一种基于空心轴电机驱动的多点可控的机电装置设计

摘 要：为了凸显创新性、科技性和艺术性的结合，展览馆的标志性展示装置经常采用大体量的需要多点单独可控的机电互动装置来实现，而该类大体量装置的机电机构往往会出现运行不稳定、故障率较高等问题。为了很好地保证该类装置的稳定运行，设计了一种基于空心轴电机驱动的多点可控的机电装置，该装置采用空心轴伺服电机驱动各节点机构进行旋转运动，以实现节点旋转运动的单独精确控制;并采用CAN总线技术实现大量节点协同旋转的稳定控制，具备运行稳定、噪声小、故障率低等优势，能够达到很好的展览效果，应用场景较多。

关键词：空心轴电机;CAN总线技术;可控

中图分类号：TP29    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2022）12-0036-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.12.010

0    引言

诸如科技馆、博物馆、主题馆、企业馆、商场、展览馆等场所，为追求整馆的展示效果，达到吸引更多观众的目的，往往需要一件或几件能够代表整馆特色的展示装置，该类标志性装置重点突出创新性、科技性和艺术性的结合，多数情况下必定采用机电互动装置与富媒体相结合的形式，机电互动装置能使观众具备相应的真实感和科技感，而富媒体可以在此基础上进行内容的升华以及主题的表达。

为达到较好的展览效果，机电互动装置的设计及制作成为该类装置是否能长期稳定运行的关键，一旦设计不合理，往往会使装置在运行一段时间后出现小故障，从而导致装置整体无法正常运行，且维修维护难，成本高。

空心轴电机作为一种技术相对成熟的电机，其主要技术特征在于电机轴为空心管，优点是能减小体积、重量、噪声，一体多用，降低成本，使用方便;而空心轴压电电机同传统的电磁电机相比，具有低转速下大力矩输出、结构设计灵活、无线圈复杂结构、功率密度高、保持力矩大等特点[1-3]，其在镜头自动调焦、深空探测等一些场合具有电磁电机无法比拟的优点[4]。

基于对空心轴电机应用的研究，结合大体量标志性展品展览的需求，本文介绍了一种基于空心轴电机驱动的多点可控的机电装置，能够较好地解决问题，保证展示效果。

1    单节点结构设计

一般地，采用一台普通电机实现旋转运动是比较简单的，直接驱动即可;或直接将旋转部件通过连接件与电机转轴相连接，或通过一系列传动机构将旋转部件与电机转轴相连接。以上两种驱动方式若应用于多点可控旋转的大体量机电互动装置，前者会占用较大空间，而使装置整体体量较大，若外观设计不合理，则很难体现出互动装置的艺术性;后者由于采用了传动机构而增加了运行过程中部件传动带来的故障，故障率较高。针对多点可控的大体量机电互动装置的应用场景，本文设计了一种基于空心轴电机驱动的机电装置。

单节点机电装置主要由空心轴电机、运动部件等构成，如图1所示，空心轴电机的定子（转子）固定于轴上，转子（定子）与运动部件直接连接;单节点装置运行时，空心轴电机可带动运动部件进行360°旋转;空心轴电机采用伺服电机，可以实现对运動部件旋转速度、角度等的精确控制。

利用空心轴电机自身尺寸较小、旋转稳定、噪声小等特点，可以大大缩小整体所占空间，为大体量装置的外观设计提供空间;旋转部件既可以是圆柱体、圆锥体等规则形状部件，也可以是定制的异形部件，可根据相应主题进行个性化设计，大大丰富了互动装置的外观表现，能够较好地表达出科学与艺术的结合。

结构中采用旋转部件与电机转轴直接相连接的形式，无其他多余传动机构，从而减少了采用传动机构进行驱动所带来的故障率高的问题，能有效保证节点装置平稳顺畅运行。

2    多点单独可控功能设计

通过对单节点的结构设计，实现了运动部件旋转运动的精确控制。在实际应用到标志性展览设备中时，往往需要众多单节点机构同时运行且相互配合，才能达到较好的展示效果。

针对多节点的应用场景，如何实现多节点相互协同配合运作是关键。由于采用单个空心轴伺服电机实现对单节点的精确控制，为了实现对众多节点的配合控制，使各单节点能单独控制从而实现协同配合，主要对单节点中伺服电机的通信控制进行了系统化设计。系统采用CAN总线技术实现对单节点空心轴伺服电机的总体控制，能够在保证单节点运行精度的同时，实现各节点之间稳定通信，从而使多节点协同运作，达到较好的效果。

