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韓利 姚宏 朱凌云 陳煒 馬昕晟

北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司

摘要：森創(chuàng)品牌HS系列伺服驅(qū)動(dòng)器是和利時(shí)電機(jī)推出的新一代高性能低價(jià)格全數(shù)字交流網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動(dòng)器。HS系列網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動(dòng)器支持基于RS232或RS485的MODBUS RTU通訊，以及基于CAN總線的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CAN總線通訊協(xié)議。配合該驅(qū)動(dòng)器的MBOX通訊控制器是一款專為HS網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用開發(fā)的一款以太網(wǎng)到CAN總線的雙向數(shù)據(jù)傳遞、含有RS232或RS422、12路數(shù)字輸出、2路模擬輸出、8路數(shù)字輸入等信號(hào)接口的多功能應(yīng)用板卡。本文介紹基于HS網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動(dòng)器及MBOX通訊控制器構(gòu)建實(shí)現(xiàn)在動(dòng)感影院（4D影院）特效座椅的伺服網(wǎng)絡(luò)化控制應(yīng)用方案。該方案具有現(xiàn)場(chǎng)布線簡(jiǎn)單，施工方便，數(shù)據(jù)傳遞高速，可靠及大容量等特點(diǎn)，便于特效播映控制及座椅運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。

1.引言

動(dòng)感影院（4D影院）是在傳統(tǒng)影院的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種電影藝術(shù)表現(xiàn)形式，它在傳統(tǒng)影院的視覺和聽覺享受的基礎(chǔ)上，增加了動(dòng)感座椅和環(huán)境特效設(shè)備，以超現(xiàn)實(shí)的視覺感受配以特殊的、夸張的、刺激性的效果同步表現(xiàn)，以仿真的場(chǎng)景與特別的機(jī)關(guān)設(shè)置來模仿實(shí)際發(fā)生的事件。隨著劇情變化，觀眾不僅可以"觸摸"到電影中的物體，還能感受到下雨，刮風(fēng)，閃電，下雪，掃腿，泡泡，氣味，煙霧等場(chǎng)景，讓觀眾身臨其境，妙趣橫生。將視覺、聽覺、嗅覺、觸覺和動(dòng)感完美地融為一體。

當(dāng)前市場(chǎng)上的動(dòng)感影院（4D影院）座椅特效控制系統(tǒng)，座椅驅(qū)動(dòng)的技術(shù)方案主要包括：氣動(dòng)，液動(dòng)，以及電動(dòng)。氣動(dòng)控制方案的座椅動(dòng)作比較簡(jiǎn)單粗糙；氣動(dòng)控制方案的維護(hù)和維修非常麻煩；電動(dòng)方案，尤其是使用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)方案，具有動(dòng)作細(xì)膩，使用可靠，維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹一種使用和利時(shí)電機(jī)HS網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動(dòng)器，應(yīng)用于動(dòng)感影院（4D影院）座椅特效的網(wǎng)絡(luò)化控制方法。該方法實(shí)現(xiàn)上位播映計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)交換機(jī)與動(dòng)感座椅及環(huán)境特效播映設(shè)備的高效可靠信息交互。

2.HS網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動(dòng)器及網(wǎng)絡(luò)化通訊控制板卡

2.1森創(chuàng)HS網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動(dòng)器

HS系列網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動(dòng)器是北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司推出的新一代高性價(jià)比、外觀樸素，實(shí)用可靠的全數(shù)字交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器的開發(fā)，延續(xù)和產(chǎn)品化了北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司在2009年承擔(dān)國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題期間進(jìn)行的交流伺服主軸驅(qū)動(dòng)器研發(fā)的技術(shù)研究成果。已授權(quán)4項(xiàng)國(guó)家專利技術(shù)（3項(xiàng)發(fā)明和1項(xiàng)實(shí)用新型）。

該款網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動(dòng)器采用TI最新的32位含浮點(diǎn)運(yùn)算能力的雙核數(shù)字信號(hào)處理芯片，采用全新的電機(jī)控制算法，對(duì)永磁同步伺服電機(jī)的位置、速度、加速度和輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精確控制。適用于加工中心、數(shù)控伺服控制、紡織機(jī)械等工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)及領(lǐng)域。

