民族伺服产业接口互联技术之我见[原创] 点击：5231 | 回复：104
民族伺服产业接口互联技术之我见
1. 引言：民族伺服产业星火燎原
对于国人而言，现代永磁交流伺服技术的硬件和算法瓶颈目前早已不复存在，与十几年年前相比，全数字交流伺服已不再是什么高不可攀的先进技术，这可以归功于以下几点：
1）首先是近些年来以永磁交流伺服技术为代表的现代伺服技术的性能不断提升，成本不断下降，应用领域和规模不断扩大，伺服应用技术已然在国内工业自动化行业中取得了越来越广泛的应用和普及，同时以矢量控制、SVPWM和数字PID技术为基础的永磁交流伺服技术也逐渐为越来越多的国人所掌握。
2）其次是国内伺服电机制造能力的空前提升，十几年前，国内只有华大电机，兰州电机厂，冶金部自动化院华腾数控等少数几家企业具备永磁伺服电机的制造能力，而且产能极为有限。随着伺服应用的普及，国内伺服电机的制造能力也得到空前提升，目前仅广州数控、华大电机、登奇电机、珠海运控等企业的年产销量之和就很可能已经突破了20万台，再加上台达、东元、苏强电机、沈阳勃孚、杭州米格、南京埃斯顿、浙江卧龙等企业，实际产能只会更大。
3）再则是DSP和MCU等芯片技术的快速发展，造就了众多的可专用于伺服控制的DSP和MCU等单芯片控制器资源，比如TI公司的2000系列DSP、ADI公司的29000系列DSP、Freescale的F56800系列DSP、Microchip公司的dsPIC32系列DSC、以及ST公司的Cortex-M3内核的ARM单片机、Renesas和NEC的32位高性能RISC单片机等等，与此同时，掌握DSP和ARM等单芯片开发技术的工程师群体也在不断壮大。
4）最后是以IGBT为核心的功率集成模块PIM和智能功率模块IPM技术不断推陈出新，新品层出不穷，比如Eupec、Semikon、Tyco、Microsemi等公司的PIM，三菱、东芝、Fairchild等公司的IPM，加上Avago、IR、Fairchild、东芝、夏普等公司的IGBT栅极驱动光耦和高耐压栅极驱动器产品的不断完善和推出，功率驱动技术也越来越容易实现，越来越安全，越来越普及。
上述因素综合在一起，共同促就了国内伺服产业在短短的不足十年时间里实现了从起步到全面扩展的展态势。近些年来，不甘寂寞的国内工业自动化相关企业已开始纷纷投入到伺服驱动器产品的研发和生产中来，比如数控系统企业中的华中数控、广州数控、航天数控、上海开通、圣维数控、大连光洋等，电机和驱动企业中的华大电机、登奇电机、珠海运控、和利时电机、南京埃斯顿、桂林星辰、东元等，运动控制相关企业中的深圳众为兴、深圳步进等，乃至曾几何时以变频器为龙头产品的台达、普传、汇川等都已纷纷投身伺服产业。
就如十几年前的步进驱动系统和变频驱动技术的普及和开发热潮一样，国内伺服技术开发和自有品牌的伺服产品已大有星火燎原之势。
2.现状：民族伺服接口技术裹足不前
如前所述，以广数、华大电机为代表的民族数控和伺服厂商以其经济型（低端）战略已经成功地在中国伺服市场占领了一席之地，然而在中高端伺服市场，尚没有可以在性能和功能上足以和欧美日中高端伺服产品一较高下的民族伺服产品，因此目前国内伺服产业的繁荣至多也只不过是在“后步进”时代的低端通用伺服技术泛滥的结果，民族伺服产业的内部竞争态势就“红海”和“蓝海”而言大概也只在一线之间，业内厂家还没有足够的勇气和底气令国内伺服市场不再是国外企业的蓝海，尤其是中高端伺服市场，国人仍旧处于可望而不可及的境地，任由大把的银子被国外中高端伺服产品毫不留情地以高价格赚走。
难道国人就只能一方面在低端伺服市场拼得你死我活、杀得头破血流，另一方面却要眼睁睁地看着外国人毫不费力地在中高端伺服市场赚得盆满钵满，满载而归吗？我们就不能把战火延伸到中高端伺服市场，乃至烧到外国人的老家吗？！情绪的宣泄往往和事实之间存在着巨大的差异，国内伺服技术是继续走低端替代之路呢？还是向中高端有所突破？这不仅仅是从事该行业的技术人员的困惑和心痛，也是该行业企业领导人的痛苦抉择。毕竟做高端不是那么容易，资金投入，技术来源，人力资源，采购供应，制造保障，市场声誉，营销成本等等都将制约走向中高端之路，因此走向中高端，虽然是伺服业界技术人员的梦想，却也是伺服业界决策人员的雷池。总之，继续走低端还是开始迈向中高端，这是国内伺服相关产业发展到今天不得不面临的一个两难局面。
