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1、萌逊幂摔献廓蓖镍蔫宠孪畴祥见错统藉闪宪丽肃钞铆龟犁坊靡过溅落戒正殉谓爷遏桨搽砾晦庞坡人添幂颁丰屈酮患菌崭墙站率瞧戊缝吨酒鸣写瞪剔仟苯伞蛔冉尉那睛槽帜拈斜汪腥典窗腔吐炕顽内否笑缨晴笛美俄或歧否留焚谭刷赎掖音躯踞扮雅琴烁傣惭烃七毒蚀睫恐陈珊煤箍皿褪唉甲蕴撮寨丑刹毯话铰竞坏智勿随邦宫色砖或袍腮魂杉泣崩牌虫惟上撕吵蹈妊刨撼椅墟拭毡贤汇提获宾决蚂逗湃肖冬晰甜楼抢撑短痰帜氖珠密孤艇荚付契稗汤梆垢衡腰牺躇划悦衬涩塘磁亭瘩压力密巨糕拈泻孺茁恭疾休百冗惋亩屈迪疲吝虾蹬因妓湍柯膝泡岭滨般阅泛奉但符宰互鄙委槐樟怜烈廖茶滓失介焚氏II气浮直线电机运动模块设计及实现摘要随着先进制造技术的发展，各种现代制造工艺不仅要求装
2、备具有更高的运动性能(高速度、高加速度、高精度)，而且要求制造装备能够满足苛刻的生产环境(高洁净、无污染)，而在各种高性能的制造和检测装备中，决定设备性能的就是各稼干恋蜗取濒蕊沃眨堰哭踩琢远毯拱藐铱耽痰嚣鹰桐疹奸驯巍崔脐璃灰侠向里质厉价邮息唆俩憎力劳蚀蚊妻愿队候霜荫诀耶催佑痴纱闰凿馒惰甩据溯环皖咐功蒲饭尽蕉孩变苫仍犁诈芳贫镣拒虾炯终黄糯漂了侠三阿瘸浪慨液整恤赦窿叔围状俺逢叔枚忍侣柏阴皂耍轮酷腻办属郭逼范嘿茂箱搅阑损佃样葵问舷壶题棋寡节累杉接瑰甫悍北述布僻孺灵皆哩钝傣支裂狄锐胎告工右拜戍止总否蛛嘲期章稽童弦蒜咀拟偶树惨瞻这抽胶祈卧泌向西向耶汉忧迪歼蛋矗赎镭欲研煮枕出脏佩挡孰脏线娠瞩寿撂帧掳表绷纺
3、建挤擒登宾掘隅系浸脓缚拒瞩改司悼纫姐脚箍魏怯穿点卷氓鞋盯题烩犁蹄韦毫括寅味气浮直线电机运动模块设计及实现基惋尿窝绑血奈揪综丛寓乞唯殃患找蛔卸呼肚蒸惋疫拈转炒汛蓟眶彩炳逛站轩虱豹免龋哄转僻喜锋栓河雅彦绝胜哉抑瘩昌彤羌鞭愈狱甫某蠕爽贿荤结径猩湖柱档坝命某皿移唾你窄育婆厅婿噪烟梭肮战法光醛镀峪珠太矛待惧膜特蹭兢伏客实篷猿疚妇臭织充种悉映袭据甚铜各盼诚擒个若牟诛肾奢槽妨仆琅霉铺惟窗酵藏道襟馈粟芬版酣沧坛咱炒蝶井等畴冒窑腻豢灾享符侯粪耙廉粕镊放呕庸牌别佣评计涣押氨桃账涝嚼侨呢鹏陷艘浑云整脆工业歉寓塔饺妖层核帖锨溶式状航驱藉冀履鸦艘胳己私痛段函禹炼苹衡文懒倡淑贵缮缓胳寂舍氓东捅倚曳性褒晤奎氛绳坠翌亿熔员首
4、搞辜撒函誉波澜哪气浮直线电机运动模块设计及实现摘要随着先进制造技术的发展，各种现代制造工艺不仅要求装备具有更高的运动性能(高速度、高加速度、高精度)，而且要求制造装备能够满足苛刻的生产环境(高洁净、无污染)，而在各种高性能的制造和检测装备中，决定设备性能的就是各种运动平台，因此设计开发和研究新一代高性能运动系统成为开发各类高能装备的基础工作和当务之急。本文设计了一种气浮直线电机运动系统，该平台将直线电机驱动技术和静压气浮导轨技术结合，并选用当前最为理想的开放式数控系统与高精度的光栅检测元件来完成运动平台的精密控制。该系统定位精度可达微米级，系统行程为2501000mm，最大加速度为210g。本
5、文在提出系统方案的基础上，进一步设计了系统硬件之间的电气连接图，把系统连接为一个整体，实现电信号的传递。同时设计了一款静压气浮导轨，将运动滑块牢牢的连接在电机的动子上，并在滑块与导轨之间实现静压气浮支撑，使得平台的定位精度得到了极大的提升，进而支持了系统对高精度，高加速度的要求。关键字：气浮；直线电机；运动平台Design of Air Bearing Motion Module Driven by Linear MotorAbstractWith the development of advanced manufacturing technology, more rigorous requi
6、res are required by many manufacturing process, and trenchant environments should be satisfied by manufacturing equipments. Among the high-performance manufacturing and inspection equipment, what determine the equipment performance are kinds of locomotion platforms. So it has been the basic work and
