各有所長的總線驅(qū)控誰能最終稱霸運控市場

在傳統(tǒng)運動控制系統(tǒng)中，一般以脈沖或者模擬量作為控制信號，將控制信號發(fā)送到電機驅(qū)動器中然后由電機驅(qū)動器驅(qū)動電機運行。這種模式下，上位機與電機驅(qū)動器通過大量的數(shù)字量或者模擬量IO連接。隨著總線技術(shù)的發(fā)展，運控廠家將總線技術(shù)應(yīng)用運動控制器中。上位機通過總線將運動參數(shù)傳送至電機驅(qū)動器，再由電機驅(qū)動器驅(qū)動電機運行。

在總線運控系統(tǒng)中，上位機的總線通訊接口可以通過線性拓?fù)浞绞竭B接多個支持總線通訊的電機驅(qū)動器。較之傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，大大減少了接線數(shù)量與布線時間。同時總線模式下，通訊方式為數(shù)字式通信，可以不用考慮信號漂移問題，不像中脈沖信號和模擬量信號受到電磁干擾會導(dǎo)致信號失真。目前，常見的總線技術(shù)有，EhertCAT，RTEX，CCLINK，CANopen等等。

EtherCAT其實也就是工業(yè)以太網(wǎng)的一種開放架構(gòu)現(xiàn)場總線系統(tǒng)。使用EtherCAT的成本非常低廉，任何帶有以太網(wǎng)控制器的單元都可以作為EtherCAT主站，從站可以使用任意供應(yīng)商提供的產(chǎn)品，當(dāng)然也可以使用ETG（倍福公司旗下EtherCAT技術(shù)協(xié)會）提供的從站源碼進(jìn)行開發(fā)。

作為工業(yè)通信，低延時是必需的。EtherCAT采用分布式時鐘，因此在實時性上是很優(yōu)秀的。每個具有分布式時鐘的從站周期性地與參考時鐘進(jìn)行同步消除誤差，時間誤差小于1us。在實時性上EtherCat相比于ProfiNet，ProfiBus之類是更突出的。

在運控領(lǐng)域，總線技術(shù)與驅(qū)動器二者相輔相成，我們直接從產(chǎn)品來看比較直觀。這里以雷賽智能CL3-EC系列為例。CL3-EC系列是雷賽在閉環(huán)步進(jìn)研發(fā)的基礎(chǔ)上融合 EtherCAT 總線技術(shù)打造的高速總線型閉環(huán)步進(jìn)驅(qū)動產(chǎn)品。

CL3-EC支持COE (CANopen over EtherCAT)協(xié)議，支持CSP、PP、PV、HM這些主流的控制模式。這一系列通過EtherCAT分布時鐘的精準(zhǔn)調(diào)整，同步誤差低于15ns，同步抖動在±20ns區(qū)間內(nèi)，在多軸的同步通信上很有優(yōu)勢。數(shù)據(jù)傳輸速度是雙向100Mbps，1ms通信周期，不同于CANopen的是在通信周期小于1ms情況下EtherCAT支持250us的整數(shù)倍，當(dāng)然，通信周期與上位機規(guī)格也息息相關(guān)。

（圖源：雷賽智能官網(wǎng)）

總的來說，對于多軸應(yīng)用，應(yīng)用EtherCAT工業(yè)總線方案，在同步控制，實時數(shù)據(jù)傳輸上的確有顯著優(yōu)化。

RTEX是為了實現(xiàn)伺服電機控制更高的同步性、實時性，松下特定開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)總線系統(tǒng)。RTEX主要競爭力在高速和低成本上，省配線這種總線驅(qū)動都能做到的就不多提了。這里以松下旗下MINAS A6 家族伺服驅(qū)動器產(chǎn)品為例。

MADLT01NF驅(qū)動器可以對位置，速度，轉(zhuǎn)矩，全閉環(huán)四個維度進(jìn)行控制。RTEX支持CP控制模式，同時內(nèi)嵌回零模式并支持USB串口調(diào)試功能。RTEX支持下的驅(qū)動器支持2路高速差分輸入或者5路單端輸入，同時進(jìn)行兩路單端隔離數(shù)字輸出，響應(yīng)頻率為3.2 kHz。MINAS A6 系列的最高速度可達(dá)到6500r/min，指令更新周期也僅為1ms。

