森创网络化伺服在动感影院特效座椅控制上的应用

• 关键词：森创,网络化伺服,动感影院特效座椅,应用
• 摘要：森创品牌HS系列伺服驱动器是和利时电机推出的新一代高性能低价格全数字交流网络化伺服驱动器。HS系列网络化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在动感影院（4D影院）特效座椅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，便于特效播映控制及座椅运行状态的监控。

　　1. 引言
　　动感影院（4D影院）是在传统影院的基础上发展起来的一种电影艺术表现形式，它在传统影院的视觉和听觉享受的基础上，增加了动感座椅和环境特效设备，以超现实的视觉感受配以特殊的、夸张的、刺激性的效果同步表现，以仿真的场景与特别的机关设置来模仿实际发生的事件。随着剧情变化，观众不仅可以“触摸”到电影中的物体，还能感受到下雨，刮风，闪电，下雪，扫腿，泡泡，气味，烟雾等场景，让观众身临其境，妙趣横生。将视觉、听觉、嗅觉、触觉和动感完美地融为一体。
　　当前市场上的动感影院（4D影院）座椅特效控制系统，座椅驱动的技术方案主要包括：气动，液动，以及电动。气动控制方案的座椅动作比较简单粗糙；气动控制方案的维护和维修非常麻烦；电动方案，尤其是使用伺服电机驱动的电动方案，具有动作细腻，使用可靠，维护简便等优点。本文介绍一种使用和利时电机HS网络化伺服驱动器，应用于动感影院（4D影院）座椅特效的网络化控制方法。该方法实现上位播映计算机通过以太网交换机与动感座椅及环境特效播映设备的高效可靠信息交互。
　　2. HS网络化伺服驱动器及网络化通讯控制板卡
　　2.1森创HS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电机驱动器，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及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
　　2.2 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，还含有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。该电路板实物如图所示。

　　2.3 森创HS伺服驱动器与MBOX构成的伺服网络化控制系统
　　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，比较适合对实行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。

　　3. 动感影院座椅特效的伺服网络化控制方案
　　针对动感影院（4D影院）特效播放的需求，我们提出并实现了如下图所示的基于使用HS网络化伺服驱动器的CAN总线和以太网通讯方法的动感影院（4D影院）特效控制系统方案。
　　在该方案中，播映计算机通过以太网交换机（如以太网有线方式路由，WiFi无线方式路由，电力网络路由器）连接到每个座椅的MBOX通讯控制器，进行控制与状态信息的交互。MBOX的数字输出与模拟输出控制对应的环境特效，数字输入接收个性化环境指令，配置了RS232或USB接口实现本地的计算机或触摸屏运行监控和参数设置，配置了键盘显示接口实现手动方式的运行监控和参数设置。MBOX还配置了用于移动座椅的伺服电机控制用的CAN通讯接口，该接口与和利时电机技术有限公司的HS系列网络化伺服驱动器通过自定义的CAN总线通讯协议实现对电机的运动控制，通过CAN总线可以配置动感座椅3个轴的独立或联动运动控制。
　　在应用中，每个MBOX用于控制一套座椅及其环境特效。为通过以太网控制方便，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。每个座椅的MBOX，通过一个标准以太网线与以太网交换机连接。因此，每个座椅，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。

　　目前，该动感影院（4D影院）项目的以太网及CAN总线等技术已经取得全面突破。上位的播映计算机可以实时获得每个座椅的X,Y,Z位置及速度信息，出现故障的故障码；可以读取MBOX的运行状态，读写MBOX的运行及控制参数，控制MBOX的启动和停止，实时给出并实现座椅的X,Y,Z的位置控制，以及通过数字量和模拟量实现多种环境特效。另外，还支持通过RS232接口或USB接口实现MBOX的本地监控，方便现场调试和测试。
　　4. 动感影院座椅特效控制效果
　　本文提出的伺服网络化控制已经在一个配置3轴伺服电机驱动的动感座椅及12种环境特效设备中得到应用和验证。动感座椅及环境特效播映设备与上位播映计算机互动，可实现的功能包括：
　　●反馈动感座椅的每个伺服电机位置信息
　　●反馈动感座椅的每个伺服电机速度信息
　　●反馈动感座椅的每个伺服电机负载率信息
　　●反馈动感座椅的每个伺服电机控制信息
　　●反馈动感座椅是否运动到超程限位的指示信息
　　●设置动感座椅及环境特效播映设备的运行参数，如初始定位原点。
　　●按给定目标位置调整动感座椅驱动的多个伺服电机的位置
　　●按给定数字量调整环境特效播放离散动作，如：喷水喷气、耳音、捅背、扫腿、雪花机、风机、频闪灯等。
　　●按给定模拟量调整环境特效播放连续动作，如 控制偏心电机，实现震动效果的特效环境。
　　●其它功能信息交互等

　　5. 结论
　　动感影院（4D影院）作为传统影院的技术进步和拓展，本文提出并实现了一种基于CAN总线和以太网总线技术的动感影院（4D影院）特效播映的通讯控制方案。实现了网络化伺服驱动动感座椅和网络化输出环境特效的控制。上位播映计算机可以通过以太网交换器和每个独立的动感座椅及环境特效播映设备进行信息交互，包括上位机读取MBOX的状态信息，读写MBOX的参数信息，发送特效播映控制及动作指令，报告MBOX运行状态信息等功能。该伺服网络化控制方案经测试和实际使用表明，可高效可靠地实现大容量的特效动作指令的播放以及运行监控，故障诊断等信息交互。

　　HS网络化伺服驱动器和MBOX通讯控制板卡在动感影院（4D影院）项目中的CAN通讯和以太网技术，其实是一个通用技术产品加以定制化开发应用的方案设计。该定制化方案在实现用户需求的同时，也达到了技术方案与产品的最佳工程实现。事实上，在动感影院中采用的以太网和CAN/RS485通讯技术，是完全可以推广到很多类的需要多节点网络化的伺服驱动应用项目中的。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