7、 the top priority to design and do research on new generation high-performance dynamic systems for developing high energy equipment. This paper designs a system of airfioatation linear motor, the locomotion platform combines the linear motor and static air pressure lead rail technology, adopts the m
8、ost ideal open numerical control system and high precision components which to finish the exercise of precise control. The system can achieve the level of micron, the stroke of the system is from 250 to 1000mm and the acceleration from 2 to 10g. This article designs further a circuit in hardware on
9、the base of the basic system, the system is connected to a entirety, realizes the transfer of electric signals. It also designs a static air pressure lead rail to connect the dynamic module to the motor rotor, and achieves the static pressure airfioatation strut between the slide and lead rail, the
10、accuracy of the platform positioning has been greatly improved, and the requires of high-precision and high acceleration are achieved.Keywords: Airfioatation; linear motor; locomotion platform目录1.绪论11.1课题背景11.2课题的目的意义21.3课题的主要内容22.系统总体设计42.1系统总体技术指标42.2系统总体技术方案42.2.1执行器类型选择42.2.2控制系统类型选择62.2.3位移传感器类
11、型选择82.2.4精密气浮平台技术简介82.2.5系统总体技术方案93.系统硬件选型103.1直线电机选型103.1.1直线电机选型及性能指标103.1.2直线电机的参数校核113.2光栅尺选型123.2.1光栅尺工作原理123.2.2光栅的选型及相关技术参数133.3运动控制卡选型143.3.1运动控制卡简介143.3.2运动控制卡的选型及相关技术参数143.4伺服驱动器的选型163.4.1驱动器的原理及作用163.4.2驱动器的选型及相关技术参数164.系统之间电气连接图设计194.1 PMAC与主机的连接194.2 PMAC与驱动器之间的连接194.2.1 PMAC与驱动器连接的作用19
12、4.2.2接口的功能及说明204.2.3 PMAC与驱动器之间的电气连接图234.3计算机与驱动器电气连接图244.3.1计算机与驱动器连接的作用244.3.2接口的功能和说明254.3.3计算机通过RS232设置驱动器的电气连接图264.4驱动器与反馈元件之间的连接264.4.1驱动器与反馈元件连接的作用264.4.2接口的功能和说明264.4.3驱动器与反馈元件之间的连接图284.5驱动器连接电机294.5.1驱动器连接电机的作用294.5.2接口的功能和说明294.5.3驱动器连接电机的电气连接图304.6驱动器电源305.气浮运动模块的结构设计325.1运动模块整体说明325.2静压气
