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韓利 姚宏 朱凌云 陳煒 馬昕晟

北京和利時電機技術有限公司

摘要：森創品牌HS系列伺服驅動器是和利時電機推出的新一代高性能低價格全數字交流網絡化伺服驅動器。HS系列網絡化伺服驅動器支持基于RS232或RS485的MODBUS RTU通訊，以及基于CAN總線的具有自主知識產權的CAN總線通訊協議。配合該驅動器的MBOX通訊控制器是一款專為HS網絡化伺服驅動器應用開發的一款以太網到CAN總線的雙向數據傳遞、含有RS232或RS422、12路數字輸出、2路模擬輸出、8路數字輸入等信號接口的多功能應用板卡。本文介紹基于HS網絡化伺服驅動器及MBOX通訊控制器構建實現在動感影院（4D影院）特效座椅的伺服網絡化控制應用方案。該方案具有現場布線簡單，施工方便，數據傳遞高速，可靠及大容量等特點，便于特效播映控制及座椅運行狀態的監控。

1.引言

動感影院（4D影院）是在傳統影院的基礎上發展起來的一種電影藝術表現形式，它在傳統影院的視覺和聽覺享受的基礎上，增加了動感座椅和環境特效設備，以超現實的視覺感受配以特殊的、夸張的、刺激性的效果同步表現，以仿真的場景與特別的機關設置來模仿實際發生的事件。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，閃電，下雪，掃腿，泡泡，氣味，煙霧等場景，讓觀眾身臨其境，妙趣橫生。將視覺、聽覺、嗅覺、觸覺和動感完美地融為一體。

當前市場上的動感影院（4D影院）座椅特效控制系統，座椅驅動的技術方案主要包括：氣動，液動，以及電動。氣動控制方案的座椅動作比較簡單粗糙；氣動控制方案的維護和維修非常麻煩；電動方案，尤其是使用伺服電機驅動的電動方案，具有動作細膩，使用可靠，維護簡便等優點。本文介紹一種使用和利時電機HS網絡化伺服驅動器，應用于動感影院（4D影院）座椅特效的網絡化控制方法。該方法實現上位播映計算機通過以太網交換機與動感座椅及環境特效播映設備的高效可靠信息交互。

2.HS網絡化伺服驅動器及網絡化通訊控制板卡

2.1森創HS網絡化伺服驅動器

HS系列網絡化伺服驅動器是北京和利時電機技術有限公司推出的新一代高性價比、外觀樸素，實用可靠的全數字交流伺服電機驅動器，該驅動器的開發，延續和產品化了北京和利時電機技術有限公司在2009年承擔國家科技重大專項課題期間進行的交流伺服主軸驅動器研發的技術研究成果。已授權4項國家專利技術（3項發明和1項實用新型）。

該款網絡化伺服驅動器采用TI最新的32位含浮點運算能力的雙核數字信號處理芯片，采用全新的電機控制算法，對永磁同步伺服電機的位置、速度、加速度和輸出轉矩進行精確控制。適用于加工中心、數控伺服控制、紡織機械等工業自動化行業及領域。

HS 系列網絡化伺服驅動器具有以下特點：

"通用運動控制功能: 位置/速度/力拒控制, 模式切換

"快速的電流環浮點CLA內核處理，具有良好的動態跟隨性。

"內置電網電壓補償控制，自動適應電網電壓的波動。

"內置2路可選共振低通濾波，以及2級共振陷波濾波器，有效應對機械共振。

"內置專有智能再生制動控制技術。

"內置轉矩觀測器技術，自動適應負載的變化。

"控制增益可切換或內部自適應匹配。

"內置動態制動控制，為驅動提供額外的安全防護。

"具有過載自動降載算法，可參數化選擇是否過載保護及自動平滑降載及恢復過載能力。

"支持MODBUS協議的 RS232及RS485通訊接口，直接與上位機和觸摸屏等通訊。

"支持CAN總線接口，內置專有通訊協議，方便客戶定制使用。

"控制端口支持軟件方式分配、邏輯設置、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1MHZ.

"2路模擬量輸出可觀測驅動器內部狀態，方便現場調試。

"內置功率器件溫度監控和過流，過壓以及過熱等保護，確保可靠驅動。

"具有歷史故障記錄等可靠性管理功能

2.2 森創MBOX通訊控制板卡

MBOX是一款專為HS伺服網絡化控制應用開發的一款以太網[1]到CAN總線的雙向數據傳遞的，還含有RS232或RS422，12路數字輸出，2路模擬輸出，8路數字輸入等信號接口的多功能應用板卡。該電路板實物如圖所示。

2.3 森創HS伺服驅動器與MBOX構成的伺服網絡化控制系統

HS系列網絡化伺服驅動器，提供了3種總線接口，包括RS232，RS485以及CAN總線。其中RS232接口是標準配置的通訊接口。RS485和CAN總線是選配的通訊接口，采用了電氣隔離及瞬態電壓抑制保護技術，具有良好的電磁兼容性和可靠性。RS232和RS485接口的通訊協議是工業常用的MODBUS RTU協議。CAN總線接口的通訊協議是本公司具有自主知識產權（已獲發明專利）的CAN總線通訊方法[2]。

