專利名稱：運用多種控制策略的直線電機運動控制實驗裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種教學儀器，特別地，涉及一種運用多種控制策略的直線電 機運動控制實驗裝置。
背景技術：
現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對直線運動的加速度和最高速度要求越來越高；然而傳統(tǒng) 的旋轉電動機+滾軸絲杠的傳動結構，由于設有中間傳動環(huán)節(jié)使得整體剛度降 低，彈性變形可使系統(tǒng)的階次變高，導致系統(tǒng)的魯棒性降低，伺服性能下降； 其次中間環(huán)節(jié)的存在增加了運動物體的慣性，使得位移和速度響應變慢。同時 諸如間隙死區(qū)、摩擦、誤差積累等因素，使得這種傳統(tǒng)的直線運動方式不在適 合最新科技發(fā)展的需求。
直線電機作為一種將電能直接轉換成直線運動，而不需要通過任何中間轉 換的新穎電機，與傳統(tǒng)技術相比其速度提高30倍以上；加速度提高10倍以上， 由直線電機直接驅(qū)動設備，無反向工作死區(qū)；同時由于電樞慣量小，所以由其 構成的直線伺服系統(tǒng)可以達到較高的頻率響應，所以在高速機床、高速列車等 方面得到廣泛的應用。
隨著一些國內(nèi)重點大學相繼開設了相關直線電機的理論課程，但由于目前 國內(nèi)根本沒有相關的專業(yè)實驗設備可供選擇，造成學生無法理論聯(lián)系實際，導 致理論教學效果不佳。由于上述原因的存在導致學校培養(yǎng)的學生對直線電機認 識不深、掌握不佳，嚴重阻礙了直線電機在我們各行各業(yè)的應用和發(fā)展。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種運用多種控制策略的直 線電機運動控制實驗裝置，在整體結構和控制方式上充分考慮實驗教學的實際 作用和特點，體現(xiàn)直觀性和多樣化的控制方式。
本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的 一種運用多種控制策略的直
線電機運動控制實驗裝置，它由控制對象模塊、控制系統(tǒng)和計算機組成；其中， 控制對象模塊主要由直線電機控制模塊、直線電機驅(qū)動器和信號接口面板組成; 控制系統(tǒng)由可編程控制器模塊、運動控制卡模塊、數(shù)字直接控制模塊組成；所 述直線電機控制模塊主要由大理石、U型永磁同步直線電機定子、第一限位開關、 第二限位開關、U型永磁同步直線電機動子、指針、光柵、位置標尺、第三限位 開關和坦克鏈組成；所述U型永磁同步直線電機定子、直線電機驅(qū)動器和信號 接口面板安裝在大理石上；U型永磁同步直線電機動子通過導軌安裝在U型永磁 同步直線電機定子上；第一限位開關、第二限位開關、第三限位開關、位置標 尺和光柵均安裝在U型永磁同步直線電機定子上，指針安裝在U型永磁同步直 線電機動子上。所述U型永磁同步直線電機動子通過坦克鏈與直流電機驅(qū)動器 及信號接口面板連接。
本發(fā)明的目的有益效果是，通過本發(fā)明可以實現(xiàn)直線運動定位控制實驗，教 師可以通過本套設備完成對直線電機的的控制類型、控制方式和控制算法進行研 究，控制方式包括了可編程控制器(PLC)、運動控制卡、數(shù)字直接控制(DDC)三種。 由于設計本產(chǎn)品時均為模塊化的設計思路，故教師可以根據(jù)自己的實際需要進行 添加和減少。
圖1為本發(fā)明的外形結構系統(tǒng)結構框圖； 圖2為本發(fā)明的直線電機控制模塊正視圖； 圖3為本發(fā)明的直線電機控制模塊俯視圖； 圖4為本發(fā)明的控制器控制流程圖中，大理石1、 U型永磁同步直線電機定子2、第一限位開關3、第二限 位開關4、 U型永磁同步直線電機動子5、指針6、光柵7、位置標尺8、直線電 機驅(qū)動器9、第三限位開關IO、信號接口面板ll、坦克鏈12。
