最新气浮直线电机运动模块设计及实现

1、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250-1000mm,最大加速度为210g。本

2、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 ModuleDriven by Linear MotorAbstractWith the development of advanced manufacturing technology, more rigorous re

3、quires 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 a

4、nd 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

5、most 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 lOg. This article designs further a circuit in hardware on

6、 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

7、 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4222控制系统类型选择6223位移传感器类型选择82

8、.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194PMAC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19422接口的功能

9、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运动模块整体说明325.2静压气浮导轨副的设计335.

10、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36525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，各先进国家机电一体化

11、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。因此学科交义、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，而且会以更多的交义学科形式出现，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，开拓新的

12、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。U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一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

13、对高性能运动平 台的硏发。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。山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。山于气体 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讣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

14、运动控制。系统相对运动的部件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，控制卡通过高速讣数器检测 自身发出的脉冲数，以实现控制系统的闭环控制。本次课程设讣的主

15、要任务包括：1运动平台系统的总体方案设计及系统硬件的选型，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：1pm。(2) 系统最大加速度：3go(3) 系统最大速度：1.5m/s。(4) 平台运动行程:280mm o2.2系统总体技

16、术方案221执行器类型选择系统要求执行器具有控制精度高，反应速度快的特点。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所示:图2

17、.1直线电机的转变过程山定子演变而来的一侧称为初级，山转子演变而来的一侧称为次级。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，LI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

18、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。山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，反应异常灵敬快 捷。(2) 精度。直线驱动系统取消了山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

19、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，高速运行时乂能瞬间准停。 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。山于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，

20、且导轨 乂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。山于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗，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U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.可黑

21、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、讣算量大且较困难、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

22、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、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

23、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，其开放功能完全山软件实现。山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 及的范圉是相当广泛的。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

24、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, 而且其制造费用乂比感应同步器、磁栅低，LI前光栅发展速度最快，技术性能 最高，市场占有率最高，另外光栅传感器还具有易实现数字化、精度高（口前 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lpm, 这样测量的精度就要高出一个数量级，即0.1 pm,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

25、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，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，山于气体粘 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

26、 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UM for millions ofcydesNeodpwum 网g 唧$ wth Bhck 卸 o«ycr rid（创 platingImbsdcfedHallEfe eiimirifliemiselignn rnotof ph 旃 es3. 系统硬件选型3.1直线电机选型3.

27、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 力可以达到儿千牛顿。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。H期 h wrnpefaiire ragnet wiv fomwd LBrn shaped compad 3 pha处 anting丄Coil attacrnerc ba

28、r erallBnhhemal ho戏 jinkIrrbedded overmp tkimosiet or optical thomiisiorproloclwindingsMotor andHED steals h58 b tW “bl筋Pec ng with tiermal comKjcim ©po 冲 usmg 3 vacuijm encapsjlsrtion ensure maBrurn heal removal图3.1美国Trilogy直线电机表3.1直线电机相关性能指标: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.

29、8连续电流A7.2最大末端电压VDC330热址损耗W/*C0.63线圈最大温度'C100线圈质址kg02线圈长度mm813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讣要求和电机的相关参数可知：加速度a = 3g=3x98N/Kg = 294N/Kg , Vmax=3m/s2 ,5 = 5 =366 -81.3 = 284.7州（S为滑块的运动行程，So为电机定子的长度，Si为电机动子的长度），M电机动子=120g,电机峰值推力Fp = 108.5N oa3690Kg,山以上数据可得:且M总="运动平台+ M电机动子则：M运动平台=M”M功子

30、S3690Kg -0.12Kg = 3.678Kg。若滑块的材料选择铝，由円；=2.7 g/cm3则:r _ M运动平台3678ga 1362222mm3在后而的滑块设计中，只要要求匕骨块< 1362222 曲'即可达到系统的运动指标。由动力学公式V=V.+at和S=V)+-at2得：2V1 5滑块加速时间：r = i = _o.O51s,a 29.4滑块力口速彳亍程：st| =V(>+L/r2 =0.5x29.4x0.0512 « 38.2mm ,故：滑块加速减速行程之和=2倍的几速=76.4mm；山于S = 284.7mm > 76.4mm，滑块的实际运

