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
开发式串行总线协议间的标准融合进一步深化，SEROS组织和FDT已于近日决定专门为SERCOS III标准合作起草一份FDT标准的附件，以期将SERCOS III的应用范围扩展至驱动接口以外，SERCOS国际组织的常务董事Peter Lutz认为融入FDT/DTM标准是将SERCOS III转化为自动化领域的通用实时网络接口的又一项重大举措，FDT与SERCOS之间的合作将有力地促进工厂自动化领域的中现场控制到机器控制采用开发式标准的大趋势，得益于接口技术的清晰定义，设计开发人员能够将来自不同供应商的产品有机地整合在自己的自动化系统中。
消息来自于“The Industrial Ethernet Book”新闻“SERCOS and FDT: working together for open systems”
http://ethernet.industrial-networking.com/news/newsdisplay.asp?id=657
去年和今年因工作关系分别接触了安川和松下的人，听他们介绍了Mechatrolink-III和RTEX（Real Time Express）。
安川的Mechatrolink-III目前表明上在走开放化之路，但实质上关键技术并不对会员开放，安川的ASIC芯片既可以做主站也可以做从站，其实安川只想通过卖芯片让用户把自己的上位控制器与Mechatrolink-III绑定，然后用户只好买安川的驱动器和伺服，如果国内用户真到了有能力用它的芯片做伺服从站的那一天，大概安川在中国的业务也就离歇菜不远了。
松下的RTEX（Real Time Express）目前还是专有技术，可以向伺服产品的关键用户有条件开放，也号称可以向其它控制器厂商开放，用户可以买它的ASIC芯片，集成在自己的上位控制器上，只是一旦如此，用户也就被绑定了，这一点与安川是一个德行。
就体系而言，Mechatrolink-III和RTEX都是基于100兆以太网物理层，自己设计ASIC跑修改过的专用链路层，等时同步能力取决于链路层对网络延时的研判，这一点与国际上其它实时以太网协议没有太大区别。
Mechatrolink-III上位指令下传和从站的反馈采用一对一通讯，同步帧采用广播方式，感觉通讯效率不高，但可以实现最高31.25us的最小刷新周期，同步抖动指标不详，网络拓扑可以使星形，也可以是环网。
RTEX的上位指令下传和从站反馈很可能采用集总帧，一次完成，通讯效率较高，但目前只能实现最快0.5ms的最小刷新周期，当从站数为4个时，最大同步抖动为±70ns，网络拓扑结构只可以是环网。
如果拿欧洲的实时以太网跟这两种相对照，感觉Mechatrolink-III更像Powerlink或者SERCOS III，RTEX更像EtherCAT。
Mechatrolink-III和RTEX都有一个很不错的功能，就是自动纠错功能，Mechatrolink-III是通过ASIC自动判断出错信息，并在同一个通讯周期（同步周期内）自动插入重试帧纠错。RTEX采用冗余的帧信息，每帧数据中实际为每个轴准备了2套相同的信息，以便纠错，此举也必然会降低通讯效率。不过这种自动纠错功能在欧系实时以太网总线好像没有，即便有也没有作为关键卖点被显性地提及。这一点值得国内同行借鉴。
特此通报，以资国内同行在设计集成实时以太网接口协议时对比参考。
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