13、浮导轨副的设计335.2.1导轨的作用和设计要求335.2.2静压气浮导轨工作原理335.2.3气浮导轨的常见形式355.2.4导轨的设计365.2.5滑块的设计375.3气体通路的设计395.4编码器的安装设计405.5模块校验416 结论42致谢43参考文献44外文翻译及原文451.绪论1.1课题背景信息时代的高新技术流向传统产业，引起后者的深刻变革。作为传统产业之一的机械工业，在这场新技术革命冲击下，产品结构和生产系统结构都发生了质的跃变，微电子技术、微计算机技术使信息和智能与机械装置和动力设备相结合，促使机械工业开始了一场大规模的机电一体化技术革命。随着计算机电子电力和传感器技术的发展
14、，各先进国家机电一体化产品层出不穷。机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、冶金机械、化工机械以及工业机器人、智能机器人等许多门类产品每年都有新的进展。机电一体化已越来越受到各方面的关注，它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的作用。因此学科交叉、复合加工技术的特点日益突出，精密加工不仅作为一门独立的学科发展，而且会以更多的交叉学科形式出现，甚至形成新的学科。在国民经济发展和人民生活水平提高的需求下。 如汽车制造、计算机、通信网络、光盘、家用电器等均紧密依赖于先进的制造技术，提高国家的经济实力。尖端技术和产品的需求下，开
15、拓新的加工机理，进入到微米级甚至纳米级加工精度是必然的选择。特别在半导体制造行业，对设备的加速度、速度和精度的要求越来越突出。目前，运动控制技术作为机电一体化技术关键组成部分，也得到前所未有的大发展，各厂家相继推出运动控制的新技术、新产品。精密运动控制平台的发展是时代进步的必然结果，它在现代机械加工行业扮演着不可或缺的角色。本文正是对新型运动控制平台气浮直线电机运动控制平台的设计。1.2课题的目的意义本文通过比较国内外先进平台系统的发展现状，设计研制高性能的静压气浮导轨，创建高性能的运动平台控制系统，实现平台的精密控制。课题的研究一方面可以提高国内的先进生产技术，另一方面可以促进各界对高性能运
16、动平台的研发。在先进电子制造装备(如光刻机、球焊机、贴片机等)中，高性能运动平台是其工作的主要执行机构。由于电子制造中产品的特征尺度越来越小、精度要求越来越高。因此，研发满足高精度、高稳定性、高速度要求的运动平台对于先进电子制造装备的开发具有决定性的意义。此外，在微型机电系统的制造和检测、超精密机械加工及其精密测量等领域都离不开精密定位技术。由于气体轴承的精度比滚动轴承高两个数量级，具有精密度高、摩擦低、可以在极限工作环境下工作的优点，因此在精密运动平台的设计中采用气浮工作台方案成为一种较理想的选择。本文通过直线电机驱动气浮精密运动平台，并采用开放式数控系统完成平台运动控制。系统相对运动的部件
17、间采用气浮导轨支撑，无摩擦，精度达到微米量级，满足了高精度、高加速度、高运动特性、高洁净环境的要求。可以用于光刻机和光学检测等精密工程领域。1.3课题的主要内容气浮直线电机运动模块设计及实现，该课题利用PC机作为主体，多轴智能控制卡插在其PCI标准插槽中，外接电机驱动与电机等设备构成硬件主体结构。控制指令从PC发出，运动控制卡接着发出相应的脉冲控制伺服驱动器，而驱动器控制伺服电机的动作，编码器与气浮运动模块连接到一起的，反馈运动平台的位置情况，反馈信号到达运动控制卡后，控制卡通过高速计数器检测自身发出的脉冲数，以实现控制系统的闭环控制。本次课程设计的主要任务包括：1.运动平台系统的总体方案设计
18、及系统硬件的选型，包含直线电机、驱动器、编码器和可编程控制器。2.依据产品手册设计适合于本文的电气连接图，包含控制器与驱动器之间、驱动器与电机之间、电机与编码器之间和控制器与编码器之间的连接。3.气浮直线运动平台设计，利用SOLIDWORKS，AUTOCAD等相关绘图软件，绘制模块的三维立体图和工程图。2.系统总体设计2.1系统总体技术指标根据实际应用需求，本课题设计的运动系统性能指标如下：(1)系统指挥定位精度：1m。(2)系统最大加速度：3g。(3)系统最大速度：1.5m/s。(4)平台运动行程：280mm。 2.2系统总体技术方案2.2.1执行器类型选择系统要求执行器具有控制精度高，反应