具體實施例方式
本發(fā)明的運用多種控制策略的直線電機運動控制實驗裝置包括控制對象、 控制系統(tǒng)和計算機三大部分?？刂茖ο蟛捎每刂凭容^高的U型永磁同步直線 電機，采用分辨率為lum光柵尺作為直線電機的位置測量，釆用高速的直線電機專用驅(qū)動模塊構成直線電機的動力部分，為了保證整套設備的平整度，上述 部件均安裝在一塊大理石平面上。
控制系統(tǒng)為了實現(xiàn)多種控制策略，便于學校教師完成不同方式的控制策略，
展現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的多種控制方法和模式，涉及包括了可編程控制器(PLC)、運動控 制卡、數(shù)字直接控制(DDC)三大方式。上述各類控制器通過釆集光柵的反饋信號， 確定直線電機的實際運動位置，與上位機設置值進行比較和分析，及時調(diào)整直 線電機的實際位置，完成直線電機的定位控制。
下面根據(jù)附圖詳細說明本發(fā)明，本發(fā)明的目的和效果將變得更加明顯。 如圖所示，本發(fā)明的運用多種控制策略的直線電機運動控制實驗裝置由控 制對象模塊、控制系統(tǒng)和計算機三大部分組成。
控制對象模塊主要由直線電機控制模塊、直線電機驅(qū)動器9和信號接口面 板11組成，其中，所述直線電機控制模塊主要由大理石1、 U型永磁同步直線 電機定子2、第一限位開關3、第二限位開關4、 U型永磁同步直線電機動子5、 指針6、光柵7、位置標尺8、、第三限位開關10和坦克鏈12組成；U型永磁同 步直線電機定子2、直線電機驅(qū)動器9和信號接口面板11安裝在大理石1上；U 型永磁同步直線電機動子5通過導軌安裝在U型永磁同步直線電機定子2上； 第一限位開關3、第二限位開關4、第三限位開關IO、位置標尺8和光柵7均安 裝在U型永磁同步直線電機定子2上，指針6安裝在U型永磁同步直線電機動 子5上。其中，限位開關4起到為直線電機動子進行原點定位，限位開關3、 10 作為電機動子的左右限位，防止出現(xiàn)動子意外飛出的情況，位置標尺8提供給 用戶通過安裝在動子上的指針6觀察電機實際定位之用，光柵7提供控制器位 置反饋信號。U型永磁同步直線電機動子和相應的傳感器信號通過坦克鏈12與 直流電機驅(qū)動器9以及信號接口面板11連接，供各控制器連接。
控制系統(tǒng)由可編程控制器模塊、運動控制卡模塊、數(shù)字直接控制模塊組成， 可編程控制器模塊可選用西門子S7-200系列中CPU224XP主機模塊，本身 集成2路200kHz脈沖輸入計數(shù)和兩路100kHz脈沖輸出，高速脈沖計數(shù)完成對 光柵的信號采集，脈沖輸出最終控制直線電機驅(qū)動模塊，最終完成直線電機的 定位。
運動控制卡可釆用英國的BALDOR公司的NextMove PCI來實現(xiàn)，PCI插槽接 口，運動控制卡板載40MHzDSP， 20路數(shù)字量輸入，12路數(shù)字量輸出，4路模擬 量輸入，l路模擬量輸出以及脈沖輸入輸出功能，通過在計算機上編制運動控制 程序下載到運動控制卡上，運動控制卡通過采集光柵的脈沖信號得到直線電機
的實際位置，輸出脈沖到直線電機驅(qū)動模塊，帶動電機運動，最終完成直線電 機的定位。
數(shù)字直接控制(DDC)可采用研華的PCI-1742多功能數(shù)據(jù)采集卡來實現(xiàn)，其板 載16路模擬量輸入，2路模擬量輸出，數(shù)字量輸入輸出各16路以及1路高速計 數(shù)器。在控制的時候的利用其高速計數(shù)器對光柵的脈沖信號進行計數(shù)，從而得 到直線電機的實際位置，從數(shù)字量輸出輸出控制脈沖到直線電機驅(qū)動模塊，帶 動電機進行控制，最終完成定位。
上述三種控制器的輸入輸出信號均連接到信號接口面板，通過面板進行信 號轉接，最終與直線電機驅(qū)動器連接，信號接口面板采用模塊式設計便于各種 控制器的更換和升級。
