一体化步进电机浮球矩阵应用

一体化步进电机浮球矩阵应用


1    概述

1.1  主要特性

    浮球矩阵单点展示单元由一体化步进伺服电机、绕线传动机构、电磁抱闸、位置传感器、钢丝绳和球体组成,电机轴精确转动控制小球有规律地上下运动。成百上千个悬于空中的小球随音乐有规律地联动,可形成文字、图片、波浪等等各种形状,场面宏伟浩大,给人强烈的视觉冲击。这种科技与艺术的结合已成为现代媒体传播的新方式,广泛应用于展馆、商场、橱窗、舞台、机场、推广活动等场合。

CQPUSI一体化展示单元,采用谱思自主研发的PMC007系列高速一体化步进伺服模组,模组之间采用CANOPEN进行通讯,信号传输速率达1M,实现运动同步误差低于2.5微秒;一体化设计,减小单元体积,减轻单元质量,机械安装仅需3步,百分之九十安装工作可在地面完成,普通工人即可完成安装;电气层面仅需一根两芯标准CAN线缆以及一根两芯标准电源线缆即可完成复杂的运动控制;艺术效果随时更换,只需将做好的3D动画文件导入软件内即可生成新场景,手机、平板、电脑均可控制。

1.2  功能特点

l   谱思一体化标准CANOPEN步进伺服模组

l   PVT3次样条插补,最小控制间隔2ms,同步误差小于0.1ms   

l   超低功耗,峰值30W,静止场景下主动进入功耗小于1W

l   步线简洁,两根标准两芯导线实现系统供电与控制

l   超高性价比节省项目成本

l   安装简洁,机械安装仅需三步

l   控制简单,手机、电脑、平板均可操控

1.3  选型与功能订购信息

浮球矩阵选型指南

4‑2


在浮球矩阵、时钟矩阵、雨伞矩阵等文创类应用中,为了呈现整体的观感,需要对数百个轴进行同步控制,PMC007控制器采用专用优化算法,可以极大的降低总线负荷,提高响应的实时性。在这种场景下,PMC007ENC2引脚还可以配置为幻彩灯控制引脚,用户可以通过指令调节外部幻彩灯的亮度和色彩。

1.4  性能参数

硬件

谱思高速一体化步进伺服模组

电磁抱闸

绕线机构

位置传感器等

运动特性

浮球最大速度不低于2m/s

PVT3次样条运动差值,最小控制间隔小于2ms

同步同步性误差小于0.1ms

0.4mm钢丝绳,最大25m,长度可定制 

球灯

球体各式定制

32000全彩色

WS2812系列幻彩灯

功耗

峰值30W,平均18W

外观尺寸

200*150*135

整体重量

1.6kg

安装方式

锁扣式锁紧

电气特性

宽电压输入24-48VDC

256大细分

6A电流可调

两根标准两芯导线

过热、过压、过流保护

负载能力

低速(<1m/s,悬挂物1kg

高速(>1m/s,悬挂物0.5kg

防风性能

可抵挡二级风

通讯

CANOPEN


2    矩阵环境要求及安装
2.1   环境要求

浮球矩阵需在合适的环境下使用,以保证产品长期稳定工作,展示单元对环境要求如下表:

项目

条件

温度

-20-45摄氏度

湿度

5-90%(无凝露)

脉冲群抗干扰度

2.5kV及以下

静电抗干扰度

6kV及以下

天花离地面高度

不低于2.5m

抗风

不高于2级风

不宜环境

含有灰尘、油烟、盐分、铁屑

含有易燃性、腐蚀性气体

浮球矩阵系列产品不宜在恶劣环境下使用,选购产品前请与我司销售人员确认。

2.2   机械层安装

仅需三步:

1).固定模组:首先在安装架上固定安装板,开口向下螺丝固定,如下图所示:

机械层安装

2).组装模组:将模组从安装板侧面滑入,用卡扣卡住模组即完成安装根据模组的ID编号,连续5个模组为一个小组。标准铝合金型材的长度为3米,悬挂5个模组和一个配电模块,在地面完成安装和步线,如下图。

一体化步进电机浮球矩阵应用


3).展馆安装:视需求采用专用机械吊装钢架,模组固定好后,通过锁扣将铝合金型材从地面吊起,接靠到钢架下表面后用标准锁扣固定。

2.3   电气安装

展示单元通过CANOPEN总线进行通讯,通过具有抗干扰能力的双绞线相连,统一接到CAN扩展模组上,CAN扩展能力极强,一个模组可连接90个展示单元,CAN模组通过一根信号线连接交换机,交换机可直接连接电脑,或者通过无线方式连接手机平板;供电方面展示单元采用24VDC,若干个展示单元接一个开关电源,如下图所示;每个展示单元出厂时会有唯一的ID号,可在显示屏幕上直接进行操作。