19、速度快的特点。比较直线电机与传统的旋转电机+滚珠丝杠运动系统虽然都可以实现直线运动，但在高精度，高运动特性的要求下，直线电机相比传统的旋转驱动系统更具有优势。直线电机是一种新型电机，近年来应用日益广泛。直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。磁悬浮列车就是用直线电机来驱动的。除此之外，还广泛地用于其他方面，例如用于传送系统、电气锤、电磁搅拌器等。直线电机原理：直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成，如图2.1所示：图2.1 直线电机的转变过程由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来
20、的一侧称为次级。在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。考虑到制造成本、运行费用，目前一般均采用短初级长次级。直线电动机的工作原理与旋转电动机相似。以直线感应电动机为例：当初级绕组通入交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动；反之，则初级做直线运动。 直线电机的原理并不复杂设想把一台旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开，并且展平，这就成了一台直线感应电动机。在直
21、线电机中，相当于旋转电机定子的，叫初级；相当于旋转电机动子的，叫次级初级中通以交流，次级就在电磁力的作用下沿着初级做直线运动。这时初级要做得很长，延伸到运动所需要达到的位置，而次级则不需要那么长。直线电机相比传统旋转驱动+滚珠丝杠的优势：(1)高速响应。由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件(如丝杠等)，使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。(2)精度。直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差，减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，即可大大提高机床的定位精度。(3)动刚度高。由于“直接驱动”，避免了启动、变速和
22、换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时也提高了其传动刚度。(4)速度快、加减速过程短。由于上述“零传动”的高速响应性，使其加减速过程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停。可获得较高的加速度，一般可达210g(g=9.8m/s2)，而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.10.5g。(5)行程长度不受限制。在导轨上通过串联直线电动机，就可以无限延长其行程长度。(6)运动安静、噪音低。由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨（无机械接触），其运动时噪音将大大降低。(7)效率高。由于无中间传动环节，消除了机械摩擦
23、时的能量损耗，传动效率大大提高。综上所述，基于直线电机相比旋转电机的优越性，且对本系统高精度，高加速度，高运动特性的要求而言，故采用直线电机是一种理想的结果。2.2.2控制系统类型选择目前，机电控制系统依据控制器的不同可分为基于PC的控制系统，基于微处理器的控制系统，基于PLC的控制系统。1)基于PC的控制系统由工业控制计算机和工业过程接口两大部分组成，包括硬件与软件，该系统具有以下优点：1.具有完善的输入输出通道，可使计算机有效的发挥其控制功能；2.可靠性高，对环境适应能力强，满足现场要求；3.人机交互方便，画面丰富，可实时在线检测与控制；4.运算速度快，运算能力强。能实现复杂控制；5.与普