31、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321光栅尺工作原理光栅山主光栅、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儿条较粗的明暗条纹，成为 莫尔条纹。它们是沿着与光栅条纹儿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。用光电元件记录莫尔条纹通过某点的数LI,便可知主 光栅位移

32、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光栅尺雳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。雳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。镀金的光栅尺可被灵活地剪至适宜的长度，其背面自粘

33、的特别设汁使得安 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、限位开关和端圧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0.1pm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指示灯分辨率为0.1pm(5) 参考零位或单限位开关传感器(6) I苛柔性双屏蔽8芯电缆(7) 三态低电平

34、报警信号输出(8) 产品外形尺寸:14.8mmx36.0mmx 13.5mm (HxLxW)3.3运动控制卡选型3.3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、数字输入、

35、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，改变发岀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机我们选用普通讣算机, 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DeltaTau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1 1/2

36、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512kx8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/陷波/前馈，伺服算法可选

37、在板附加4路轴通道。3.4伺服驱动器的选型341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。LI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 率器件普遍釆用以智能功率模块(IPM)为核心设计的驱动电路，IPM内部集成 了驱动电路，同时具有过电压、过

38、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_.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。本课程系统釆用基于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：2 ) 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Accel net

40、 Micro面板式ACJ-O55-18的驱动器,具 体规格见表3.2o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。对于交义的编码器线、 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-l 8

41、电机无刷/有刷电机输入电源20-55VDC持续电流6A峰值电流18ACANopen： PVT,曲线模拟位宜/速度/力矩控制.回原点indexer索引位宜控制.控制模式速度控制.力矩控制CANopen, ASCII和独立I/O脉冲命令.± 10V速度和力矩控制命令.PWM速控制接口形式度力矩控制命令，主编码器控制（电子齿轮）通讯模式CAN. RS232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，反馈方式数字霍尔I/O 数字式9输入.4输出外形尺寸Micro rfi|板式：3.8*2.5*13 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

42、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PMA

43、C带来损坏。串行口连接把讣算机的COM 口与PMAC的串行口连接起来。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，再山驱动器来驱动电机，实现对电机的控制，即达到平台驱动与控制的 LI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鼎性。图4.2为PMAC接口连接功能示意 图。PC机PCI总线操作按钮位信号电机驱动器编码器位置信号电机驱动器直线电机PMAC运动控制卡输入信号接口控制信号输出接口图4.2 PMAC运动控制卡的接口功能422接口的功能

44、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 JI 1, PMAC-VME 的 P2, PMAC-STD 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讣思路:(1) 连接由放大器换向的电机山放大器换向的电札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，这山使用何种放大器决定。在此结合驱动 器的产品资料，釆用差动控制信号，对于使用PMAC的通道1的差动控制，把 DAC1（针

45、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（

46、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JMAC H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（CHAI, CHAI/, CHB1, CHB1/, CHC1, CHC1/等）属于1号编码器，对于1号编码器，针25是CHA1CHB 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

47、：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,PMAC,所以此处的连接遵从差值编码器的连接方式。 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J4 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J5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

48、H(High-Speed), IN2、3、4采用GP(General Purpose)主要用于然后在从驱动器传给图丄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讣的Medium-Speed输 入,IN6、7、8、9釆用HS(HighSpeed)输入，主要用于实现主反馈信号,步 幅和方向等。上述I/O接口主要用于PLC控制形式，在本文中采用基于PC的开 放式数控系统，只选用了IN1使能接口和IN2,3限位接口。依据光栅尺的规 格，反馈的形式为数字方波A/B, J5-10、11、12、25、26、27为驱动器向控制 卡提供主反馈信号的接口。J5l、16接收来自运动控制卡的控

49、制模拟信号。具体接口含义见表4.1。表4.1驱动器J5接口含义SignalPinSignalAnalog Ref (-)161Analog Ref (+)Signal Ground172Signal GroundProgrammable Input |IN2|183Enable Input |IN1|Programmable Input |IN4|194Programmable Input IN3Programmable Input |IN7205Programmable Input |IN6)Programmable Input |IN9|216Programmable Input |IN8

