“森创”HS系列伺服驱动器的网络化控制及应用
- 关键词：网络化伺服,伺服网络化控制,工业自动化,组网流水线控制,电动缸,动感影院,,4D影院,六自由度平台,舞台特效
- 摘要：森创品牌HS系列伺服驱动器是北京和利时电机技术有限公司推出的新一代高性能低价格全数字网络化伺服驱动器。HS系列伺服驱动器支持基于RS232或RS485的MODBUS RTU通讯，以及基于CAN总线的具有自主知识产权的CAN总线通讯协议。配合该驱动器的MBOX通讯控制器是一款专为HS网络化伺服驱动器应用开发的一款以太网到CAN总线的双向数据传递、含有RS232或RS422、12路数字输出、2路模拟输出、8路数字输入等信号接口的多功能应用板卡。本文介绍基于HS网络化伺服驱动器及MBOX通讯控制器构建实现的以太网加CAN或RS485的伺服网络化控制应用方案。该方案具有现场布线简单，施工方便，数据传递高速，可靠及大容量等特点，可广泛应用于工业自动化组网流水线控制，使用电动缸的动感（4D/5D）影院，六自由度平台，舞台，喷泉等特效控制。
1. 引言
伺服是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制的非常灵活方便。现代基于永磁同步电机的交流伺服驱动器发展应用非常快速和广泛，性能和功能不断提高而价格越来越便宜，已从早先的数控领域开始进入到量大面广的泛工业化应用。
交流伺服驱动器的控制模式一般分为位置模式，速度模式及转矩模式。目前流行的伺服驱动器，实现这三种控制模式的控制接口依然是硬线接口方式，即脉冲方向、数字IO及模拟量方式。这种硬线接口模式适合短距离，小台数的应用场合，当需要几十乃至成百台甚至上千的联合应用时，工程布线，长距离传输，控制信号衰减乃至失真，故障诊断麻烦的问题就会接踵而来。在这样应用条件下，带网络化的交流伺服驱动器将会成为代替传统PLC控制方案的优先考虑的新型方案。
交流伺服驱动器的网络化接口，分为高端的快速总线系统和低端的一般总线系统。高端的总线系统，如德国倍福公司的EtherCAT，可提供信息传递的快速性和同步性，但价格很高，技术复杂，并不适合一般的普通应用。低端的总线系统，如RS485系统，其实时性也不好，组网能力也有限。和利时电机推出的HS系列网络化伺服驱动器及以太网通讯控制器，针对伺服网络化应用的低成本和高速性要求，提出了一整套应用方案，通过以太网总线和CAN总线的二级网络拓扑结构，实现高速高容量及低成本的组网应用方案，已在多个项目中得到应用和验证。
2. HS系列网络化伺服驱动器
HS系列网络化伺服驱动器是北京和利时电机技术有限公司推出的新一代高性价比、外观朴素，实用可靠的全数字交流伺服驱动器，该驱动器的开发，延续和产品化了北京和利时电机技术有限公司在2009年承担国家科技重大专项课题期间进行的交流伺服主轴驱动器研发的技术研究成果。已授权4项国家专利技术（3项发明和1项实用新型）。
该款网络化伺服驱动器采用TI最新的32位含浮点运算能力的双核数字信号处理芯片，采用全新的电机控制算法，对永磁同步伺服电机的位置、速度、加速度和输出转矩进行精确控制。适用于加工中心、数控伺服控制、纺织机械等工业自动化行业及领域。
HS 系列网络化伺服驱动器具有以下特点：
●通用运动控制功能: 位置/速度/力拒控制, 模式切换
●快速的电流环浮点CLA内核处理，具有良好的动态跟随性。
●内置电网电压补偿控制，自动适应电网电压的波动。
●内置2路可选共振低通滤波，以及2级共振陷波滤波器，有效应对机械共振。
●内置专有智能再生制动控制技术。
●内置转矩观测器技术，自动适应负载的变化。
●控制增益可切换或内部自适应匹配。
●内置动态制动控制，为驱动提供额外的安全防护。
●具有过载自动降载算法，可参数化选择是否过载保护，以及参数化设置自动平滑降载及恢复过载能力。
●支持MODBUS协议的 RS232及RS485通讯接口，直接与上位机和触摸屏等通讯。
●支持CAN总线接口，内置专有通讯协议，方便客户定制使用。
●控制端口支持软件方式分配、逻辑设置、可编程滤波，使用灵活方便可靠。
●脉冲模拟量接口, 脉冲输入频率最高可达1MHZ.