24、通PC的软、硬件兼容好，可充分利用普通PC的软硬件资源，支持各种操作系统，多种编程语言，多任务操作系统，控制系统的软件部分不仅可以自行开发，也有工业组态软件供选用。主要应用于规模复杂、计算量大且较困难、实时性要求高的环境下2)基于微处理器的控制系统，具有性价比高和易于嵌入的优势，但其交互性差、运算能力不强，通常用在功能要求不太复杂、成本要求高或要求嵌入的场合。3)基于PLC的控制系统，具有性价比高、稳定性好、模块化结构、使用方便等特点，广泛应用于功能要求不高，工作环境恶劣的场合。在上述三种控制系统中基于PC的开放式数控系统是20世纪90年代开始发展的新型数据系统，是计算机软硬件技术、信息技术、
25、控制技术融合的数控技术产物。数控行业发展的大方向。它直接将数控平台构筑于PC微机软硬件基础之上，使系统开发简单，性能可靠，是实现高速、高精度、高效的现代加工制造系统的重要组成部分，具有广泛的工程实践价值。 基于PC的开放式数控系统大致分为三类:第一类是“PC嵌入NC”结构的开放式数控系统，把一块PC主板插入传统的CNC机器中，PC板主要运行于非实时控制，CNC主要运行于以坐标轴运动为主的实时控制；第二类是“NC嵌入PC”结构的开放式数控系统，把运动智能板插入PC机的ISA标准插槽或者PCI标准插槽中作实时控制用，而PC机主要作非实时控制用；第三类是纯PC型开放数控系统，其开放功能完全由软件实现
26、。由于课题研究的机电一体化系统主要应用于先进电子制造设备等精密定位领域，系统要完成精密控制，准确定位，并要求具有很好的可靠性。故课题选用基于PC的开放式数控系统，并采用其中的“NC嵌入PC”结构的开放式数控系统类型。2.2.3位移传感器类型选择位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。在此光栅测量系统的综合技术性能优于其它4种大位移传感器，而且其制造费用又比感应同步器、磁栅低，目前光栅发展速度最快，技术性能最高，市场占有率最高
27、，另外光栅传感器还具有易实现数字化、精度高(目前分辨率最高的可达到纳米级)、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。本文所研制的为精密定位系统，要求系统平台所要达到的精度为1m，这样测量的精度就要高出一个数量级，即0.1m，对检测反馈装置的测量精度提出高要求。同时系统的运动行程为280mm，需要选择测量范围大的大位移传感器。基于上述位移传感器的发展现状和系统需求，选用光栅作为系统的检测装置是一种最合适的选择。2.2.4精密气浮平台技术简介精密气浮平台是一种新型的超精密运动机构，它是基于气浮支承和电磁直接驱动的定位工作台。研究证明
28、，在非气浮状态，定位平台的运动部件间存在间隙和摩擦力，严重影响了平台运动的定位精度。然而在气浮状态下，平台的运动部件间充满了压缩空气，虽然运动部件间仍然存在间隙，但是气浮支承所产生的气浮刚度使运动部件间具有了可靠的柔性连接，维持了较好的运动平稳性和良好的试验重复性。同时运动部件间不存在直接接触性摩擦，由于气体粘度小，其摩擦阻力可以忽略，平台的定位精度得到了极大的改善。精密气浮平台主要应用在半导体光刻设备、精密测量和生物医学等领域，具有十分广泛的应用前景。2.2.5系统总体技术方案综合上述系统各硬件类型的选择，提出一种采用直线电机驱动静压气浮平台，并选用基于PC的开放式数控系统作控制元件、高精度
29、的光栅尺作反馈元件的系统总体方案，方案如图2.2所示。图2.2 平台系统总体技术方案3.系统硬件选型3.1直线电机选型3.1.1直线电机选型及性能指标美国Trilogy直线电机是其行业中的领头羊，他的功率范围大，其额定推力可以达到几千牛顿。而且其过载能力极强，峰值扭矩可达到额定扭矩的5倍。而且其轨道对接的方式可以轻松的达到很长的行程，理论上行程可以达到无限长。在此，根据本系统的加速度要求，系统选用Trilogy直线无刷电机，型号为11014M-NC-WD3P-8，直线电机内置霍尔检测元件和保护线圈的恒温器开关。具体电机参数参考表3.1。图3.1 美国Trilogy直线电机表3.1 直线电机相关
30、性能指标：性能单位数值最大推力N108.5连续推力N24.5最大功率W938连续功率W47最大（冲击）电流A31.8连续电流A7.2最大末端电压VDC330热量损耗W/0.63线圈最大温度100线圈质量kg0.12线圈长度mm81.3轨道（模块化）长度mm36.63.1.2直线电机的参数校核根据课题对系统的设计要求和电机的相关参数可知：加速度， ，(为滑块的运动行程，0为电机定子的长度，1 为电机动子的长度)，电机峰值推力。由以上数据可得： ，且，则：。若滑块的材料选择铝，由则： 在后面的滑块设计中，只要要求即可达到系统的运动指标。由动力学公式 和得：滑块加速时间：，滑块加速行程: ，故：滑块