HS 系列網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動(dòng)器具有以下特點(diǎn)：

"通用運(yùn)動(dòng)控制功能: 位置/速度/力拒控制, 模式切換

"快速的電流環(huán)浮點(diǎn)CLA內(nèi)核處理，具有良好的動(dòng)態(tài)跟隨性。

"內(nèi)置電網(wǎng)電壓補(bǔ)償控制，自動(dòng)適應(yīng)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)。

"內(nèi)置2路可選共振低通濾波，以及2級(jí)共振陷波濾波器，有效應(yīng)對(duì)機(jī)械共振。

"內(nèi)置專有智能再生制動(dòng)控制技術(shù)。

"內(nèi)置轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器技術(shù)，自動(dòng)適應(yīng)負(fù)載的變化。

"控制增益可切換或內(nèi)部自適應(yīng)匹配。

"內(nèi)置動(dòng)態(tài)制動(dòng)控制，為驅(qū)動(dòng)提供額外的安全防護(hù)。

"具有過載自動(dòng)降載算法，可參數(shù)化選擇是否過載保護(hù)及自動(dòng)平滑降載及恢復(fù)過載能力。

"支持MODBUS協(xié)議的 RS232及RS485通訊接口，直接與上位機(jī)和觸摸屏等通訊。

"支持CAN總線接口，內(nèi)置專有通訊協(xié)議，方便客戶定制使用。

"控制端口支持軟件方式分配、邏輯設(shè)置、可編程濾波，使用靈活方便可靠。

"脈沖模擬量接口, 脈沖輸入頻率最高可達(dá)1MHZ.

"2路模擬量輸出可觀測(cè)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部狀態(tài)，方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。

"內(nèi)置功率器件溫度監(jiān)控和過流，過壓以及過熱等保護(hù)，確?？煽框?qū)動(dòng)。

"具有歷史故障記錄等可靠性管理功能

2.2 森創(chuàng)MBOX通訊控制板卡

MBOX是一款專為HS伺服網(wǎng)絡(luò)化控制應(yīng)用開發(fā)的一款以太網(wǎng)[1]到CAN總線的雙向數(shù)據(jù)傳遞的，還含有RS232或RS422，12路數(shù)字輸出，2路模擬輸出，8路數(shù)字輸入等信號(hào)接口的多功能應(yīng)用板卡。該電路板實(shí)物如圖所示。

2.3 森創(chuàng)HS伺服驅(qū)動(dòng)器與MBOX構(gòu)成的伺服網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)

HS系列網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動(dòng)器，提供了3種總線接口，包括RS232，RS485以及CAN總線。其中RS232接口是標(biāo)準(zhǔn)配置的通訊接口。RS485和CAN總線是選配的通訊接口，采用了電氣隔離及瞬態(tài)電壓抑制保護(hù)技術(shù)，具有良好的電磁兼容性和可靠性。RS232和RS485接口的通訊協(xié)議是工業(yè)常用的MODBUS RTU協(xié)議。CAN總線接口的通訊協(xié)議是本公司具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)（已獲發(fā)明專利）的CAN總線通訊方法[2]。

HS網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動(dòng)器加強(qiáng)了總線模式下的控制功能，支持RS232，RS485以及CAN總線接口的多種總線模式控制，包括：

總線接口的轉(zhuǎn)矩模式控制

總線接口的轉(zhuǎn)速模式控制

總線接口的相對(duì)位置模式控制

總線接口的絕對(duì)位置模式控制

標(biāo)準(zhǔn)配置的RS232接口實(shí)現(xiàn)HS伺服驅(qū)動(dòng)器與上位機(jī)或觸摸屏的點(diǎn)到點(diǎn)通訊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)HS伺服驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)監(jiān)視，參數(shù)讀寫以及總線模式的控制，常用于伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)配置及運(yùn)行監(jiān)控。當(dāng)用戶要求HS網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動(dòng)器組網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，可以選擇RS485總線或CAN總線。一般來說，CAN總線具有的靈活性與可靠性，更適合做網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)時(shí)控制，而MODBUS通訊因?yàn)榭梢詳y帶大數(shù)據(jù)包，比較適合對(duì)實(shí)行性要求不高的大容量的參數(shù)傳遞及數(shù)據(jù)監(jiān)控。

