華科星講|民族伺服產(chǎn)業(yè)接口互聯(lián)技術(shù)之我見
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民族伺服產(chǎn)業(yè)星火燎原?
對(duì)于國人而言，現(xiàn)代永磁交流伺服技術(shù)的硬件和算法瓶頸目前早已不復(fù)存在，與十幾年年前相比，全數(shù)字交流伺服已不再是什么高不可攀的先進(jìn)技術(shù)，這可以歸功于以下幾點(diǎn)：?
1）首先是近些年來以永磁交流伺服技術(shù)為代表的現(xiàn)代伺服技術(shù)的性能不斷提升，成本不斷下降，應(yīng)用領(lǐng)域和規(guī)模不斷擴(kuò)大，伺服應(yīng)用技術(shù)已然在國內(nèi)工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)中取得了越來越廣泛的應(yīng)用和普及，同時(shí)以矢量控制、SVPWM和數(shù)字PID技術(shù)為基礎(chǔ)的永磁交流伺服技術(shù)也逐漸為越來越多的國人所掌握。?
2）其次是國內(nèi)伺服電機(jī)制造能力的空前提升，十幾年前，國內(nèi)只有華大電機(jī)，蘭州電機(jī)廠，冶金部自動(dòng)化院華騰數(shù)控等少數(shù)幾家企業(yè)具備永磁伺服電機(jī)的制造能力，而且產(chǎn)能極為有限。隨著伺服應(yīng)用的普及，國內(nèi)伺服電機(jī)的制造能力也得到空前提升，目前僅廣州數(shù)控、華大電機(jī)、登奇電機(jī)、珠海運(yùn)控等企業(yè)的年產(chǎn)銷量之和就很可能已經(jīng)突破了20萬臺(tái)，再加上臺(tái)達(dá)、東元、蘇強(qiáng)電機(jī)、沈陽勃孚、杭州米格、南京埃斯頓、浙江臥龍等企業(yè)，實(shí)際產(chǎn)能只會(huì)更大。?
3）再則是DSP和MCU等芯片技術(shù)的快速發(fā)展，造就了眾多的可專用于伺服控制的DSP和MCU等單芯片控制器資源，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內(nèi)核的ARM單片機(jī)、Renesas和NEC的32位高性能RISC單片機(jī)等等，與此同時(shí)，掌握DSP和ARM等單芯片開發(fā)技術(shù)的工程師群體也在不斷壯大。?
4）最后是以IGBT為核心的功率集成模塊PIM和智能功率模塊IPM技術(shù)不斷推陳出新，新品層出不窮，比如Eupec、Semikon、Tyco、Microsemi等公司的PIM，三菱、東芝、Fairchild等公司的IPM，加上Avago、IR、Fairchild、東芝、夏普等公司的IGBT柵極驅(qū)動(dòng)光耦和高耐壓柵極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品的不斷完善和推出，功率驅(qū)動(dòng)技術(shù)也越來越容易實(shí)現(xiàn)，越來越安全，越來越普及。?
上述因素綜合在一起，共同促就了國內(nèi)伺服產(chǎn)業(yè)在短短的不足十年時(shí)間里實(shí)現(xiàn)了從起步到全面擴(kuò)展的展態(tài)勢(shì)。近些年來，不甘寂寞的國內(nèi)工業(yè)自動(dòng)化相關(guān)企業(yè)已開始紛紛投入到伺服驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)中來，比如數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)中的華中數(shù)控、廣州數(shù)控、航天數(shù)控、上海開通、圣維數(shù)控、大連光洋等，電機(jī)和驅(qū)動(dòng)企業(yè)中的華大電機(jī)、登奇電機(jī)、珠海運(yùn)控、和利時(shí)電機(jī)、南京埃斯頓、桂林星辰、東元等，運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)企業(yè)中的深圳眾為興、深圳步進(jìn)等，乃至曾幾何時(shí)以變頻器為龍頭產(chǎn)品的臺(tái)達(dá)、普傳、匯川等都已紛紛投身伺服產(chǎn)業(yè)。?
就如十幾年前的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)的普及和開發(fā)熱潮一樣，國內(nèi)伺服技術(shù)開發(fā)和自有品牌的伺服產(chǎn)品已大有星火燎原之勢(shì)。?
2.現(xiàn)狀：民族伺服接口技術(shù)裹足不前?
