1. 概要

北京和利時電機(jī)技術(shù)有限公司自主研發(fā)的多自由度運(yùn)動控制系統(tǒng)，采用全新的控制算法，創(chuàng)新的實(shí)現(xiàn)了智能再生制動、過載自動降載、掉電動態(tài)制動、電網(wǎng)電壓補(bǔ)償和網(wǎng)絡(luò)化通訊等關(guān)鍵技術(shù)功能，系統(tǒng)將網(wǎng)絡(luò)化伺服電機(jī)驅(qū)動器和MBOX通訊控制板卡，通過CAN總線和以太網(wǎng)總線技術(shù)的完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的多平臺、多自由度、高速度、高可靠的運(yùn)行控制。系統(tǒng)組網(wǎng)方便靈活，可擴(kuò)展性強(qiáng)，可廣泛用于動感平臺、運(yùn)動模擬、飛行模擬、駕駛模擬、并聯(lián)機(jī)器人、舞臺、噴泉等多自由度運(yùn)動平臺領(lǐng)域。

2、系統(tǒng)組成

本方案應(yīng)用于北京航空航天大學(xué)科研項(xiàng)目半物理仿真驗(yàn)證試驗(yàn)及測試，可模擬三個平動自由度和三個轉(zhuǎn)動自由度的運(yùn)動。

系統(tǒng)由機(jī)械臺體、電控系統(tǒng)、主仿真機(jī)組成(見圖1)，采用數(shù)字化伺服驅(qū)動和網(wǎng)絡(luò)化等系統(tǒng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臺體的偏航、俯仰、滾轉(zhuǎn)、縱向、橫向、垂向六自由度精確控制。

2.1 電控系統(tǒng)組成

多自由度運(yùn)動平臺電控系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)化伺服電機(jī)驅(qū)動器和MBOX通訊控制板卡組成，運(yùn)用CAN總線和以太網(wǎng)總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的多平臺、多自由度、高速度、大容量的運(yùn)行控制。

圖2是網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動系統(tǒng)通過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與伺服驅(qū)動器之間實(shí)現(xiàn)CAN總線的通訊。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, MBOX還提供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(shí)現(xiàn)低成本的數(shù)字及模擬接口數(shù)據(jù)采集和控制。

2.2 電控系統(tǒng)功能特點(diǎn)

（1）網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動系統(tǒng)

  網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用TI最新的32位含浮點(diǎn)運(yùn)算能力的雙核數(shù)字信號處理芯片，采用全新的伺服控制算法，對永磁同步伺服電機(jī)的位置、速度、加速度和輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精確控制。

  1、通用運(yùn)動控制功能: 位置/速度/力拒控制, 模式切換；

  2、快速的電流環(huán)浮點(diǎn)CLA內(nèi)核處理，具有良好的動態(tài)跟隨性；

  3、內(nèi)置電網(wǎng)電壓補(bǔ)償控制，自動適應(yīng)電網(wǎng)電壓的波動；

  4、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(jī)械共振；

  5、 內(nèi)置專有智能再生制動控制技術(shù)；

  6、內(nèi)置轉(zhuǎn)矩觀測器技術(shù)，自動適應(yīng)負(fù)載的變化；

  7、控制增益可切換或內(nèi)部自適應(yīng)匹配；

  8、內(nèi)置動態(tài)制動控制，為驅(qū)動提供額外的安全防護(hù)；

  9、具有過載自動降載算法，可參數(shù)化選擇是否過載保護(hù)，以及參數(shù)化設(shè)置自動平滑降載及恢復(fù)過載能力；

  10、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；

  11、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；

  12、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；

  13、脈沖模擬量接口, 脈沖輸入頻率最高可達(dá)1MHZ；

  14、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；

  15、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；

  16、具有歷史故障記錄等可靠性管理功能。 

（2）MBOX通訊控制器

   MBOX是一款專為伺服網(wǎng)絡(luò)化控制應(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?？偩€驅(qū)動的可靠與安全。 

（3）HS伺服驅(qū)動系統(tǒng)與MBOX通訊控制板卡構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動系統(tǒng)，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。

標(biāo)準(zhǔn)配置的RS232接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動系統(tǒng)與上位機(jī)或觸摸屏的點(diǎn)到點(diǎn)通訊，可實(shí)現(xiàn)對伺服驅(qū)動系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視、參數(shù)讀寫以及總線模式的控制，當(dāng)用戶要求網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動系統(tǒng)組網(wǎng)運(yùn)行時，可選擇RS485總線或CAN總線。