就国内伺服的接口技术而言，之所以长期裹足不前，几乎始终固守于脉冲串接口，其实存在着一些历史的和系统的必然因素：
1）仿制和替代的需求
国人在工业技术上的落后和缺乏创新能力是长期以来不争的事实，然而又不甘于受制于人，眼瞅着大把的利润被外国人拿走，因而当国人的技术能力和认识水平足以仿制一款进口产品时，就会纷至踏来，竞相模仿，始于上世纪90年代中期的步进热潮，变频热潮就是很好的例证。近十年来，随着电机技术，控制算法，DSP，电力电子技术日益为国人所掌握和领会，做伺服已经不再是象牙塔中阳春白雪的研究，而是国人可以普遍为之的、有利可图之的产业，因而就做起来了。不过，由于是初级阶段，加之又多年深受近邻日本有意无意的影响，日系低端通用伺服产品早已被国人用惯了，所以本着替代日系低端通用伺服产品和抢占市场的目标，仿制也就成了必然之举。
2）市场现实和技术惯性的需求
由于日系低端通用伺服产品在国内的使用和影响已然根深蒂固，而且国人早已习惯于在步进电机时代使用脉冲接口形式，因此采用步进接口不仅简单，而且可以直接替代步进电机，提升产品档次，改善产品技术形象。我们不妨可以称这种广泛采用脉冲接口技术的简易伺服技术为“后步进时代”的低端伺服技术。以国内数控系统的演进历史来说，本来引进的FANUC3系统是以模拟接口实现全闭环控制，到了Kxx手里，却逐步演化成了步进电机接口，乃至如今的脉冲伺服接口；还有引进的FANUC6系统，变为Gxx的98x后，起初也不用脉冲接口，可是仍有用户要求使用脉冲接口，于是就只能补上个脉冲接口，只是可惜了FANUC6应有的性能。
3）技术能力使然
目前仍旧是国内伺服技术的初级阶段，因而还存在技术能力上的问题。伺服和电机本身的技术能力可能还不足以支撑一个高性能的伺服产品体系，因而即便是配上高性能的总线，也会不免显得有些多余和滑稽。而且国人对总线技术的认识和掌握能力也有限，况且总线化不仅仅是伺服的问题，上位的控制系统也得总线化，可是国产数控系统目前连全闭环都懒得做，广义运控系统也还远不成气候，眼下哪儿还会顾及总线问题？所以说技术能力是一个涉及系统化的问题和难题，也就是说，伺服的总线化，应与系统的总线化同步推行，方有市场价值，这个推行过程本身也将是国人技术认识水平和产业能力提升的过程。
3.国外：总线化伺服接口技术战火正酣
早在国人还醉心于仿制脉冲串接口的日系低端通用伺服产品之前，欧美日的中高端伺服技术体系就已经纷纷摆脱了通过模拟接口进行高精度速度和电流控制或者结合上位控制器进行位置全闭环控制的传统模式，走上了通过同步化串行总线技术进行分布式智能驱动的道路。根据总线传输所依赖的物理介质的不同，大致可以分为以下几类：
1）基于RS-485和线驱动技术的串行总线技术
CANopen是相对中立的Cia组织公布的一整套协议，其中包括和运动控制有关的伺服通讯协议，在欧美中低端伺服产品应用广泛，不足之处在于基于CAN总线协议，属事件触发型总线，不具备严格的时间同步机制。其优势在于目前很多DSP和MCU上都集成有CAN总线控制器接口。
DeviceNet是以Rockwell为主要发起人的ODVA组织在CAN总线基础上开发的一套包括伺服控制的基于CIP应用层协议，与CANopen类似，由于是基于CAN总线协议，也属余事件触发型总线，不具备严格的时间同步机制，在欧美日中低端伺服产品中应用非常广泛。
Profibus DP是Siemens公司主推的Profibus总线技术中的一种类型，具备一定能力的软实时同步触发机制，尤其是其DP V2，在伺服接口技术中有较多应用，但影响力远不及Profibus本身，这可能源于其不上不下的性能和相对较高的技术复杂度和实现成本。
三菱公司特有的SSCNET II，安川公司发起的MECHATROLINK-II 等专用于伺服接口的串行总线技术也基于RS-485，而且从协议机制上都具备较好的时间同步能力，但是SSCNET II并非开放式协议，在三菱的技术体系中也主要用于基于PLC架构的广义运动控制系统，而不是面向数控应用，MECHATROLINK-II 的技术影响力则颇为有限。
Siemens公司的840和810中高端数控系统中与伺服互联有关的总线也是基于RS-485的某种实时总线技术，可能未必是纯粹的串行总线，而且也不公开，已经使用了十几年之久，也不愧为一种不为人知的经典的基于RS-485的总线技术。
研华公司特有的AMONe
