。为此在国际上SERCOS接口己经广泛用于食品加工和包装、高速传输、包装箱生产、纸处理和无轴印刷等主产线上。3.2 SERCOS的通信原理 数控装置各功能模块间的通信是按照SERCOS协议进行的。图3.2表示了SERCOS协议通信的原理。由一个控制器和若干个伺服驱动器构成通信回路。通信以循环方式进行，每个循环的时间可设定为62.5s、125s、250s或其整数倍。循环时间的长短以保证控制器和伺服驱动器间的同步通信为前提。图中的Master表示运动控制器，Slave i表示连接在控制回路中的第i个伺服驱动器，MST表示同步信息，ATi表示第i个伺服驱动器发送的数据，MDT为控制器发送到网络上的数据。 图3.2 SERCOS通信原理控制器和伺服驱动器间的通信包含三种情况：（1） 控制器发出同步信息，各伺服驱动器以此同步信息为保证同步通讯的时间基准。（2） 控制器向环路中的所有伺服驱动器发送同步数据(Cycle Data)和伺服数据(Serve Data)。（3） 伺服驱动器将要发送的数据送到相应的时间槽(Time Slots)。通信按照NRZI编码的HDLC协议进行。3.3 SERCOS操作模式在一台机器中，几个驱动器执行由控制器协调的任务。图3.3只画出了几个驱动器中的一个。在图3.3的左边表示被协调的命令值。SERCOS通讯接口支持三种主要的操作模式(力矩（Torque）、速度（Speed）、位置（Position）)。操作模式定义了控制板和驱动器的实时数字消息。除支持主模式外SERCOS还支持几个辅助模式。因为通讯接口的定义取决于控制卡的软硬件、驱动器内的软硬件和配置的实时数据。 图3.3 操作模式在所有模式中，控制卡在每一个采样周期计算一次32bit的命令位置值。命令位置取决于当前的命令加加速度(Jerk)、加速度(Acceleration)和速度(Speed)。并且控制卡计算一个16bit的位置偏差，这是命令位置和驱动器上的实际位置的差异。 在力矩模式，控制卡发送一个16bit的命令力矩给驱动器，驱动器发送一个32bit的实际位置值给控制卡。每一个采样，控制卡按照位置错误和PID算法计算一个新的命令力矩值。控制卡闭合位置和速度环，驱动器闭合力矩环。 在速度模式，控制卡发送一个32bit的命令速度值给驱动器。驱动器发送一个32bit的实际位置值给控制卡。每一个采样，控制卡按照位置错误和PID算法计算一个新的命令速度值。控制卡闭合位置环，驱动器闭合力矩和速度环。在位置模式，控制卡发送一个32bit的命令位置给驱动器。驱动器发送一个32bit的实际位置值给控制卡。每一个采样，控制卡按照位置偏差和PID算法计算一个新的命令位置值。控制卡闭合位置、力矩和速度环。3.4 数据传输SERCOS支持两种数据传输：周期和非周期。 周期数据是Master和Slave（包括驱动器和IO模块）之间发送的重要的实时同步数据。在每个SERCOS周期Master向驱动器和IO模块发送和接收固定长度的消息。这些消息包括电机控制命令信号和相应每个驱动器或数字IO模块的反馈值。周期数据保证在固定的时间间隔到达每个驱动和IO模块再返回Master。 周期的固定长度的数据为非周期数据保留了空间（称为服务通道Service Channel）。Master可能给每个Slave发送2字节的非周期数据。需要注意的是它可能要求几个SERCOS周期，Master才能完成非周期数据的传输。通常非周期数据的传输比周期数据的传输慢得多。报文构成了SERCOS周期，因而报文包含了所有Slave的数据记录。周期数据通过数据记录的周期数据部分发送。非周期数据通过数据记录的服务通道发送。3.4.1 报文控制器与驱动器间的所有数据交换都是通过报文来进行的。SERCOS接口协议定义了3种报文：MST(Master Synchronization Telegram)，MDT（Master Data Telegram）和AT(Drive Telegram)。每种报文包括5个域：BOF（Begin Of Frame），ADR(ADdRess)，MF(Message Field)，FCS(Frame Check Sequence)，EOF（End Of Frame）。3.4.1.1 BOF（帧启始符） 一个报文总是有一个BOF，标志报文的开始。 BOF总是0lll lll0。3.4.1.2 ADR（目标地址） 所有的报文都有一个ADR字节。指示驱动器的地址。从Master来的报文，该地址指示信息的对象。从Slave来的报文，该地址表示源地址，如果地址大于0并且小于255那么地址是合法的。一般驱动器的地址由物理固定在驱动器上的选择器（Selector）决定。地址0是“无站”地址，用于在故障时从环中逻辑意义上移去驱动器。在非周期操作（相位0-2，Phase0-2），Master只能与一个驱动器通讯，在周期操作（相位3，4 Phase3，4），Master可以同时于所有驱动器通讯。图3.4 报文传送时的地址值3.4.1.3 MF（消息域） 每个报文（MST，AT，MDT）包括一个消息域。MST的消息域包括一个8比特的字，低3位包含相位信息。AT的消息域包含一个数据记录。MDT的消息域由一个数据记录构成如果MDT的目标地址是一个特定的驱动器。如果MDT的目标地址是所有的驱动器（255），那么消息域中为每个系统中的驱动器有一个数据记录。3.4.1.4 FCS（帧校验序列）所有的报文都有两个字节的 FCS数，用于校验数据的完整性。校验是根据 ISOIEC3309得到的。3.4.1.5 EOF（帧结束符）EOF标志报文的结束。 EOF总是等