  網(wǎng)絡(luò)化伺服驅(qū)動系統(tǒng)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：

1、總線接口的轉(zhuǎn)矩模式控制

2、線接口的轉(zhuǎn)速模式控制

3、總線接口的相對位置模式控制

4、總線接口的絕對位置模式控制

3、北航六自由度平臺設(shè)計(jì)方案

   全電動多自由度運(yùn)動平臺技術(shù)方案：采用電動缸和交流伺服電機(jī)及驅(qū)動器控制方案，具有響應(yīng)速度快，控制精度高，使用方便，操作便捷等優(yōu)點(diǎn)。我們從底層內(nèi)核為該平臺的電動缸控制實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，其控制響應(yīng)性能及環(huán)保等要素遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過液壓控制方案。

   全網(wǎng)絡(luò)化拓?fù)渫ㄓ嵖刂?/span>：通過和利時電機(jī)公司自主研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制器MBOX實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)+CAN總線兩級拓?fù)?，通訊容量大，速度快，可擴(kuò)展性好，絕對位置信號帶CRC校驗(yàn)，可靠性高，兼顧性能和成本，遠(yuǎn)優(yōu)于單一的以太網(wǎng)或 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?span>

   雙向遠(yuǎn)程監(jiān)控：上位機(jī)通過以太網(wǎng)連接MBOX運(yùn)動控制器，MBOX運(yùn)動控制器與HS 伺服驅(qū)動器進(jìn)行了高度緊密的系統(tǒng)集成。上位機(jī)即可以控制 MBOX 的運(yùn)行參數(shù)及每個自由度的伺服運(yùn)行位置，還可以實(shí)時監(jiān)控每個自由度的運(yùn)行速度，實(shí)際位置，負(fù)載率，伺服狀態(tài)字等信息。

   過載自動降載及恢復(fù)技術(shù)：伺服驅(qū)動器具有智能過載自動降載及恢復(fù)技術(shù)，免除電動缸及電機(jī)的短時過載的保護(hù)導(dǎo)致的停機(jī)及故障麻煩。

   可靠性管理技術(shù)：系統(tǒng)可以統(tǒng)計(jì)電動缸及電機(jī)的使用時間及使用壽命時間，方便進(jìn)行運(yùn)動平臺的可靠性維護(hù)。

   提供多種緊急停機(jī)處理：可以通過上位機(jī)用以太網(wǎng)通訊或本地?cái)?shù)字輸入開關(guān)的方式，實(shí)現(xiàn)動感平臺的緊急停機(jī)。可以緊急停止在當(dāng)前位置，當(dāng)前 X,Y,Z 軸任意一軸水平或平均位置，或緊急停止在起始位置。

   智能再生制動控制：用于運(yùn)動平臺快速回落過程中的伺服驅(qū)動器的再生能量回饋及其處理。

   電網(wǎng)電壓自動補(bǔ)償: HS伺服驅(qū)動器具備電網(wǎng)電壓補(bǔ)償算法功能，自動應(yīng)對電網(wǎng)電壓的波動。 

   支持電磁制動和動態(tài)制動功能：HS伺服驅(qū)動器針對電源斷電及故障發(fā)生情況下，支持電磁制動（抱閘）和動態(tài)制動功能，確保平臺的安全停機(jī)。

   人性化PC人機(jī)界面: 基于LabWindows編程環(huán)境的圖形化上位機(jī)軟件人機(jī)操作界面，支持點(diǎn)動控制，正弦控制，姿態(tài)控制等六自由度平臺的常用各種操作，可隨時按用戶需求升級或完善上位機(jī)軟件。

  支持完全無限位傳感器初始定位技術(shù)：利用和利時電機(jī)公司自主知識產(chǎn)權(quán)的HS系列伺服驅(qū)動器，可以從驅(qū)動內(nèi)核來實(shí)現(xiàn)電動缸完全無限位傳感器的初始定位技術(shù)，從而降低系統(tǒng)成本和故障率。

  輔助調(diào)試 HMI 界面：通過MBOX用RS232接口實(shí)時監(jiān)控每個自由度的運(yùn)行速度，實(shí)際位置，負(fù)載率，伺服狀態(tài)字等信息，便于調(diào)試以及診斷等。