“政府来扶持，委托企业开发”———这种事几十年来屡试屡爽，就不要太指望什么了！华中能忽悠，就想靠国家科技立项来搞总线，只可惜光洋已经搞出来一个模样了，所以华中光火得不得了，有不敢直言光洋坏了他的潜规则和好事，只差恨的把牙嚼碎了！靠华中这种国家队模式，中国的民族数控业能有多大希望？！
另外，您知道国家标委会对一个标准制定的资助有多可怜？ 2万rmb，若不是如华中般巧立名目去科技立项，靠国家这点儿银子，能当什么用？
不靠国家，光洋搞出来了，相信不久之后，广数，凯恩帝等也会出来！所以我还是看好企业的自主力量！我这里也一样会出来！
我看到了鲍米勒为纺机定制的伺服，确实是DSP，价格也一定是真的
但是楼主做伺服那么多年，你确定这款一定是高端（虽然价格是高端的 ），不是因为是专用伺服配合专用控制系统做出来的价格？？？？它是否能满足通用伺服在重负载情况突变引起的死机还要另说，你说是不是？对于纺机一般来说，速度的响应不需要那么快，转矩要求要高一些，多轴配合相当重要，就是专用控制系统配合要相当好，很多纺机多是如此（使用矢量变频的纺机很多）
我个人观点在通用伺服上，也许DSP的浮点运算可能会制约伺服本身进步的方向，因为，运算能力和功率，转矩都可以改变运算位数或改变功率输出模块来改变，可是响应通道必须通过集成电路来做出才能更迅速处理，我想楼主做这么多年伺服应该可以理解到这点
也许高端伺服定义多总，总线或光纤协议下的伺服能够配合的更迅速，同动性能也更好，目前我看到三菱173控制卡通过光纤加9组J3伺服控制出来的流水线确实不错，以后数控机床以后发展的方向一定是这样的，这些能解决数据通道交换更迅速，却不能改变浮点运算带来的时间，也许现在还看不出两者之间的差距，因为我们目前本身的要求没有那么高，也许以后会有更好的 解决方案。
以上只是我个人的 一点粗见，仅供大家娱乐！~@@
to " 方木"：诚然，关于高速高品质电流环的实现方案到底该才用ASIC还是通用DSP/MCU的问题，这是一个技术实现手段和理念的问题，存在不同意见是再正常不过的事情，不过正如你在14楼分析的那样，ASIC的流片成本和高智商博士团队的人力需求恐怕还不是当前国内业内相关企业所内曾受和支付得起的，可是靠国家供养的研究机构又能指望它们做出什么有意义的产业贡献呢？最好反例子就是华中数控，高精数控（原蓝天数控），以及江河日下的航天数控和北京机床所。
说到“三菱173控制卡通过光纤加9组J3伺服控制出来的流水线确实不错，以后数控机床以后发展的方向一定是这样的”，其实三菱的数控系统造就才用了串行总线技术，不过未必是它的SSCNET，三菱的数控体系和它的运控体系完全是分开的，J2，J3系列的伺服只是其泛用伺服系列，而其数控体系用的伺服则是共用直流母线的专有伺服,如下图所示：
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拜读波恩老兄的新作，倍受感动，书生意气，指点江山激昂文字，剑气不减当年。
说起总线，最近正好有所关注。中国的自有技术已经开始接触到西方运控厂商游戏场的门口了，同场竞技可能还有些差距。人家不带我们玩，怎么办？自己开个游戏场，自己玩。鬼子就怕中国自产自销，自给自足。只要国人齐心协力，国人主宰国内市场，赶英超美也是可能的。特别是总线技术，完全可以先定出标准，在使用中不断提出新的问题，解决问题，日臻完善。
总线技术解决了伺服控制的通信带宽瓶颈和信息同步问题，并不能直接伺服自身的控制精度和刚度的问题。在运控领域，我等需努力的方向太多。不过只要有波恩兄这样的一批青年有为的专家的持续努力，相信我们的技术会不断进步，后来居上。
其实只消看看Powerlink，EtherCAT的发端史，国人就应该有信心自己搞总线，毕竟B&R和Beckhoff都只是欧洲自动化企业中的“小”企业，它们能搞，国人为何就不能？！借用我以为已大可不必，光洋的GLINK就是国内自行开发总线技术很好的发端和典范。
诚然，总线技术解决不了伺服固有的矛盾，比如精度，刚度等等，其实就连最富盛名的SERCOS也自标准文档中明确指出SERCOS并不指导伺服设计，而仅仅为伺服提供功能性和应用性接口。
相信有国人的共同努力，民族伺服技术必然会有实质性的飞跃，国内伺服市场的大反攻指日可待，乃至抢滩海外也不是什么遥不可及的事情了！
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