●2路模拟量输出可观测驱动器内部状态，方便现场调试。
●内置功率器件温度监控和过流，过压以及过热等保护，确保可靠驱动。
●具有历史故障记录等可靠性管理功能
3. 森创MBOX通讯控制板卡
MBOX是一款专为HS伺服网络化控制应用开发的一款以太网[1]到CAN总线的双向数据传递的，含有RS232或RS422，12路数字输出，2路模拟输出，8路数字输入等信号接口的多功能应用板卡。其中的CAN总线采用了电气隔离技术，确保总线驱动的可靠与安全。
4. HS伺服驱动器与MBOX构成的网络化装置
HS系列网络化伺服驱动器，提供了3种总线接口，包括RS232，RS485以及CAN总线。其中RS232接口是标准配置的通讯接口。RS485和CAN总线是选配的通讯接口，采用了电气隔离及瞬态电压抑制保护技术，具有良好的电磁兼容性和可靠性。RS232和RS485接口的通讯协议是工业常用的MODBUS RTU协议。CAN总线接口的通讯协议是本公司具有自主知识产权（已获发明专利）的CAN总线通讯方法[2]。
HS系列网络化伺服驱动器加强了总线模式下的控制功能，支持RS232，RS485以及CAN总线接口的多种总线模式控制，包括：
●总线接口的转矩模式控制
●总线接口的转速模式控制
●总线接口的相对位置模式控制
●总线接口的绝对位置模式控制
标准配置的RS232接口实现HS伺服驱动器与上位机或触摸屏的点到点通讯，可实现对HS伺服驱动器的状态监视，参数读写以及总线模式的控制，常用于伺服驱动器的参数配置及运行监控。当用户要求HS网络化伺服驱动器组网运行时，可以选择RS485总线或CAN总线。一般来说，CAN总线具有的灵活性与可靠性，更适合做网络化的实时控制，而MODBUS通讯因为可以携带大数据包，比较适合对实时性要求不高的大容量的参数传递及数据监控。
下图是HS网络化伺服驱动器使用CAN总线和MBOX通讯控制器构成网络化伺服控制系统的典型构架。MBOX与上位计算机之间通过交换机实现以太网的通讯，MBOX与HS伺服之间实现CAN总线的通讯，另外，MBOX还可以与本地计算机或触摸屏实现基于通过RS232等接口的MODBUS通讯，便于监控和调试。同时, MBOX还可以提供8路数字输入，12路数字输出及2路模拟量输出接口，便于通过以太网总线实现低成本的数字及模拟接口数据采集和控制。
HS伺服CAN总线组网与MBOX通讯控制板卡构成的以太网控制节点
三轴伺服CAN总线与以太网构成的网络化应用演示系统
5. 多节点的网络化伺服控制应用方案
每个MBOX的CAN总线最多节点数与传输距离及波特率有关。常见的应用节点数有：3,6,9，16等。MBOX的以太网接口通过交换机连接在一起，当一个交换机的端口不够时，可以通过另一个交换机进行扩展。在应用中，每个MBOX分配一个ID号，该ID号用以太网的IP地址来表示，比如：192.168.1.100。每个MBOX构成的控制节点，作为一个整体，对外的连接线只需要1个220V的电源线和一根以太网网络线，极大的简化了现场的布线工程的实现。另外，以太网通讯采用10M/100M自适应方式实现，具有数据传递高速，可靠及大容量等特点。
6. 结论
HS网络化伺服驱动器和MBOX通讯控制板卡的CAN通讯和以太网技术，是一个通用技术产品加以定制化开发应用的方案设计，该方案的优点包括：
●高速大容量通讯
●组网方便灵活，可靠性高
●可扩展性强、现场布线简单
●监控诊断容易
●性价比优于传统的PLC以及控制板卡方案
该方案可广泛应用于工业自动化组网流水线控制，使用电动缸的动感（4D/5D）影院和六自由度平台，以及舞台，喷泉等特效控制泛工业化应用领域。伺服驱动组网控制定制化方案在实现用户需求的同时，也达到了技术方案与目标项目的最佳工程实现。和利时电机大力支持按客户需求的定制化应用方案等技术开发及工程实现。
参考文献
[1] TCP/IP Protocol Suite Fourth Edition. Behrouz A. Forouzan ISBN 978-0-07-337604-2 Published by McGraw-Hill
[2] 一种CAN总线系统及其中的应用层通讯方法 专利号：200910090385.4 韩利 等 北京和利时电机技术有限公司