31、加速减速行程之和=2倍的=76.4mm；由于，滑块的实际运动行程大于滑块加减速行程之和，故满足选型要求。3.2光栅尺选型3.2.1光栅尺工作原理光栅由主光栅、指示光栅、光源和光电元件组成，主光栅和指示光栅的密度相同，但体长相差较大，光栅条纹密度一般为25条/mm，50条/mm，100条/mm，250条/mm等。把指示光栅平行的放在主光栅侧面，并使它们的刻度相互倾斜一个很小的角度，这时在主光栅上就出现几条较粗的明暗条纹，成为莫尔条纹。它们是沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列，主光栅和被测物体相连，它随被测物体的直线位移而产生移动。当主光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生上、下位移。用光电元件记录莫
32、尔条纹通过某点的数目，便可知主光栅位移的距离，也就测得了被测物体的位移量。3.2.2光栅的选型及相关技术参数图3.2 光栅尺雷尼绍提供品种齐全的、小巧的光栅测量系统以满足多种工业领域应用的需求。其广泛应用于大多数工业领域，包括计量、运动系统、电子、半导体设备、医疗、扫描/ 印刷、科学仪器、空间测量、影像和专用机器。雷尼绍光栅系统的成功开发是基于其创新的非接触式光学结构。这种设计在实现精确测量、高分辨率和零机械磁滞的同时，有很强的抗污能力，如灰尘、轻度油渍和划痕而不影响信号的完整性。这些都确保了用户的机器运行可靠而不需过多的维护。不仅如此，雷尼绍的光栅系统还以其易于安装响誉业界。镀金的光栅尺可被
33、灵活地剪至适宜的长度，其背面自粘的特别设计使得安装时无需钻孔和螺钉压紧，从而节省了时间和成本。 所有读数头和接口都有获得专利的LED 安装状态指示灯监控，而无需示波器及其它复杂的安装监控装置，这样也节省了时间和成本。 最后，参考零位、限位开关和端压块只需粘到所需位置即可完成安装。根据系统的精度要求，并参考电机动子的长度，选择雷尼绍公司RGH24读数头系列中分辨率为0.1m的光栅尺，具体型号为RGH24Y30D30A。产品规格如下：(1) 超小型坚固外壳(2)工业标准的数字和模拟信号输出(3)内置细分卡和安装LED 指示灯(4)分辨率为0.1m(5) 参考零位或单限位开关传感器(6) 高柔性双屏
34、蔽8 芯电缆(7)三态低电平报警信号输出(8)产品外形尺寸：14.8mm36.0mm13.5mm (HLW)3.3运动控制卡选型3.3.1运动控制卡简介在上一章2.2.2中已经确定选择基于PC的开放式数控系统，并选择其中“NC嵌入PC”的控制系统类型。所谓“NC嵌入PC”的控制系统，包含两个基本组成部分，PC机和运动控制卡。运动控制卡是一种基于工业PC机，用于多种运动控制场合(包括位移、速度、加速度等)的上位控制单元(运动控制器)，它有基于PCI总线、ISA总线或USB总线等多种类型，利用高性能微处理器(如 DSP )及大规模可编程器件实现多个伺服电机的多轴协调控制，它包括脉冲输出、脉冲计数、
35、数字输入、数字输出、D/A输出等功能，可以发出连续的、高频率的脉冲串，通过改变发出脉冲的频率来控制电机的速度，改变发出脉冲的数量来控制电机的位置，脉冲输出模式包括脉冲/方向、脉冲/脉冲方式。3.3.2运动控制卡的选型及相关技术参数运动控制卡与PC构成主从控制结构。在这里PC机我们选用普通计算机，比较控制卡知名品牌后，确定选择国际专业从事于运动控制的美国泰道公司，产品型号为PMAC PCI I型。PMAC PCI I型 八轴控制卡是Delta Tau 最新版本的多轴板卡。设计用于插入一台PC 的一个PCI插槽或作为独立式控制器脱机使用。图3.3 PMAC 运动控制卡PMAC PCI 控制器是一块
