1. 概要

北京和利時電機技術有限公司自主研發的多自由度運動控制系統，采用全新的控制算法，創新的實現了智能再生制動、過載自動降載、掉電動態制動、電網電壓補償和網絡化通訊等關鍵技術功能，系統將網絡化伺服電機驅動器和MBOX通訊控制板卡，通過CAN總線和以太網總線技術的完美結合，實現了設備的多平臺、多自由度、高速度、高可靠的運行控制。系統組網方便靈活，可擴展性強，可廣泛用于動感平臺、運動模擬、飛行模擬、駕駛模擬、并聯機器人、舞臺、噴泉等多自由度運動平臺領域。

2、系統組成

本方案應用于北京航空航天大學科研項目半物理仿真驗證試驗及測試，可模擬三個平動自由度和三個轉動自由度的運動。

系統由機械臺體、電控系統、主仿真機組成(見圖1)，采用數字化伺服驅動和網絡化等系統技術，實現機械臺體的偏航、俯仰、滾轉、縱向、橫向、垂向六自由度精確控制。

2.1 電控系統組成

多自由度運動平臺電控系統由網絡化伺服電機驅動器和MBOX通訊控制板卡組成，運用CAN總線和以太網總線技術，實現設備的多平臺、多自由度、高速度、大容量的運行控制。

圖2是網絡化伺服驅動系統通過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與伺服驅動器之間實現CAN總線的通訊。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還提供8路數字輸入，12路數字輸出及2路模擬量輸出接口，便于通過以太網總線實現低成本的數字及模擬接口數據采集和控制。

2.2 電控系統功能特點

（1）網絡化伺服驅動系統

  網絡化伺服驅動系統采用TI最新的32位含浮點運算能力的雙核數字信號處理芯片，采用全新的伺服控制算法，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。

  1、通用運動控制功能: 位置/速度/力拒控制, 模式切換；

  2、快速的電流環浮點CLA內核處理，具有良好的動態跟隨性；

  3、內置電網電壓補償控制，自動適應電網電壓的波動；

  4、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；

  5、 內置專有智能再生制動控制技術；

  6、內置轉矩觀測器技術，自動適應負載的變化；

  7、控制增益可切換或內部自適應匹配；

  8、內置動態制動控制，為驅動提供額外的安全防護；

  9、具有過載自動降載算法，可參數化選擇是否過載保護，以及參數化設置自動平滑降載及恢復過載能力；

  10、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；

  11、支持CAN總線接口，內置專有通訊協議，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1MHZ；

  14、2路模擬量輸出可觀測驅動器內部狀態，方便現場調試；

  15、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；

  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是一款專為伺服網絡化控制應用開發的一款以太網到CAN總線的雙向數據傳遞的，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。其中的CAN總線采用了電氣隔離技術，確保總線驅動的可靠與安全。 

（3）HS伺服驅動系統與MBOX通訊控制板卡構成的網絡化控制系統

網絡化伺服驅動系統，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。

標準配置的RS232接口實現網絡化伺服驅動系統與上位機或觸摸屏的點到點通訊，可實現對伺服驅動系統的狀態監視、參數讀寫以及總線模式的控制，當用戶要求網絡化伺服驅動系統組網運行時，可選擇RS485總線或CAN總線。

  網絡化伺服驅動系統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：

1、總線接口的轉矩模式控制

2、線接口的轉速模式控制

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計方案

   全電動多自由度運動平臺技術方案：采用電動缸和交流伺服電機及驅動器控制方案，具有響應速度快，控制精度高，使用方便，操作便捷等優點。我們從底層內核為該平臺的電動缸控制實現優化，其控制響應性能及環保等要素遠遠超過液壓控制方案。

   全網絡化拓撲通訊控制：通過和利時電機公司自主研發的網絡化運動控制器MBOX實現以太網+CAN總線兩級拓撲，通訊容量大，速度快，可擴展性好，絕對位置信號帶CRC校驗，可靠性高，兼顧性能和成本，遠優于單一的以太網或 CAN 總線網絡拓撲。

   雙向遠程監控：上位機通過以太網連接MBOX運動控制器，MBOX運動控制器與HS 伺服驅動器進行了高度緊密的系統集成。上位機即可以控制 MBOX 的運行參數及每個自由度的伺服運行位置，還可以實時監控每個自由度的運行速度，實際位置，負載率，伺服狀態字等信息。

   過載自動降載及恢復技術：伺服驅動器具有智能過載自動降載及恢復技術，免除電動缸及電機的短時過載的保護導致的停機及故障麻煩。

   可靠性管理技術：系統可以統計電動缸及電機的使用時間及使用壽命時間，方便進行運動平臺的可靠性維護。

   提供多種緊急停機處理：可以通過上位機用以太網通訊或本地數字輸入開關的方式，實現動感平臺的緊急停機。可以緊急停止在當前位置，當前 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：用于運動平臺快速回落過程中的伺服驅動器的再生能量回饋及其處理。

   電網電壓自動補償: HS伺服驅動器具備電網電壓補償算法功能，自動應對電網電壓的波動。 

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

   人性化PC人機界面: 基于LabWindows編程環境的圖形化上位機軟件人機操作界面，支持點動控制，正弦控制，姿態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軟件。

  支持完全無限位傳感器初始定位技術：利用和利時電機公司自主知識產權的HS系列伺服驅動器，可以從驅動內核來實現電動缸完全無限位傳感器的初始定位技術，從而降低系統成本和故障率。

  輔助調試 HMI 界面：通過MBOX用RS232接口實時監控每個自由度的運行速度，實際位置，負載率，伺服狀態字等信息，便于調試以及診斷等。