如前所述，以廣數(shù)、華大電機(jī)為代表的民族數(shù)控和伺服廠商以其經(jīng)濟(jì)型（低端）戰(zhàn)略已經(jīng)成功地在中國伺服市場(chǎng)占領(lǐng)了一席之地，然而在中高端伺服市場(chǎng)，尚沒有可以在性能和功能上足以和歐美日中高端伺服產(chǎn)品一較高下的民族伺服產(chǎn)品，因此目前國內(nèi)伺服產(chǎn)業(yè)的繁榮至多也只不過是在“后步進(jìn)”時(shí)代的低端通用伺服技術(shù)泛濫的結(jié)果，民族伺服產(chǎn)業(yè)的內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)就“紅?！焙汀八{(lán)?！倍源蟾乓仓辉谝痪€之間，業(yè)內(nèi)廠家還沒有足夠的勇氣和底氣令國內(nèi)伺服市場(chǎng)不再是國外企業(yè)的藍(lán)海，尤其是中高端伺服市場(chǎng)，國人仍舊處于可望而不可及的境地，任由大把的銀子被國外中高端伺服產(chǎn)品毫不留情地以高價(jià)格賺走。?
難道國人就只能一方面在低端伺服市場(chǎng)拼得你死我活、殺得頭破血流，另一方面卻要眼睜睜地看著外國人毫不費(fèi)力地在中高端伺服市場(chǎng)賺得盆滿缽滿，滿載而歸嗎？我們就不能把戰(zhàn)火延伸到中高端伺服市場(chǎng)，乃至燒到外國人的老家嗎？！情緒的宣泄往往和事實(shí)之間存在著巨大的差異，國內(nèi)伺服技術(shù)是繼續(xù)走低端替代之路呢？還是向中高端有所突破？這不僅僅是從事該行業(yè)的技術(shù)人員的困惑和心痛，也是該行業(yè)企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)人的痛苦抉擇。畢竟做高端不是那么容易，資金投入，技術(shù)來源，人力資源，采購供應(yīng)，制造保障，市場(chǎng)聲譽(yù)，營銷成本等等都將制約走向中高端之路，因此走向中高端，雖然是伺服業(yè)界技術(shù)人員的夢(mèng)想，卻也是伺服業(yè)界決策人員的雷池?？傊^續(xù)走低端還是開始邁向中高端，這是國內(nèi)伺服相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展到今天不得不面臨的一個(gè)兩難局面。?
就國內(nèi)伺服的接口技術(shù)而言，之所以長期裹足不前，幾乎始終固守于脈沖串接口，其實(shí)存在著一些歷史的和系統(tǒng)的必然因素：?
1）仿制和替代的需求?
國人在工業(yè)技術(shù)上的落后和缺乏創(chuàng)新能力是長期以來不爭(zhēng)的事實(shí)，然而又不甘于受制于人，眼瞅著大把的利潤被外國人拿走，因而當(dāng)國人的技術(shù)能力和認(rèn)識(shí)水平足以仿制一款進(jìn)口產(chǎn)品時(shí)，就會(huì)紛至踏來，競(jìng)相模仿，始于上世紀(jì)90年代中期的步進(jìn)熱潮，變頻熱潮就是很好的例證。近十年來，隨著電機(jī)技術(shù)，控制算法，DSP，電力電子技術(shù)日益為國人所掌握和領(lǐng)會(huì)，做伺服已經(jīng)不再是象牙塔中陽春白雪的研究，而是國人可以普遍為之的、有利可圖之的產(chǎn)業(yè)，因而就做起來了。不過，由于是初級(jí)階段，加之又多年深受近鄰日本有意無意的影響，日系低端通用伺服產(chǎn)品早已被國人用慣了，所以本著替代日系低端通用伺服產(chǎn)品和搶占市場(chǎng)的目標(biāo)，仿制也就成了必然之舉。?
2）市場(chǎng)現(xiàn)實(shí)和技術(shù)慣性的需求?
由于日系低端通用伺服產(chǎn)品在國內(nèi)的使用和影響已然根深蒂固，而且國人早已習(xí)慣于在步進(jìn)電機(jī)時(shí)代使用脈沖接口形式，因此采用步進(jìn)接口不僅簡(jiǎn)單，而且可以直接替代步進(jìn)電機(jī)，提升產(chǎn)品檔次，改善產(chǎn)品技術(shù)形象。我們不妨可以稱這種廣泛采用脈沖接口技術(shù)的簡(jiǎn)易伺服技術(shù)為“后步進(jìn)時(shí)代”的低端伺服技術(shù)。以國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)的演進(jìn)歷史來說，本來引進(jìn)的FANUC3系統(tǒng)是以模擬接口實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制，到了Kxx手里，卻逐步演化成了步進(jìn)電機(jī)接口，乃至如今的脈沖伺服接口；還有引進(jìn)的FANUC6系統(tǒng)，變?yōu)镚xx的98x后，起初也不用脈沖接口，可是仍有用戶要求使用脈沖接口，于是就只能補(bǔ)上個(gè)脈沖接口，只是可惜了FANUC6應(yīng)有的性能。?