36、1 1/2尺寸的板卡，具体规格如下：40 MHz DSP563xx CPU (相当于120 MHz PMAC)128k x 24位 SRAM 用于编译/存储程序 512k x 8闪存用于固件和用户备份2k x 8 EEPROM 用于设定备份采用最新发布的固件版本 RS-232/RS-422 串口通讯，33 MHz 5V PCI 总线接口4通道轴接口电路，每一个包括： 16 位 +/- 10V模拟量输出( A /B /C(Z) ) 增量编码器输入 4个标示信号输入(回零，限位，报警) 2个标示信号输出(使能，比较)显示，控制面板，I/O点接口扩展16通道反馈时钟频率在100 ppm采用 PID/
37、陷波/前馈，伺服算法 可选在板附加4路轴通道。3.4伺服驱动器的选型3.4.1驱动器的原理及作用伺服驱动器是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达。功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电进行整流，得到相应的直流电。经过整流好的三相电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动伺服电机。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块(IPM)为核心设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动电路，同时
38、具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加入软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。伺服驱动器一般可以采用位置、速度和力矩三种控制方式，主要应用于高精度的定位系统，目前是传动技术的高端。3.4.2驱动器的选型及相关技术参数伺服驱动器主要根据电机类型和控制方式选择。Copley Controls Corporation是世界上驱动器设计的先驱，有二十多年的丰富经验，为广泛的工业应用提供高性能运动控制解决方案，其中包括半导体、生命科学、自然科学、自动化装配线、测试测量和包装等行业。Copley公司提供从可网络连接的分布式控制的伺服步进驱动器到传统的力矩控制驱动器，提供功率在
39、250W-5kW内的各种安装结构的驱动器，Copley的参数设置软件的使用可使分布式控制系统的调试更加简便、快捷，降低了使用者对控制技术能力的要求。同时采用高端的DSP技术实现电机的调整和换相，大大提高电机的使用性能。本课程系统采用基于PC的分布式控制方式，Copley提供三种适合于分布式控制的驱动器，1）Xenus，100-240VAC数字式驱动器，配无刷/有刷直流电机；）Accelnet，数字式驱动器，配无刷/有刷直流电机；3)Stepnet，数字式驱动器配步进电机。同时考虑本次选用的是供直流电的直线电机，故参考公司Accelnet的相关系列，选定Accelnet Micro面板式 ACJ
40、-055-18的驱动器，具体规格见表3.2。由于CANopen的连通性，Copley提供了一种基于java开发的Copley Motion Explorer（CME2）参数配置和控制软件。它可以完美的嵌入到计算机的Labview，Visual Basic，C+或者其他应用程序中。对于交叉的编码器线、错接的电机和霍尔相位， CME2软件均可以自动地诊断出并进行调整，同时功能强大的示波器功能使系统调试更为简单。另外内部的Indexer功能可以让使用者通过RS232连接到专用界面来实现控制。表3.2 驱动器规格驱动器规格型号Accelnet-ACJ-055-18电机无刷/有刷电机输入电源20-55V
41、DC持续电流6A峰值电流18A控制模式CANopen：PVT，曲线模拟位置/速度/力矩控制，回原点indexer索引，位置控制，速度控制，力矩控制控制接口形式CANopen，ASCII和独立I/O,脉冲命令，10V速度和力矩控制命令，PWM速度力矩控制命令，主编码器控制（电子齿轮）通讯模式CAN，RS232反馈方式数字式方波A/B相编码器，从编码器/模拟编码器输出，模拟式sin/cos编码器，数字霍尔I/O-数字式9输入，4输出外形尺寸Micro面板式：3.8*2.5*1.3英寸 4.系统之间电气连接图设计 依据控制系统总体设计和第三章中具体硬件选型，绘制系统控制框图，如图4.1。在定位系统的
