运用多种控制策略的直线电机运动控制实验装置

摘要

本发明公开了一种运用多种控制策略的直线电机运动控制实验装置，它由控制对象模块、控制系统和计算机组成；其中，控制对象模块主要由直线电机控制模块、直线电机驱动器和信号接口面板组成；控制系统由可编程控制器模块、运动控制卡模块、数字直接控制模块组成。通过本发明可以实现直线运动定位控制实验，教师可以通过本套设备完成对直线电机的控制类型、控制方式和控制算法进行研究，控制方式包括了可编程控制器、运动控制卡、数字直接控制三种；由于设计本产品时均为模块化的设计思路，故教师可以根据自己的实际需要进行添加和减少。

说明书

技术领域

本发明涉及一种教学仪器，特别地，涉及一种运用多种控制策略的直线电机运动控制实验装置。

背景技术

现代工业的发展对直线运动的加速度和最高速度要求越来越高；然而传统的旋转电动机+滚轴丝杠的传动结构，由于设有中间传动环节使得整体刚度降低，弹性变形可使系统的阶次变高，导致系统的鲁棒性降低，伺服性能下降；其次中间环节的存在增加了运动物体的惯性，使得位移和速度响应变慢。同时诸如间隙死区、摩擦、误差积累等因素，使得这种传统的直线运动方式不在适合最新科技发展的需求。

直线电机作为一种将电能直接转换成直线运动，而不需要通过任何中间转换的新颖电机，与传统技术相比其速度提高30倍以上；加速度提高10倍以上，由直线电机直接驱动设备，无反向工作死区；同时由于电枢惯量小，所以由其构成的直线伺服系统可以达到较高的频率响应，所以在高速机床、高速列车等方面得到广泛的应用。

随着一些国内重点大学相继开设了相关直线电机的理论课程，但由于目前国内根本没有相关的专业实验设备可供选择，造成学生无法理论联系实际，导致理论教学效果不佳。由于上述原因的存在导致学校培养的学生对直线电机认识不深、掌握不佳，严重阻碍了直线电机在我们各行各业的应用和发展。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种运用多种控制策略的直线电机运动控制实验装置，在整体结构和控制方式上充分考虑实验教学的实际作用和特点，体现直观性和多样化的控制方式。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种运用多种控制策略的直线电机运动控制实验装置，它由控制对象模块、控制系统和计算机组成；其中，控制对象模块主要由直线电机控制模块、直线电机驱动器和信号接口面板组成；控制系统由可编程控制器模块、运动控制卡模块、数字直接控制模块组成；所述直线电机控制模块主要由大理石、U型永磁同步直线电机定子、第一限位开关、第二限位开关、U型永磁同步直线电机动子、指针、光栅、位置标尺、第三限位开关和坦克链组成；所述U型永磁同步直线电机定子、直线电机驱动器和信号接口面板安装在大理石上；U型永磁同步直线电机动子通过导轨安装在U型永磁同步直线电机定子上；第一限位开关、第二限位开关、第三限位开关、位置标尺和光栅均安装在U型永磁同步直线电机定子上，指针安装在U型永磁同步直线电机动子上。所述U型永磁同步直线电机动子通过坦克链与直流电机驱动器及信号接口面板连接。

本发明的目的有益效果是，通过本发明可以实现直线运动定位控制实验，教师可以通过本套设备完成对直线电机的的控制类型、控制方式和控制算法进行研究，控制方式包括了可编程控制器(PLC)、运动控制卡、数字直接控制(DDC)三种。由于设计本产品时均为模块化的设计思路，故教师可以根据自己的实际需要进行添加和减少。

附图说明

图1为本发明的外形结构系统结构框图；

图2为本发明的直线电机控制模块正视图；

图3为本发明的直线电机控制模块俯视图；

图4为本发明的控制器控制流程图；

图中，大理石1、U型永磁同步直线电机定子2、第一限位开关3、第二限位开关4、U型永磁同步直线电机动子5、指针6、光栅7、位置标尺8、直线电机驱动器9、第三限位开关10、信号接口面板11、坦克链12。

具体实施方式

本发明的运用多种控制策略的直线电机运动控制实验装置包括控制对象、控制系统和计算机三大部分。控制对象采用控制精度较高的U型永磁同步直线电机，采用分辨率为1um光栅尺作为直线电机的位置测量，采用高速的直线电机专用驱动模块构成直线电机的动力部分，为了保证整套设备的平整度，上述部件均安装在一块大理石平面上。