下圖是HS網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動(dòng)器使用CAN總線和MBOX通訊控制器構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化伺服控制系統(tǒng)的典型構(gòu)架。MBOX與上位計(jì)算機(jī)之間通過交換機(jī)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的通訊，MBOX與HS伺服之間實(shí)現(xiàn)CAN總線的通訊，另外，MBOX還可以與本地計(jì)算機(jī)或觸摸屏實(shí)現(xiàn)基于通過RS232等接口的MODBUS通訊，便于監(jiān)控和調(diào)試。同時(shí), MBOX還可以提供8路數(shù)字輸入，12路數(shù)字輸出及2路模擬量輸出接口。

3.動(dòng)感影院座椅特效的伺服網(wǎng)絡(luò)化控制方案

針對(duì)動(dòng)感影院（4D影院）特效播放的需求，我們提出并實(shí)現(xiàn)了如下圖所示的基于使用HS網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動(dòng)器的CAN總線和以太網(wǎng)通訊方法的動(dòng)感影院（4D影院）特效控制系統(tǒng)方案。

在該方案中，播映計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)交換機(jī)（如以太網(wǎng)有線方式路由，WiFi無線方式路由，電力網(wǎng)絡(luò)路由器）連接到每個(gè)座椅的MBOX通訊控制器，進(jìn)行控制與狀態(tài)信息的交互。MBOX的數(shù)字輸出與模擬輸出控制對(duì)應(yīng)的環(huán)境特效，數(shù)字輸入接收個(gè)性化環(huán)境指令，配置了RS232或USB接口實(shí)現(xiàn)本地的計(jì)算機(jī)或觸摸屏運(yùn)行監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置，配置了鍵盤顯示接口實(shí)現(xiàn)手動(dòng)方式的運(yùn)行監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置。MBOX還配置了用于移動(dòng)座椅的伺服電機(jī)控制用的CAN通訊接口，該接口與和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司的HS系列網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動(dòng)器通過自定義的CAN總線通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，通過CAN總線可以配置動(dòng)感座椅3個(gè)軸的獨(dú)立或聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制。

在應(yīng)用中，每個(gè)MBOX用于控制一套座椅及其環(huán)境特效。為通過以太網(wǎng)控制方便，每個(gè)MBOX分配一個(gè)ID號(hào)，該ID號(hào)用以太網(wǎng)的IP地址來表示，比如：192.168.1.100。每個(gè)座椅的MBOX，通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)線與以太網(wǎng)交換機(jī)連接。因此，每個(gè)座椅，作為一個(gè)整體，對(duì)外的連接線只需要1個(gè)220V的電源線和一根以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)線，極大的簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)的布線工程的實(shí)現(xiàn)。另外，以太網(wǎng)通訊采用10M/100M自適應(yīng)方式實(shí)現(xiàn)，具有數(shù)據(jù)傳遞高速，可靠及大容量等特點(diǎn)。

目前，該動(dòng)感影院（4D影院）項(xiàng)目的以太網(wǎng)及CAN總線等技術(shù)已經(jīng)取得全面突破。上位的播映計(jì)算機(jī)可以實(shí)時(shí)獲得每個(gè)座椅的X,Y,Z位置及速度信息，出現(xiàn)故障的故障碼；可以讀取MBOX的運(yùn)行狀態(tài)，讀寫MBOX的運(yùn)行及控制參數(shù)，控制MBOX的啟動(dòng)和停止，實(shí)時(shí)給出并實(shí)現(xiàn)座椅的X,Y,Z的位置控制，以及通過數(shù)字量和模擬量實(shí)現(xiàn)多種環(huán)境特效。另外，還支持通過RS232接口或USB接口實(shí)現(xiàn)MBOX的本地監(jiān)控，方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和測(cè)試。