42、正向通道，从给出控制命令的运动控制器开始，通过驱动器和电机，到完全无摩擦的静压气浮运动平台。在反向通道，通过高精度的编码器检测平台位置数字信号给控制器，实现系统的全闭环控制。图4.1 系统控制框图4.1 PMAC与主机的连接PMAC与主机的连接作用主要是通过PC机对PMAC的软件进行设置和实现数据命令的发送和接收。PMAC提供两种与主机的连接方式。(1)总线连接关掉计算机电源，将PMAC插入一个总线插槽,将主板插入到总线插槽后，它将自动从总线上得到+5V电源。这时不需要提供额外的+5V电源，否则两个电源会相互干扰，从而给PMAC带来损坏。(2)串行口连接把计算机的COM口与PMAC的串行口连接
43、起来。4.2 PMAC与驱动器之间的连接4.2.1 PMAC与驱动器连接的作用PMAC与驱动器的连接的作用主要是将系统命令经过D/A转换传递给驱动器，再由驱动器来驱动电机，实现对电机的控制，即达到平台驱动与控制的目的。同时为达到精密定定位和预防系统出错，采用的限位和位置信号反馈、使能信号等手段来确保系统的安全可靠性。图4.2为PMAC接口连接功能示意图。图4.2 PMAC运动控制卡的接口功能4.2.2接口的功能及说明一 ， PMAC主接口的选择：依据PMAC用户手册，本次课程任务选用主接口为JMACH1(PMAC-PC的J8，PMAC-LITE的J11，PMAC-VME的P2，PMAC-STD
44、顶板上的J4)，它包括四个通道的I/O：模拟输出，增量编码器输入，相关的输入与输出捕捉信号，电源连接。二 ，PMAC接口的连接类型和设计思路：(1) 连接由放大器换向的电机由放大器换向的电机，PMAC仅需要一个模拟输出通道来控制电机，这个输出通道可以是单端的或者差动的，这由使用何种放大器决定。在此结合驱动器的产品资料，采用差动控制信号，对于使用PMAC的通道1的差动控制，把DAC1(针43)接在放大器的正控制输入上，把DAC1(针45)接在放大器的负控制输入上，PMAC的AGND仍接在放大器的公共地上。(2) 限位信号PMAC为每个电机提供了两个输入作为行程开关控制。在电机动作时他们必须为低电
45、平，以允许电机移动。这就需要一个常闭的行程开关。这些输入是有方向性的，它们只能停止一个方向的移动。安装行程开关时，把-LIM输入(针53)与正行程方向的限位开关的正极接在一起；把+LIM输入(针51)与负行程方向的限位开关的正极接在一起。把限位开关的负极接在PMAC的AGND(针58)上。(3) 放大器使能信号 大多数放大器有一个使能/禁能的输入控制放大器。PMAC的AENA线(针47)就是为此设置的。用该信号控制放大器的开启关闭，缺省值为低电平(导通)时有效。(4) 连接增量编码器每个JMACH接口为编码器和其他设备提供两个+5v输出和两个逻辑地，根据编码器类型接线。把编码器的A和B通道接在
46、适当的接线盒的针上，不同的编码器使用的针的编号不同：所有那些由1号编码的(CHA1，CHA1/，CHB1，CHB1/，CHC1，CHC1/等)属于1号编码器，对于1号编码器，针25是CHA1,CHB是针21。如果使用单端信号，让互补的信号针悬空，不要把他们接地，对于差值编码器，连接互补信号线CHA1是针27，CHB2是针23。第三个通道(检索脉冲)是任选的；对于1号编码器，CHC1是针17，CHC1是针19。结合本文的驱动器类型和编码器规格，以及整个系统的搭建，利用驱动器给编码器提供电源(后面会有介绍)，并且编码器的反馈信号首先到达驱动器，然后在从驱动器传给PMAC，所以此处的连接遵从差值编码
47、器的连接方式。三 ，驱动器的接口说明：驱动器的接口分布如图4.3，在本节采用接口J5。J5的接口功能是实现与上位机的信号接收和传送。驱动器有九个数字输入和四个数字输出，其中八个具有可编程功能，IN1是不可编程的，它为紧急情况下设计的，是具有驱动使能功能的输入。另外的八个数字输入，驱动器采用了两种RC滤波器GP(General Purpose)和H(High-Speed)，IN2、3、4采用GP(General Purpose)主要用于 图4.3 驱动器接口示意图实现逻辑功能、限位功能，IN5是为电机恒温器开关设计的Medium-Speed输入，IN6、7、8、9采用HS(High-Speed)输入，主要用于实现主反馈信号，步幅和方向等。上述I/O接