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森創(chuàng)HS系列伺服驅(qū)動器的網(wǎng)絡(luò)化控制及應(yīng)用
發(fā)布時間：2013-07-30
摘要：森創(chuàng)品牌HS系列伺服驅(qū)動器是北京和利時電機技術(shù)有限公司推出的新一代高性能低價格全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動器。HS系列伺服驅(qū)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(chǎn)權(quán)的CAN總線通訊協(xié)議。配合該驅(qū)動器的MBOX通訊控制器是一款專為HS網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動器應(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)動器及MBOX通訊控制器構(gòu)建實現(xiàn)的以太網(wǎng)加CAN或RS485的伺服網(wǎng)絡(luò)化控制應(yīng)用方案。該方案具有現(xiàn)場布線簡單，施工方便，數(shù)據(jù)傳遞高速，可靠及大容量等特點，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化組網(wǎng)流水線控制，使用電動缸的動感（4D/5D）影院，六自由度平臺，舞臺，噴泉等特效控制。
關(guān)鍵字：網(wǎng)絡(luò)化伺服，伺服網(wǎng)絡(luò)化控制，工業(yè)自動化，組網(wǎng)流水線控制，電動缸，動感影院，4D影院，六自由度平臺，舞臺特效
1. 引言
伺服是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。它的主要任務(wù)是按控制命令的要求、對功率進行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動裝置輸出的力矩、速度和位置控制的非常靈活方便。現(xiàn)代基于永磁同步電機的交流伺服驅(qū)動器發(fā)展應(yīng)用非常快速和廣泛，性能和功能不斷提高而價格越來越便宜，已從早先的數(shù)控領(lǐng)域開始進入到量大面廣的泛工業(yè)化應(yīng)用。
交流伺服驅(qū)動器的控制模式一般分為位置模式，速度模式及轉(zhuǎn)矩模式。目前流行的伺服驅(qū)動器，實現(xiàn)這三種控制模式的控制接口依然是硬線接口方式，即脈沖方向、數(shù)字IO及模擬量方式。這種硬線接口模式適合短距離，小臺數(shù)的應(yīng)用場合，當(dāng)需要幾十乃至成百臺甚至上千的聯(lián)合應(yīng)用時，工程布線，長距離傳輸，控制信號衰減乃至失真，故障診斷麻煩的問題就會接踵而來。在這樣應(yīng)用條件下，帶網(wǎng)絡(luò)化的交流伺服驅(qū)動器將會成為代替?zhèn)鹘y(tǒng)PLC控制方案的優(yōu)先考慮的新型方案。
交流伺服驅(qū)動器的網(wǎng)絡(luò)化接口，分為高端的快速總線系統(tǒng)和低端的一般總線系統(tǒng)。高端的總線系統(tǒng)，如德國倍福公司的EtherCAT，可提供信息傳遞的快速性和同步性，但價格很高，技術(shù)復(fù)雜，并不適合一般的普通應(yīng)用。低端的總線系統(tǒng)，如RS485系統(tǒng)，其實時性也不好，組網(wǎng)能力也有限。和利時電機推出的HS系列網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動器及以太網(wǎng)通訊控制器，針對伺服網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的低成本和高速性要求，提出了一整套應(yīng)用方案，通過以太網(wǎng)總線和CAN總線的二級網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高速高容量及低成本的組網(wǎng)應(yīng)用方案，已在多個項目中得到應(yīng)用和驗證。
2. HS系列網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動器
HS系列網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動器是北京和利時電機技術(shù)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(shù)字交流伺服驅(qū)動器，該驅(qū)動器的開發(fā)，延續(xù)和產(chǎn)品化了北京和利時電機技術(shù)有限公司在2009年承擔(dān)國家科技重大專項課題期間進行的交流伺服主軸驅(qū)動器研發(fā)的技術(shù)研究成果。已授權(quán)4項國家專利技術(shù)（3項發(fā)明和1項實用新型）。
該款網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動器采用TI最新的32位含浮點運算能力的雙核數(shù)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(zhuǎn)矩進行精確控制。適用于加工中心、數(shù)控伺服控制、紡織機械等工業(yè)自動化行業(yè)及領(lǐng)域。
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HS 系列網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動器具有以下特點：
ü 通用運動控制功能: 位置/速度/力拒控制, 模式切換
ü 快速的電流環(huán)浮點CLA內(nèi)核處理，具有良好的動態(tài)跟隨性。
ü 內(nèi)置電網(wǎng)電壓補償控制，自動適應(yīng)電網(wǎng)電壓的波動。
ü 內(nèi)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(yīng)對機械共振。
ü 內(nèi)置專有智能再生制動控制技術(shù)。
ü 內(nèi)置轉(zhuǎn)矩觀測器技術(shù)，自動適應(yīng)負載的變化。
ü 控制增益可切換或內(nèi)部自適應(yīng)匹配。
ü 內(nèi)置動態(tài)制動控制，為驅(qū)動提供額外的安全防護。
ü 具有過載自動降載算法，可參數(shù)化選擇是否過載保護，以及參數(shù)化設(shè)置自動平滑降載及恢復(fù)過載能力。
ü 支持MODBUS協(xié)議的 RS232及RS485通訊接口，直接與上位機和觸摸屏等通訊。
ü 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。
ü 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。
ü 脈沖模擬量接口, 脈沖輸入頻率最高可達1MHZ.