計算機采用普通的商用PC機或者工控機均可，只需要設有2個空閑的PCI 插槽，1個RS232串口。其中兩個PCI插槽中一個用來安裝運動控制卡、另一個 安裝數(shù)字直接控制(DDC)卡，RS232串口與PLC控制器相連。
計算機運行流程如圖4所述程序開始首先進行系統(tǒng)初始化，定義各個變 量和狀態(tài)；判斷計算機發(fā)來的控制信號，是否允許運行，如果允許運行則開啟 計數(shù)器，準備對光柵反饋信號進行計數(shù)，如果不允許運行則系統(tǒng)保持初始化狀 態(tài)；控制器讀取計算機設置的位置給定值，同時讀取計數(shù)器當前值，經(jīng)過對計 數(shù)器當前值進行數(shù)據(jù)轉換可以得到直線電機的當前位置值，將位置給定值與實 際位置值進行PID運算，得到所需的控制值，根據(jù)控制值轉換成控制直線電機 驅(qū)動器的脈沖頻率，最終輸出。經(jīng)過上述過程的反復調(diào)節(jié)，最終完成定位控制。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，放在本發(fā) 明的精神和原則之內(nèi)所做修改、減少、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明 的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種運用多種控制策略的直線電機運動控制實驗裝置，其特征在于，它由控制對象模塊、控制系統(tǒng)和計算機組成。其中，控制對象模塊主要由直線電機控制模塊、直線電機驅(qū)動器(9)和信號接口面板(11)組成?？刂葡到y(tǒng)由可編程控制器模塊、運動控制卡模塊、數(shù)字直接控制模塊組成。
2. 根據(jù)權利要求1所述的運用多種控制策略的直線電機運動控制實驗裝置，其 特征在于，所述直線電機控制模塊主要由大理石(1)、 U型永磁同步直線電機定 子(2)、第一限位開關(3)、第二限位開關(4)、 U型永磁同步直線電機動子(5)、 指針(6)、光柵(7)、位置標尺(8)、、第三限位開關(10)和坦克鏈(12)組 成。所述U型永磁同步直線電機定子(2)、直線電機驅(qū)動器(9)和信號接口面 板(11)安裝在大理石(1)上；U型永磁同步直線電機動子(5)通過導軌安裝 在U型永磁同步直線電機定子(2)上；第一限位開關(3)、第二限位開關(4)、 第三限位開關(10)、位置標尺(8)和光柵(7)均安裝在U型永磁同步直線電 機定子(2)上，指針(6)安裝在U型永磁同步直線電機動子(5)上。所述U 型永磁同步直線電機動子(5)通過坦克鏈(12)與直流電機驅(qū)動器(9)及信 號接口面板(11)連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種運用多種控制策略的直線電機運動控制實驗裝置，它由控制對象模塊、控制系統(tǒng)和計算機組成；其中，控制對象模塊主要由直線電機控制模塊、直線電機驅(qū)動器和信號接口面板組成；控制系統(tǒng)由可編程控制器模塊、運動控制卡模塊、數(shù)字直接控制模塊組成。通過本發(fā)明可以實現(xiàn)直線運動定位控制實驗，教師可以通過本套設備完成對直線電機的控制類型、控制方式和控制算法進行研究，控制方式包括了可編程控制器、運動控制卡、數(shù)字直接控制三種；由于設計本產(chǎn)品時均為模塊化的設計思路，故教師可以根據(jù)自己的實際需要進行添加和減少。
文檔編號G09B25/00GK101339711SQ20081012059
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月28日 優(yōu)先權日2008年8月28日
發(fā)明者周建威, 濤 張, 蔣中明, 裘奕晨 申請人:浙江天煌科技實業(yè)有限公司