3）技術(shù)能力使然?
目前仍舊是國內(nèi)伺服技術(shù)的初級(jí)階段，因而還存在技術(shù)能力上的問題。伺服和電機(jī)本身的技術(shù)能力可能還不足以支撐一個(gè)高性能的伺服產(chǎn)品體系，因而即便是配上高性能的總線，也會(huì)不免顯得有些多余和滑稽。而且國人對(duì)總線技術(shù)的認(rèn)識(shí)和掌握能力也有限，況且總線化不僅僅是伺服的問題，上位的控制系統(tǒng)也得總線化，可是國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)目前連全閉環(huán)都懶得做，廣義運(yùn)控系統(tǒng)也還遠(yuǎn)不成氣候，眼下哪兒還會(huì)顧及總線問題？所以說技術(shù)能力是一個(gè)涉及系統(tǒng)化的問題和難題，也就是說，伺服的總線化，應(yīng)與系統(tǒng)的總線化同步推行，方有市場(chǎng)價(jià)值，這個(gè)推行過程本身也將是國人技術(shù)認(rèn)識(shí)水平和產(chǎn)業(yè)能力提升的過程。?
3.國外：總線化伺服接口技術(shù)戰(zhàn)火正酣?
早在國人還醉心于仿制脈沖串接口的日系低端通用伺服產(chǎn)品之前，歐美日的中高端伺服技術(shù)體系就已經(jīng)紛紛擺脫了通過模擬接口進(jìn)行高精度速度和電流控制或者結(jié)合上位控制器進(jìn)行位置全閉環(huán)控制的傳統(tǒng)模式，走上了通過同步化串行總線技術(shù)進(jìn)行分布式智能驅(qū)動(dòng)的道路。根據(jù)總線傳輸所依賴的物理介質(zhì)的不同，大致可以分為以下幾類：?
1）基于RS-485和線驅(qū)動(dòng)技術(shù)的串行總線技術(shù)?
CANopen是相對(duì)中立的Cia組織公布的一整套協(xié)議，其中包括和運(yùn)動(dòng)控制有關(guān)的伺服通訊協(xié)議，在歐美中低端伺服產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，不足之處在于基于CAN總線協(xié)議，屬事件觸發(fā)型總線，不具備嚴(yán)格的時(shí)間同步機(jī)制。其優(yōu)勢(shì)在于目前很多DSP和MCU上都集成有CAN總線控制器接口。?
DeviceNet是以Rockwell為主要發(fā)起人的ODVA組織在CAN總線基礎(chǔ)上開發(fā)的一套包括伺服控制的基于CIP應(yīng)用層協(xié)議，與CANopen類似，由于是基于CAN總線協(xié)議，也屬余事件觸發(fā)型總線，不具備嚴(yán)格的時(shí)間同步機(jī)制，在歐美日中低端伺服產(chǎn)品中應(yīng)用非常廣泛。?
Profibus DP是Siemens公司主推的Profibus總線技術(shù)中的一種類型，具備一定能力的軟實(shí)時(shí)同步觸發(fā)機(jī)制，尤其是其DP V2，在伺服接口技術(shù)中有較多應(yīng)用，但影響力遠(yuǎn)不及Profibus本身，這可能源于其不上不下的性能和相對(duì)較高的技術(shù)復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)成本。?
三菱公司特有的SSCNET II，安川公司發(fā)起的MECHATROLINK-II 等專用于伺服接口的串行總線技術(shù)也基于RS-485，而且從協(xié)議機(jī)制上都具備較好的時(shí)間同步能力，但是SSCNET II并非開放式協(xié)議，在三菱的技術(shù)體系中也主要用于基于PLC架構(gòu)的廣義運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，而不是面向數(shù)控應(yīng)用，MECHATROLINK-II 的技術(shù)影響力則頗為有限。?
Siemens公司的840和810中高端數(shù)控系統(tǒng)中與伺服互聯(lián)有關(guān)的總線也是基于RS-485的某種實(shí)時(shí)總線技術(shù)，可能未必是純粹的串行總線，而且也不公開，已經(jīng)使用了十幾年之久，也不愧為一種不為人知的經(jīng)典的基于RS-485的總線技術(shù)。