RTEX下3.2kHz的高響應(yīng)帶寬在面向高速度與高精度的運動控制場景，極大縮短系統(tǒng)響應(yīng)時間，提高設(shè)備效率。

CANopen 是一個基于 CAN串行總線系統(tǒng)和 CAL的高層協(xié)議。不僅能夠?qū)⒖偩€負(fù)載減少到最低限度，還能確保極短的反應(yīng)時間。它可以實現(xiàn)較高的通訊性能，減少了磁兼容性問題，并降低電纜成本。作為運控驅(qū)動的老牌，市面上幾乎所有品牌的伺服驅(qū)動器都支持CANopen總線。

（圖源：臺達(dá)官網(wǎng)）

應(yīng)用CANopen總線驅(qū)動器的產(chǎn)品實在太多，我這里選的是臺達(dá)ASDA-A3為例來看看此類總線驅(qū)動的實力。A3是現(xiàn)在臺達(dá)伺服系統(tǒng)高階應(yīng)用的代表作。

首先，A3響應(yīng)帶寬是3.1kHz，比起上面那位的高響應(yīng)帶寬也沒有落下太多，實際應(yīng)用上絕對能保證實時性。根據(jù)官網(wǎng)給出的測試圖，A3擁有125 μs同步周期，幾乎可以與命令做到同步擬合。A3可組成多達(dá)127軸的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，最高通訊速率1Mbps。在遠(yuǎn)距離應(yīng)用場合，CANopen驅(qū)動器仍舊能帶來最穩(wěn)定的發(fā)揮。

CC-Link是以三菱電機為主導(dǎo)推出的開放式現(xiàn)場總線，特點在于其數(shù)據(jù)容量大,通信速度多級可選擇，同時也可覆蓋較高層次的控制層和較低層次的傳感層。這里不討論稍老一些的CC-Link IE Field以及經(jīng)濟(jì)型的CC-Link IE Field Basic，主要聚焦在最新的CC-Link IE TSN。

CC-Link IE TSN是三菱推出的新總線技術(shù)。TSN（時間敏感網(wǎng)絡(luò)）是智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)最焦點的技術(shù)之一。CC-Link IE TSN將千兆以太網(wǎng)帶寬與TSN相結(jié)合，拓展了CC-Link IE基于工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)從信息層到應(yīng)用層縱向整合的先進(jìn)通信技術(shù)。CC-Link IE TSN 使用時間分割和時間同步的方式，實現(xiàn)了實時性和非實時通信的共存。

此類總線驅(qū)動，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)充分利用同步時間，在規(guī)定時間雙方向同時發(fā)送通信幀，大幅縮短通信周期；在控制通訊內(nèi)可組合通信周期內(nèi)高速的控制和緩慢的控制，實現(xiàn)運控性能的最大化。

CC-Link IE TSN下驅(qū)動器最高通訊速率1Gbps ，數(shù)據(jù)傳輸速度是雙向150Mbps。這已經(jīng)是全面領(lǐng)先的技術(shù)參數(shù)了，另據(jù)悉此協(xié)議下的驅(qū)動最多可控軸數(shù)遠(yuǎn)超目前市面上的品類。具體可控軸數(shù)還未考證。

CC-Link IE TSN以其高度契合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的愿景的特性，在總線驅(qū)控領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大的影響。很多工控企業(yè)均開始改用此通信協(xié)議。

市面上還有很多類總線驅(qū)動器，如安川的Mechatrolink-III，B&R的Powerlink等等。值得一提的是三菱在國內(nèi)市場競爭激烈的情況下，憑幾款經(jīng)典產(chǎn)品占據(jù)了足夠大市場份額，這相當(dāng)一部分功勞都得歸功于總線驅(qū)動足夠給力。

總線驅(qū)動器的選擇當(dāng)然不僅僅在于技術(shù)方面的指標(biāo)屬性，如帶寬和傳輸速率這些；還應(yīng)該包括一些軟性指標(biāo)，比如開放性，獨立性，互通性等等，這些因素綜合在一起才能決定哪一門類下的總線驅(qū)動能在市場中笑到最后。