50、Programmable Output (OUT2)227Programmable Output OUT1|Programmable Output JOUT4238Programmable Output OUT3Encoder +5 Vdc249Signal GroundBi-Mode Encoder /A2510Bi-Mode Encoder ABi-Mode Encoder /B2611Bi-Mode Encoder BBi-Mode Encoder /X2712Bi-Mode Encoder XSignal Ground2813Signal GroundRS-232 TxD2914RS-

51、232 RxDFrame Ground3015Signal Ground4.2.3 PMAC与驱动器之间的电气连接图依据PMAC和驱动的产品手册，设计了使用与本文要求的PMAC与驱动器 之间的电气连接图如图4.4,左侧为PMAC的主接口JMACH1,左侧为驱动器的 J5接口。JMACH 1252721231719+LIM-LIMDACAGNDDACAENA30J Frame Gnd10Mulit-Mode A25Mulit-Mcxie /A1 1Mulit-Mode B26Mulit-Mode /B12Mulit-Mode X27Mulit-Mode /XIRef(2Signal Gnd16R

52、ef(-)3INIJEnable9Signal Gnd18|IN2 +LIMIT4IN3| -LIMIT图4.4 PMAC与驱动器之间的电气连接图4.3计算机与驱动器电气连接图431计算机与驱动器连接的作用通过RS232把驱动器与计算机的COM1或2 口连接起来，然后通过电脑 设置驱动器初始参数和基本界面操作。RS232简介RS-232是现在主流的串行通信接口之一。RS232接口是1970年由美 国电子工业协会(EIA)联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产 厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备(DTE) 和数据通讯设备(DCE)之间串行二进制数据交换接口技术标准”

53、。该标准 规定釆用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容 加以规定，还对各种信号的电平加以规定。随着设备的不断改进，出现 了代替DB25的DB9接口，现在都把RS232接口叫做DB9。RS232(DB9)接口定义：1. DCD载波检测2. RXD接收数据3. TXD发送数据4. DTR数据终端准备好5. SG信号地6. DSR数据准备好7. RTS请求发送8. CTS清除发送9. RI振铃提示4.3.2接口的功能和说明在使用RS232连接时，串口传输数据只要有接收数据针脚和发送针脚 就能实现，将驱动器的J5-14Ground, J5-15RXD, J5-29TXD连接到计算

54、机的COM 口即可。连接示意图如图4.5：RS-232 .Sub-D9-pinsub-D 9尸130Q116 das口口口 JDre5iv图4.5 RS232连接示意图4.3.3计算机通过RS232设置驱动器的电气连接图Sub-D 9FDrive J5图4.6计算机通过RS232设養驱动器的电气连接图4.4驱动器与反馈元件之间的连接441驱动器与反馈元件连接的作用驱动器接受的反馈信号主要有三类：(1) 来自光栅尺的位置主反馈信号，通过高精度的检测装置检测反馈运动 平台的实际运动状况，进而达到进行精密定位的目的。(2) 来自电机的霍尔反馈信号，电机内置的霍尔元件可以检测电机动子在 磁场中的运动位

55、置，并将检测信号转递给驱动器，驱动器依据霍尔传来的电信 号进行换向，控制电机的运动。(3) 来自电机的恒温器反馈信号，恒温器自动调温，防止电机过热或过冷 损坏电机。4.4.2接口的功能和说明一，主反馈的连接系统连接反馈元件选用本节的J4接口，J4的具体接口定义见表4.2,14-1, 2、3、8、9、10为主反馈信号接受针脚。同时依据课题主反馈元件 RGH24Y30D30A型光栅尺的产品安装资料，可知端口为D-15针D型插接口, 信号的反馈形式为数字方波信号，A、A/、B、B/为增量信号，X、X/为参考标识，光栅尺提供的对应针脚为14、6、13、5、12、4。并通过驱动器针脚J44、6和光栅尺的7、2管脚为光栅尺提供+5V的电源。主反馈连接示意图如图4.7。表4.2驱动器J4接口含义SignalPinSignalEncoder A81Encoder /AEncoder B9Encoder /BEncoder X103Encoder /XSignal Ground114Encoder +5 VdcHall V125Hall UHall W136Signal GroundFrame Ground147Motemp |IN5|图4.7光栅连接示意图二，霍尔反馈的连接依据驱动器产品说明，驱动器主要连接形式为单端型，电角度为1