一体化步进电机浮球矩阵应用电气安装

4‑2

3    通讯及工作原理

浮球矩阵最底层采用CANopen协议,借助相应的控制网关和用户端通讯,用户机包括但不限于单片机、PC、智能移动终端、工控机,详细指令参考相应控制网关使用手册,这里仅对底层通讯及工作原理做概述。

PMC007控制器可以配置为PVT运动模式,在此模式下,控制器采用PUSIROBOT特有的三次样条插补优化算法,在同一时间坐标上对多个轴的位置、速度进行精确控制,从而使得末端机构实现直线、圆弧及复杂曲线的运动轨迹,如下图4-2

浮球矩阵组网

4‑2

在浮球矩阵、时钟矩阵、雨伞矩阵等文创类应用中,为了呈现整体的观感,需要对数百个轴进行同步控制,PMC007控制器采用专用优化算法,可以极大的降低总线负荷,提高响应的实时性。在这种场景下,PMC007ENC2引脚还可以配置为幻彩灯控制引脚,用户可以通过指令调节外部幻彩灯的亮度和色彩。

3.1   CANopen概述

CAL提供了所有的网络管理服务和报文传送协议,但并没有定义对象的内容或者正在通讯的对象的类型(它只定义了how,没有定义what),而这正是CANopen 切入点。CANopen 是在CAL 基础上开发的,使用了CAL 通讯和服务协议子集,提供了分布式控制系统的一种实现方案。CANopen 在保证网络节点互用性的同时允许节点的功能随意扩展:或简单或复杂。

CANopen 的核心概念是设备对象字典(ODObject Dictionary),在其它现场总线(ProfibusInterbus-S)系统中也使用这种设备描述形式。CANopen 通讯通过对象字典(OD)能够访问驱动器的所有参数。注意:对象字典不是CAL 的一部分,而是在CANopen 中实现的,PMC007xx支持的对象字典见附录一所示。

CANopen 通讯模型定义了如下几种报文(通讯对象):

缩 写

详 称

说 明

SDO

Service Data Object

用于非时间关键数据,比如参数。

PDO

Process Data Object

用于传输时间关键进程数据(给定值、控制字、状态信息等)。

SYNC

Synchronization Message

用于同步CAN 节点。

EMCY

Emergency Message

用于传输驱动器的报警事件。

NMT

Network Management

用于CANopen 网络管理。

Heartbeat

Error Control Protocol

用于监测所有节点的生命状态。


3.2   CAN帧结构

CAN 通过数据帧在主机(控制器)和总线节点之间传输数据,下表为数据帧的结构。

帧头

仲裁域

控制域

数据域

校验域

应答域

帧尾

COB-ID

(通讯对象标识符)

RTR

(远程请求)

1位      1129            1          6    0~8字节  16      2    7

软件实现收发时,上述帧结构中除了COB-ID和数据域,其他均由CAN收发控制器硬件完成,因此用户仅需要限定COB-ID和数据域。

注意:本驱动器采用标准帧格式,COB-ID11位,暂不支持远程帧。

COB-ID的分配如下:

功能码

NODE ID(节点地址)

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

控制器参数通过SDO读写对象访问,对于需要实时上报到主站的驱动器状态信息可通过配置PDO实现。

3.3      PV运动模式

对象名称

PV运动控制寄存器

SDO ID

0x601D

对象类型

Record

存储类型

RAM

参数个数

2

PV运动模式可以先设置好指定节点要运行的绝对位置和速度,再通过PV同步启动指令可使多个轴同时运动。

3.3.1      PV速度

子索引0x01:PV速度

对象类型

S32,rw

范围

-2147483648-2147483647

默认值

0

3.3.2      PV位置

子索引0x02:PV位置

对象类型

S32,rw

范围

-2147483648-2147483647

默认值

0


3.4     
PVT运动模式

 对象名称

PVT运动对象

SDO ID

0x6010

对象类型

Record

存储类型

RAM

参数个数

19

PMC007支持三种PVT控制模式,各模式适用于不同应用场景。

模式1为单次运动模式,当控制器执行完上位机写入的PVT序列数据后,一次PVT运动结束。

模式2为循环运动模式,上位机可在写入的PVT序列数据中,指定索引循环执行设置的次数后结束PVT运动。

模式3FIFO控制模式,上位机不停的向控制器写入PVT序列,控制器不停的取出PVT数据执行PVT运动。

另外PMC007支持组ID设置,用于同一网络中任意两个或多个节点同步启动和停止PVT运行。PVT运动模式的使用流程请参考PUSICAN工具带的脚本范例。

3.4.1      PVT控制

子索引0x01:PVT控制操作

对象类型

U8,rw

范围

0-3

默认值

0

0:终止PVT运动;

1:启动PVT运动;

2:将PVT位置、速度和时间对象数据写入队列中;

3:清除队列中的所有PVT数据;