CAN是ISO国际标准化的串行通信协议，首先在汽车产业研发成功并应用，由于汽车中多种电子控制系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，多条总线一起使用的情况很多，线束的数量也很大。为适应减少线束数量、实现大量数据的高速通信等需要，1986年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN通信协议。此后，CAN通过ISO 11898及ISO 11519进行了标准化，在欧洲已是汽车网络的标准协议。

CAN总线技术的高性能和可靠性已被行业认同，并广泛应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面;它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。

利用CAN总线技术的以上特点，基于空心轴电机驱动的多点可控装置的电气控制系统设计如图2、图3所示，将单节点机电装置中的空心轴伺服电机通过CANET连接到工控机上，节点数量可以通过网口交换机和CAN总线进行任意扩展;工控系统能够稳定有效地将控制信号发送到每个节点装置的空心轴伺服电机上，控制伺服电机旋转速度、角度等参数，从而使众多节点能够稳定地协同配合运作。系统中还可通过设置可编程控制器等，让系统具备接入其他功能设备的可能性，如灯光、音乐、传感器等，大大丰富了多节点大体量机电互动装置的展示形式，提升了整个装置的整体展示效果。1D5066AF-983C-4C14-942D-7A3208E2B360

3    装置的两种应用场景

基于空心轴电机驱动的多点可控的机电装置实现了单节点旋转角度、速度等的精确控制以及多节点协同运作的通信控制，从而使整个系统能够稳定地长时间有效运行。以下简单介绍该装置的两种应用场景。

3.1    第一种应用场景：大型像素展示墙

像素展示墙主要采用像素原理在一面墙上展示出不同的图像，由200个节点（节点数量可根据情况增加）构成，如图4所示。每个节点均采用本文所述“基于空心轴电机驱动的多点可控的机电装置”进行旋转驱动，单个节点由一个立方体组成，立方体的四个面分别为不同颜色和材质，可围绕其旋转轴依次出现在正前方;系统可以编程实现每个节点立方体旋转的精确控制，从而能够在整个面上呈现出不同的字母、文字、图像等信息，突出科技感。

3.2    第二种应用场景：环形多点旋转展示装置

装置自上而下由10层环形多点旋转机构组成，如图5所示，每层环形机构为一个金属圆环，在圆环一周上设置21个旋转杆机构，如图6、图7所示，每个旋转杆结构均采用本文所述“基于空心轴电机驱动的多点可控的机电装置”，从而实现每个旋转杆旋转的单独精确控制。整个装置运行时，由CAN总线统一控制，通过控制各旋转杆旋转速度，使每层环的旋转杆之间、不同层次的环形金属圆环之间交错旋转运行，呈现出不同的运行状态，实现神奇的大型动态展示，达到美丽而震撼的效果，使科学与艺术完美结合。

以上应用场景是基于空心轴电机驱动的多点可控的机电装置的简单应用，其能够实现大体量多点展示系统的技术应用，且由于采用空心轴电机，基于其占用空间小、噪声小等特点，能够很好地实现艺术性外观和科学性展示相融合。

4    结语

本文对基于空心轴电机驱动的多点可控的机电装置的设计进行了详细论述，重点是单节点机电机构和多节点协同控制系统的论述，单节点控制机构由于采用空心轴伺服电机直接驱动，能够实现节点旋转角度、速度等参数的精确控制，多节点的协同控制则通过CAN总线技术，保证各节点信号传输的稳定，从而实现稳定运行，且具备一定的扩展性。文中还对该装置在两种场景下的应用进行了简单介绍，可以看出其能够很好地解决大体量多点可控展示装置的技术问题，具备结构简单、控制方便、噪声小、运行稳定、故障率低、维护方便等优势，应用场景较多。

[参考文献]

[1] CHU X C，XING Z P，GONG W，et al.Vibration analy-

sis of stepping piezoelectric micro-motor using wiggle mode [J].Materials Science and Engineering B，2003，99（1/2/3）：306-308.

[2] 褚祥誠，李龙土.压电陶瓷超声波马达[J].物理，2002，31（4）：229-234.

[3] 褚祥诚，袁松梅，李龙土.一种新型中空结构的行波压电电机[J].压电与声光，2005，27（6）：640-642.

[4] 白永明.一种新型中空轴压电电机的结构设计[J].机械制造与自动化，2014，43（4）：19-20.

收稿日期：2022-03-29

作者简介：秦承运（1990—），男，河南淮阳人，机电工程师，从事科普展览、展品研发设计工作。1D5066AF-983C-4C14-942D-7A3208E2B360