ü 2路模擬量輸出可觀測驅(qū)動器內(nèi)部狀態(tài)，方便現(xiàn)場調(diào)試。
ü 內(nèi)置功率器件溫度監(jiān)控和過流，過壓以及過熱等保護，確保可靠驅(qū)動。
ü 具有歷史故障記錄等可靠性管理功能
3. 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，含有RS232或RS422，12路數(shù)字輸出，2路模擬輸出，8路數(shù)字輸入等信號接口的多功能應(yīng)用板卡。其中的CAN總線采用了電氣隔離技術(shù)，確保總線驅(qū)動的可靠與安全。
4. HS伺服驅(qū)動器與MBOX構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)化裝置
HS系列網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)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(tài)電壓抑制保護技術(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產(chǎn)權(quán)（已獲發(fā)明專利）的CAN總線通訊方法[2]。
HS系列網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)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：
l 總線接口的轉(zhuǎn)矩模式控制
l 總線接口的轉(zhuǎn)速模式控制
l 總線接口的相對位置模式控制
l 總線接口的絕對位置模式控制
標準配置的RS232接口實現(xiàn)HS伺服驅(qū)動器與上位機或觸摸屏的點到點通訊，可實現(xiàn)對HS伺服驅(qū)動器的狀態(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)動器的參數(shù)配置及運行監(jiān)控。當(dāng)用戶要求HS網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動器組網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)化的實時控制，而MODBUS通訊因為可以攜帶大數(shù)據(jù)包，比較適合對實時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與上位計算機之間通過交換機實現(xiàn)以太網(wǎng)的通訊，MBOX與HS伺服之間實現(xiàn)CAN總線的通訊，另外，MBOX還可以與本地計算機或觸摸屏實現(xiàn)基于通過RS232等接口的MODBUS通訊，便于監(jiān)控和調(diào)試。同時, 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，便于通過以太網(wǎng)總線實現(xiàn)低成本的數(shù)字及模擬接口數(shù)據(jù)采集和控制。
HS伺服CAN總線組網(wǎng)與MBOX通訊控制板卡構(gòu)成的以太網(wǎng)控制節(jié)點
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5. 多節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)化伺服控制應(yīng)用方案
每個MBOX的CAN總線最多節(jié)點數(shù)與傳輸距離及波特率有關(guān)。常見的應(yīng)用節(jié)點數(shù)有：3,6,9，16等。MBOX的以太網(wǎng)接口通過交換機連接在一起，當(dāng)一個交換機的端口不夠時，可以通過另一個交換機進行擴展。在應(yīng)用中，每個MBOX分配一個ID號，該ID號用以太網(wǎng)的IP地址來表示，比如：192.168.1.100。每個MBOX構(gòu)成的控制節(jié)點，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(wǎng)網(wǎng)絡(luò)線，極大的簡化了現(xiàn)場的布線工程的實現(xiàn)。另外，以太網(wǎng)通訊采用10M/100M自適應(yīng)方式實現(xiàn)，具有數(shù)據(jù)傳遞高速，可靠及大容量等特點。
多以太網(wǎng)控制節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)化伺服控制方案
6. 結(jié)論
HS網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動器和MBOX通訊控制板卡的CAN通訊和以太網(wǎng)技術(shù)，是一個通用技術(shù)產(chǎn)品加以定制化開發(fā)應(yīng)用的方案設(shè)計，該方案的優(yōu)點包括：
ü 高速大容量通訊
ü 組網(wǎng)方便靈活，可靠性高
ü 可擴展性強、現(xiàn)場布線簡單
ü 監(jiān)控診斷容易
ü 性價比優(yōu)于傳統(tǒng)的PLC以及控制板卡方案
該方案可廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化組網(wǎng)流水線控制，使用電動缸的動感（4D/5D）影院和六自由度平臺，以及舞臺，噴泉等特效控制泛工業(yè)化應(yīng)用領(lǐng)域。伺服驅(qū)動組網(wǎng)控制定制化方案在實現(xiàn)用戶需求的同時，也達到了技術(shù)方案與目標項目的最佳工程實現(xiàn)。和利時電機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)及工程實現(xiàn)。
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(tǒng)及其中的應(yīng)用層通訊方法 專利號：200910090385.4 韓利 等 北京和利時電機技術(shù)有限公司