3.4.2      PVT工作模式

子索引0x02:PVT工作模式

对象类型

U8,rw

范围

0-2

默认值

0

0:PVT模式1

1:PVT模式2

2:PVT模式3

3.4.3      最大PVT点数

子索引0x03:最大PVT点数

对象类型

U16,rw

范围

0-1000

默认值

0

3.4.4      PVT指针

子索引0x04:当前PVT指针

对象类型

U16,r

范围

0-1000

默认值

0

3.4.5      PVT模式1参数

PVT模式1起始索引

子索引0x05:PVT模式1起始索引

对象类型

U16,rw

范围

0-1000

默认值

0

PVT模式1结束索引

子索引0x06: PVT模式1结束索引

对象类型

U16,rw

范围

0-1000

默认值

0

3.4.6      PVT模式2参数

PVT模式2加速阶段起始索引

子索引0x07:PVT模式2加速阶段起始索引

对象类型

U16,rw

范围

0-1000

默认值

0

PVT模式2加速阶段结束索引

子索引0x08:PVT模式2加速阶段结束索引

对象类型

U16,rw

范围

0-1000

默认值

0

PVT模式2循环阶段起始索引

子索引0x09:PVT模式2循环阶段起始索引

对象类型

U16,rw

范围

0-1000

默认值

0

PVT模式2循环阶段结束索引

子索引0x0A:PVT模式2循环阶段结束索引

对象类型

U16,rw

范围

0-1000

默认值

0

PVT模式2循环阶段次数

子索引0x0B:PVT模式2循环次数

对象类型

U16,rw

范围

0-65535

默认值

0

PVT模式2减速阶段起始索引

子索引0x0C:PVT模式2减速阶段起始索引

对象类型

U16,rw

范围

0-1000

默认值

0

PVT模式2减速阶段结束索引

子索引0x0D:PVT模式2减速阶段结束索引

对象类型

U16,rw

范围

0-1000

默认值

0

3.4.7      PVT模式3参数

PVT模式3 FIFO深度

子索引0x0E:PVT模式3 FIFO深度

对象类型

U16,r

范围

0-1000

默认值

0

PVT模式3 FIFO下限

子索引0x0F:PVT模式3 FIFO下限

对象类型

U16,rw

范围

0-1000

默认值

0

工作在PVT模式3时,FIFO深度小于此对象设定的值时,控制器状态对象的FIFO下限位置位。

PVT模式3 FIFO上限

子索引0x10:PVT模式3 FIFO上限

对象类型

U16,rw

范围

0-1000

默认值

0

工作在PVT模式3时,FIFO深度大于此对象设定的值时,控制器状态对象的FIFO上限位置位。

3.4.8      PVT位置

子索引0x11:PVT位置

对象类型

S32,rw

范围

-2147483648-2147483647

默认值

0

当前PVT点期望运动到的绝对位置。

3.4.9      PVT速度

子索引0x12:PVT速度

对象类型

S32,rw

范围

-2147483648-2147483647

默认值

0

当前PVT点期望的运动速度,单位pps

3.4.10    PVT时间

子索引0x13:PVT时间

对象类型

S32,rw

范围

0-2147483647

默认值

0

从上一个PVT点到当前PVT点的时间,单位为ms


3.5      PV/PVT同步启停

PMC007通过对标准CANOpenNMT指令进行扩展实现了一个网络中两个或多个节点的PVT运动同步启停。

标准NMT格式

COB-ID

Byte0

Byte1

0x000

CS

Node-ID

扩展的NMT指令在不影响标准协议的情况下,对Byte0Byte1添加了新的定义。

Byte0定义如下:

命令

功能

10

启动PV运动

11

启动PVT运动

12

停止PVT运动

Byte1为组ID,只有控制器收到的组ID与自身的组ID相匹配时,才执行相应的命令操作。

3.6      幻彩灯控制

在开环版本中PMC007支持WS2812系列幻彩灯,且时序可调,通过ENC2端口输出控制。

3.6.1      幻彩灯控制参数

对象名称

幻彩灯控制参数

SDO ID

0x601E

对象类型

Record

存储类型

ROM

参数个数

4

用于设置幻彩灯的控制时序。

子索引0x01:开关

对象类型

U8,rw

范围

0-1

默认值

0

1打开幻彩灯控制功能,用ENC2端口输出控制。


子索引0x02:控制频率

对象类型

U32,rw

范围

0- 4294967295

默认值

0


子索引0x03:低电平占空比

对象类型

U8,rw

范围

0- 255

默认值

0


子索引0x04:高电平占空比

对象类型

U8,rw

范围

0- 255

默认值

0

3.6.2      幻彩灯颜色输出

对象名称

幻彩灯颜色

SDO ID

0x601F

对象类型

U32,rw

范围

1-255

存储类型

RAM

默认值

0

0-7位控制红色,8-15位控制绿色,16-23位控制蓝色。

4   一体化步进电机浮球矩阵应用案例图组

浮球矩阵

矩阵墻

一体化步进电机浮球矩阵应用:雨伞











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