4.動(dòng)感影院座椅特效控制效果

本文提出的伺服網(wǎng)絡(luò)化控制已經(jīng)在一個(gè)配置3軸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)感座椅及12種環(huán)境特效設(shè)備中得到應(yīng)用和驗(yàn)證。動(dòng)感座椅及環(huán)境特效播映設(shè)備與上位播映計(jì)算機(jī)互動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)的功能包括：

反饋動(dòng)感座椅的每個(gè)伺服電機(jī)位置信息

反饋動(dòng)感座椅的每個(gè)伺服電機(jī)速度信息

反饋動(dòng)感座椅的每個(gè)伺服電機(jī)負(fù)載率信息

反饋動(dòng)感座椅的每個(gè)伺服電機(jī)控制信息

反饋動(dòng)感座椅是否運(yùn)動(dòng)到超程限位的指示信息

設(shè)置動(dòng)感座椅及環(huán)境特效播映設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，如初始定位原點(diǎn)。

按給定目標(biāo)位置調(diào)整動(dòng)感座椅驅(qū)動(dòng)的多個(gè)伺服電機(jī)的位置

按給定數(shù)字量調(diào)整環(huán)境特效播放離散動(dòng)作，如：噴水噴氣、耳音、捅背、掃腿、雪花機(jī)、風(fēng)機(jī)、頻閃燈等。

按給定模擬量調(diào)整環(huán)境特效播放連續(xù)動(dòng)作，如 控制偏心電機(jī)，實(shí)現(xiàn)震動(dòng)效果的特效環(huán)境。

其它功能信息交互等

5.結(jié)論

動(dòng)感影院（4D影院）作為傳統(tǒng)影院的技術(shù)進(jìn)步和拓展，本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于CAN總線和以太網(wǎng)總線技術(shù)的動(dòng)感影院（4D影院）特效播映的通訊控制方案。實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動(dòng)動(dòng)感座椅和網(wǎng)絡(luò)化輸出環(huán)境特效的控制。上位播映計(jì)算機(jī)可以通過以太網(wǎng)交換器和每個(gè)獨(dú)立的動(dòng)感座椅及環(huán)境特效播映設(shè)備進(jìn)行信息交互，包括上位機(jī)讀取MBOX的狀態(tài)信息，讀寫MBOX的參數(shù)信息，發(fā)送特效播映控制及動(dòng)作指令，報(bào)告MBOX運(yùn)行狀態(tài)信息等功能。該伺服網(wǎng)絡(luò)化控制方案經(jīng)測(cè)試和實(shí)際使用表明，可高效可靠地實(shí)現(xiàn)大容量的特效動(dòng)作指令的播放以及運(yùn)行監(jiān)控，故障診斷等信息交互。

HS網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動(dòng)器和MBOX通訊控制板卡在動(dòng)感影院（4D影院）項(xiàng)目中的CAN通訊和以太網(wǎng)技術(shù)，其實(shí)是一個(gè)通用技術(shù)產(chǎn)品加以定制化開發(fā)應(yīng)用的方案設(shè)計(jì)。該定制化方案在實(shí)現(xiàn)用戶需求的同時(shí)，也達(dá)到了技術(shù)方案與產(chǎn)品的最佳工程實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，在動(dòng)感影院中采用的以太網(wǎng)和CAN/RS485通訊技術(shù)，是完全可以推廣到很多類的需要多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)化的伺服驅(qū)動(dòng)應(yīng)用項(xiàng)目中的。和利時(shí)電機(jī)大力支持按客戶需求的定制化應(yīng)用方案等技術(shù)開發(fā)及工程實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] TCP/IP Protocol Suite Fourth Edition. Behrouz A. Forouzan  ISBN 978-0-07-337604-2  Published by McGraw-Hill

[2] 一種CAN總線系統(tǒng)及其中的應(yīng)用層通訊方法 專利號(hào)：200910090385.4 韓利 等 北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司