控制系统为了实现多种控制策略，便于学校教师完成不同方式的控制策略，展现工业现场的多种控制方法和模式，涉及包括了可编程控制器(PLC)、运动控制卡、数字直接控制(DDC)三大方式。上述各类控制器通过采集光栅的反馈信号，确定直线电机的实际运动位置，与上位机设置值进行比较和分析，及时调整直线电机的实际位置，完成直线电机的定位控制。

下面根据附图详细说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

如图所示，本发明的运用多种控制策略的直线电机运动控制实验装置由控制对象模块、控制系统和计算机三大部分组成。

控制对象模块主要由直线电机控制模块、直线电机驱动器9和信号接口面板11组成，其中，所述直线电机控制模块主要由大理石1、U型永磁同步直线电机定子2、第一限位开关3、第二限位开关4、U型永磁同步直线电机动子5、指针6、光栅7、位置标尺8、、第三限位开关10和坦克链12组成；U型永磁同步直线电机定子2、直线电机驱动器9和信号接口面板11安装在大理石1上；U型永磁同步直线电机动子5通过导轨安装在U型永磁同步直线电机定子2上；第一限位开关3、第二限位开关4、第三限位开关10、位置标尺8和光栅7均安装在U型永磁同步直线电机定子2上，指针6安装在U型永磁同步直线电机动子5上。其中，限位开关4起到为直线电机动子进行原点定位，限位开关3、10作为电机动子的左右限位，防止出现动子意外飞出的情况，位置标尺8提供给用户通过安装在动子上的指针6观察电机实际定位之用，光栅7提供控制器位置反馈信号。U型永磁同步直线电机动子和相应的传感器信号通过坦克链12与直流电机驱动器9以及信号接口面板11连接，供各控制器连接。

控制系统由可编程控制器模块、运动控制卡模块、数字直接控制模块组成，

可编程控制器模块可选用西门子S7-200系列中CPU224XP主机模块，本身集成2路200kHz脉冲输入计数和两路100kHz脉冲输出，高速脉冲计数完成对光栅的信号采集，脉冲输出最终控制直线电机驱动模块，最终完成直线电机的定位。

运动控制卡可采用英国的BALDOR公司的NextMove PCI来实现，PCI插槽接口，运动控制卡板载40MHzDSP，20路数字量输入，12路数字量输出，4路模拟量输入，1路模拟量输出以及脉冲输入输出功能，通过在计算机上编制运动控制程序下载到运动控制卡上，运动控制卡通过采集光栅的脉冲信号得到直线电机的实际位置，输出脉冲到直线电机驱动模块，带动电机运动，最终完成直线电机的定位。

数字直接控制(DDC)可采用研华的PCI-1742多功能数据采集卡来实现，其板载16路模拟量输入，2路模拟量输出，数字量输入输出各16路以及1路高速计数器。在控制的时候的利用其高速计数器对光栅的脉冲信号进行计数，从而得到直线电机的实际位置，从数字量输出输出控制脉冲到直线电机驱动模块，带动电机进行控制，最终完成定位。

上述三种控制器的输入输出信号均连接到信号接口面板，通过面板进行信号转接，最终与直线电机驱动器连接，信号接口面板采用模块式设计便于各种控制器的更换和升级。

计算机采用普通的商用PC机或者工控机均可，只需要设有2个空闲的PCI插槽，1个RS232串口。其中两个PCI插槽中一个用来安装运动控制卡、另一个安装数字直接控制(DDC)卡，RS232串口与PLC控制器相连。

计算机运行流程如图4所述：程序开始首先进行系统初始化，定义各个变量和状态；判断计算机发来的控制信号，是否允许运行，如果允许运行则开启计数器，准备对光栅反馈信号进行计数，如果不允许运行则系统保持初始化状态；控制器读取计算机设置的位置给定值，同时读取计数器当前值，经过对计数器当前值进行数据转换可以得到直线电机的当前位置值，将位置给定值与实际位置值进行PID运算，得到所需的控制值，根据控制值转换成控制直线电机驱动器的脉冲频率，最终输出。经过上述过程的反复调节，最终完成定位控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，放在本发明的精神和原则之内所做修改、减少、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。