HS網絡化伺服驅動器加強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：

總線接口的轉矩模式控制

總線接口的轉速模式控制

總線接口的相對位置模式控制

總線接口的絕對位置模式控制

標準配置的RS232接口實現HS伺服驅動器與上位機或觸摸屏的點到點通訊，可實現對HS伺服驅動器的狀態監視，參數讀寫以及總線模式的控制，常用于伺服驅動器的參數配置及運行監控。當用戶要求HS網絡化伺服驅動器組網運行時，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，更適合做網絡化的實時控制，而MODBUS通訊因為可以攜帶大數據包，比較適合對實行性要求不高的大容量的參數傳遞及數據監控。

下圖是HS網絡化伺服驅動器使用CAN總線和MBOX通訊控制器構成網絡化伺服控制系統的典型構架。MBOX與上位計算機之間通過交換機實現以太網的通訊，MBOX與HS伺服之間實現CAN總線的通訊，另外，MBOX還可以與本地計算機或觸摸屏實現基于通過RS232等接口的MODBUS通訊，便于監控和調試。同時, MBOX還可以提供8路數字輸入，12路數字輸出及2路模擬量輸出接口。

3.動感影院座椅特效的伺服網絡化控制方案

針對動感影院（4D影院）特效播放的需求，我們提出并實現了如下圖所示的基于使用HS網絡化伺服驅動器的CAN總線和以太網通訊方法的動感影院（4D影院）特效控制系統方案。

在該方案中，播映計算機通過以太網交換機（如以太網有線方式路由，WiFi無線方式路由，電力網絡路由器）連接到每個座椅的MBOX通訊控制器，進行控制與狀態信息的交互。MBOX的數字輸出與模擬輸出控制對應的環境特效，數字輸入接收個性化環境指令，配置了RS232或USB接口實現本地的計算機或觸摸屏運行監控和參數設置，配置了鍵盤顯示接口實現手動方式的運行監控和參數設置。MBOX還配置了用于移動座椅的伺服電機控制用的CAN通訊接口，該接口與和利時電機技術有限公司的HS系列網絡化伺服驅動器通過自定義的CAN總線通訊協議實現對電機的運動控制，通過CAN總線可以配置動感座椅3個軸的獨立或聯動運動控制。

在應用中，每個MBOX用于控制一套座椅及其環境特效。為通過以太網控制方便，每個MBOX分配一個ID號，該ID號用以太網的IP地址來表示，比如：192.168.1.100。每個座椅的MBOX，通過一個標準以太網線與以太網交換機連接。因此，每個座椅，作為一個整體，對外的連接線只需要1個220V的電源線和一根以太網網絡線，極大的簡化了現場的布線工程的實現。另外，以太網通訊采用10M/100M自適應方式實現，具有數據傳遞高速，可靠及大容量等特點。

目前，該動感影院（4D影院）項目的以太網及CAN總線等技術已經取得全面突破。上位的播映計算機可以實時獲得每個座椅的X,Y,Z位置及速度信息，出現故障的故障碼；可以讀取MBOX的運行狀態，讀寫MBOX的運行及控制參數，控制MBOX的啟動和停止，實時給出并實現座椅的X,Y,Z的位置控制，以及通過數字量和模擬量實現多種環境特效。另外，還支持通過RS232接口或USB接口實現MBOX的本地監控，方便現場調試和測試。

4.動感影院座椅特效控制效果

本文提出的伺服網絡化控制已經在一個配置3軸伺服電機驅動的動感座椅及12種環境特效設備中得到應用和驗證。動感座椅及環境特效播映設備與上位播映計算機互動，可實現的功能包括：

反饋動感座椅的每個伺服電機位置信息

反饋動感座椅的每個伺服電機速度信息

反饋動感座椅的每個伺服電機負載率信息

反饋動感座椅的每個伺服電機控制信息

反饋動感座椅是否運動到超程限位的指示信息

設置動感座椅及環境特效播映設備的運行參數，如初始定位原點。

按給定目標位置調整動感座椅驅動的多個伺服電機的位置

按給定數字量調整環境特效播放離散動作，如：噴水噴氣、耳音、捅背、掃腿、雪花機、風機、頻閃燈等。

按給定模擬量調整環境特效播放連續動作，如 控制偏心電機，實現震動效果的特效環境。

其它功能信息交互等

5.結論

動感影院（4D影院）作為傳統影院的技術進步和拓展，本文提出并實現了一種基于CAN總線和以太網總線技術的動感影院（4D影院）特效播映的通訊控制方案。實現了網絡化伺服驅動動感座椅和網絡化輸出環境特效的控制。上位播映計算機可以通過以太網交換器和每個獨立的動感座椅及環境特效播映設備進行信息交互，包括上位機讀取MBOX的狀態信息，讀寫MBOX的參數信息，發送特效播映控制及動作指令，報告MBOX運行狀態信息等功能。該伺服網絡化控制方案經測試和實際使用表明，可高效可靠地實現大容量的特效動作指令的播放以及運行監控，故障診斷等信息交互。

HS網絡化伺服驅動器和MBOX通訊控制板卡在動感影院（4D影院）項目中的CAN通訊和以太網技術，其實是一個通用技術產品加以定制化開發應用的方案設計。該定制化方案在實現用戶需求的同時，也達到了技術方案與產品的最佳工程實現。事實上，在動感影院中采用的以太網和CAN/RS485通訊技術，是完全可以推廣到很多類的需要多節點網絡化的伺服驅動應用項目中的。和利時電機大力支持按客戶需求的定制化應用方案等技術開發及工程實現。

參考文獻

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

[2] 一種CAN總線系統及其中的應用層通訊方法 專利號：200910090385.4 韓利 等 北京和利時電機技術有限公司