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技術(shù)，這可以歸功于以下幾點：?
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)模不斷擴大，伺服應(yīng)用技術(shù)已然在國內(nèi)工業(yè)自動化行業(yè)中取得了越來越廣泛的應(yīng)用和普及，同時以矢量控制、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)伺服電機制造能力的空前提升，十幾年前，國內(nèi)只有華大電機，蘭州電機廠，冶金部自動化院華騰數(shù)控等少數(shù)幾家企業(yè)具備永磁伺服電機的制造能力，而且產(chǎn)能極為有限。隨著伺服應(yīng)用的普及，國內(nèi)伺服電機的制造能力也得到空前提升，目前僅廣州數(shù)控、華大電機、登奇電機、珠海運控等企業(yè)的年產(chǎn)銷量之和就很可能已經(jīng)突破了20萬臺，再加上臺達、東元、蘇強電機、沈陽勃孚、杭州米格、南京埃斯頓、浙江臥龍等企業(yè)，實際產(chǎn)能只會更大。?
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、Renesas和NEC的32位高性能RISC單片機等等，與此同時，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)動光耦和高耐壓柵極驅(qū)動器產(chǎn)品的不斷完善和推出，功率驅(qū)動技術(shù)也越來越容易實現(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間里實現(xiàn)了從起步到全面擴展的展態(tài)勢。近些年來，不甘寂寞的國內(nèi)工業(yè)自動化相關(guān)企業(yè)已開始紛紛投入到伺服驅(qū)動器產(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，電機和驅(qū)動企業(yè)中的華大電機、登奇電機、珠海運控、和利時電機、南京埃斯頓、桂林星辰、東元等，運動控制相關(guān)企業(yè)中的深圳眾為興、深圳步進等，乃至曾幾何時以變頻器為龍頭產(chǎn)品的臺達、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驅(qū)動系統(tǒng)和變頻驅(qū)動技術(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。?
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)、華大電機為代表的民族數(shù)控和伺服廠商以其經(jīng)濟型（低端）戰(zhàn)略已經(jīng)成功地在中國伺服市場占領(lǐng)了一席之地，然而在中高端伺服市場，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”時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)部競爭態(tài)勢就“紅海”和“藍?！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)伺服市場不再是國外企業(yè)的藍海，尤其是中高端伺服市場，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格賺走。?
難道國人就只能一方面在低端伺服市場拼得你死我活、殺得頭破血流，另一方面卻要眼睜睜地看著外國人毫不費力地在中高端伺服市場賺得盆滿缽滿，滿載而歸嗎？我們就不能把戰(zhàn)火延伸到中高端伺服市場，乃至燒到外國人的老家嗎？！情緒的宣泄往往和事實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，市場聲譽，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)人員的夢想，卻也是伺服業(yè)界決策人員的雷池?？傊?，繼續(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的事實，然而又不甘于受制于人，眼瞅著大把的利潤被外國人拿走，因而當國人的技術(shù)能力和認識水平足以仿制一款進口產(chǎn)品時，就會紛至踏來，競相模仿，始于上世紀90年代中期的步進熱潮，變頻熱潮就是很好的例證。近十年來，隨著電機技術(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，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)品和搶占市場的目標，仿制也就成了必然之舉。?
2）市場現(xiàn)實和技術(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)慣于在步進電機時代使用脈沖接口形式，因此采用步進接口不僅簡單，而且可以直接替代步進電機，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)的簡易伺服技術(shù)為“后步進時代”的低端伺服技術(shù)。以國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)的演進歷史來說，本來引進的FANUC3系統(tǒng)是以模擬接口實現(xiàn)全閉環(huán)控制，到了Kxx手里，卻逐步演化成了步進電機接口，乃至如今的脈沖伺服接口；還有引進的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，于是就只能補上個脈沖接口，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)的初級階段，因而還存在技術(shù)能力上的問題。伺服和電機本身的技術(shù)能力可能還不足以支撐一個高性能的伺服產(chǎn)品體系，因而即便是配上高性能的總線，也會不免顯得有些多余和滑稽。而且國人對總線技術(shù)的認識和掌握能力也有限，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，廣義運控系統(tǒng)也還遠不成氣候，眼下哪兒還會顧及總線問題？所以說技術(shù)能力是一個涉及系統(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，方有市場價值，這個推行過程本身也將是國人技術(shù)認識水平和產(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行高精度速度和電流控制或者結(jié)合上位控制器進行位置全閉環(huán)控制的傳統(tǒng)模式，走上了通過同步化串行總線技術(shù)進行分布式智能驅(qū)動的道路。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)動技術(shù)的串行總線技術(shù)?
CANopen是相對中立的Cia組織公布的一整套協(xié)議，其中包括和運動控制有關(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，不具備嚴格的時間同步機制。其優(yōu)勢在于目前很多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，不具備嚴格的時間同步機制，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時同步觸發(fā)機制，尤其是其DP V2，在伺服接口技術(shù)中有較多應(yīng)用，但影響力遠不及Profibus本身，這可能源于其不上不下的性能和相對較高的技術(shù)復(fù)雜度和實現(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)議機制上都具備較好的時間同步能力，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)的廣義運動控制系統(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的某種實時總線技術(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)。