CN101424940A - 直线电机驱动的多轴运动系统 - Google Patents

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Abstract

一种直线电机驱动的多轴运动系统，包括一个直线电机定子；作用于直线电机定子上的能单独或同时运动的N个直线电机动子；CAN总线控制网络；N个具备CAN接口、并通过CAN接口以接入CAN总线控制网络的直线电机驱动器，每个驱动器分别对应驱动一个直线电机动子；M个检测直线电机动子当前工作状态并配合直线电机动子运动的配有CAN接口的I/O控制器，每个I/O控制器通过CAN接口接入CAN总线控制网络；一个带CAN接口的控制主机，控制主机管理、控制能接入CAN总线控制网络中的所有驱动器和I/O控制器。本系统能实现高性能、多轴且各轴运动方式相对灵活的直线多维运动。

Description

直线电机驱动的多轴运动系统
【技术领域】
本发明属于直线运动驱动系统，尤其是指控制多个直线电机驱动运动的多轴运动系统。
【背景技术】
在工业生产设备中有很多需要直线运动的场合，如数控磨床、冲床、激光切割、晶圆制造等，为了提高生产效率以及设备性能，对直线运动的速度、加减速度、以及精度上都有了更高的要求，如速度要提高到40-50m/min以上，加减速也要求提高到25-50m/s2，传统的“旋转电机+滚轴丝杠”形式显然是不行的，这是由它自身的弱点决定的，因为中间传动环节的存在首先使刚度降低，弹性变形可使系统的阶次变高，从而系统的鲁棒性降低，伺服性能下降，使得这种传统的方式所能达到的最高进给速度为30m/min，加速度仅3m/s2。而直线电机直接驱动所具有的优点则恰恰可以弥补传统传动方式的不足，其速度是滚轴丝杆副的30倍：加速度是滚轴丝杆副的10倍，最大可达10g，刚度提高了7倍；另外，直线电机直接驱动工作台，所以无反向工作死区；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。
在多轴运动系统中传统的控制方法采用集中式的体系结构，中央处理系统通过运动控制板与各轴的伺服驱动以及反馈信号连接，随着控制系统复杂性的增加，这种体系结构的缺点也暴露出来，如配线过多，对系统的安装、调试以及维修比较困难，另外当系统控制节点数增加时，需要进行处理的信号也会不断增加，如果处理信息和控制信号均由中央处理系统来完成，那么系统的性能以及可靠性都无法保证，而本发明中采用以CAN总线网络为基础的现场总线控制方式则很好地解决了以上的问题。
【发明内容】
本发明所欲解决的技术问题是提供一种适用于工业等生产设备中需要高性能、多轴且各轴运动方式相对灵活的由直线电机驱动的多轴运动系统。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种直线电机驱动的多轴运动系统，该系统包括，
一个直线电机定子；
作用于直线电机定子上的能单独或同时运动的N个直线电机动子，其中N是实际需要的直线运动轴数，并为不小于1的自然数；
CAN总线控制网络；
N个具备CAN接口、并通过CAN接口以接入CAN总线控制网络的直线电机驱动器，每个驱动器分别对应驱动一个直线电机动子，其中N是实际需要的直线运动轴数，并为不小于1的自然数；
M个检测直线电机动子当前工作状态并配合直线电机动子运动的配有CAN接口的I/O控制器，每个I/O控制器通过CAN接口接入CAN总线控制网络，其中M是实际需要的I/O控制器的个数，为不小于1的自然；
一个带CAN接口的控制主机，控制主机管理、控制能接入CAN总线控制网络中的所有驱动器和I/O控制器。
该系统还包括位置反馈装置，该位置反馈装置包括带距离编码的、安装在所述直线电机定子上的一条光栅尺和分别安装在直线电机动子上的、均自所述光栅尺上读取位置信号的读数头。
所述控制主机的控制流程为：将控制主机上电、复位完成后；检查总线资源是否正确，并进行判断；判断为是，即对各变量以及各轴的运动轨迹进行初始化；然后使能总线同步中断；再使能各电机动子初始化相位，并对换相是否成功进行判断；换相成功，使能各工作的电机动子找绝对位置，并对是否找到绝对位置进行判断；找到绝对位置，发送信息给各驱动器，使能各工作电机动子运行到初始位置，然后控制主机通过I/O控制器去判断各电机的状态是否满足运动条件；如果满足运动条件则发送运动参数和指令，并判断电机动子是否正确完成运动；电机动子正确完成运动后，通过I/O控制器发送其他的辅助动作命令及发送接下来的运动参数和指令。
所述驱动器的控制流程为：驱动器上电、复位后，就检测动力电源是否正确或符合要求；如果动力电源正常，则等待主机发来的换相信号，并判断是否收到换相指令；收到换相信号后，则进行电机初始化相位的换相动作；接下来等待是否收到找绝对位置的指令；收到找绝对位置的指令后，计算并完成寻找绝对位置，然后电机动子运行到初始位置；最后等待控制主机传送运动参数和指令，根据这些信息控制电机完成运动。
本发明所达到的技术效果是：本发明采用多个直线电机动子在一个直线电机定子上同时或单独运动驱动，为一种基于直线电机和CAN总线控制网络的多轴运动控制系统，且灵活活动，适合于多轴直线运动并进行统一控制、管理的场合，且传统的“旋转电机+滚轴丝杠”方式因为其机械结构的原因更是无法实现统一控制、管理。
【附图说明】
图1是本发明直线电机驱动的多轴运动系统的电机安装示意图。
图2是图1中B处的局部放大图。
图3是本发明直线电机驱动的多轴运动系统的安装结构的侧视示意图。
图4为基于直线电机和CAN总线控制网络的多轴运动系统的模块连接示意图。
图5为运行于控制主机的控制流程图。
图6为运行于驱动器上的控制流程图。
【具体实施方式】
以下根据具体实施例和说明书附图对本发明作详细的论述。
如图1所示，本发明直线电机驱动的多轴运动系统，其B处的局部放大图如图2所示，其安装结构的侧视示意图如图3所示，包括支撑架10、支撑架10上设置的定子安装座20、安装在定子安装座20上的直线电机定子30，以及安装在直线电机定子30上的多个(N个)直线电机动子40。定子安装座20上靠近直线电机定子30处设有直线导轨50，直线导轨50可供由直线电机动子40驱动的工作台板60在其上滑动，工作台板60可根据应用情况而安装不同的负载，如各种工作功能的机械手等。本发明在直线导轨50上安装一带距离编码的光栅尺70，对应光栅尺70分别在多个直线电机动子40上安装读数头80，在每一直线电机动子40的运动过程中，对应的读数头80读取光栅尺70上的数据以对准零位及反馈直线电机动子40的运动位置。光栅尺70也可以采用具有类似功能的装置，如磁栅等。在直线导轨50的两端安装有机械限位装置90、光电传感器92，当直线电机动子40运动至直线导轨50两端时同时进行机械限位和电气限位。
如图4所示，本发明直线电机驱动的多轴运动系统基于直线电机和CAN总线控制网络的各模块连接示意图。包括一个直线电机定子30上安装N个直线电机动子40、每一直线电机动子40对应连接一具备CAN接口功能的直线电机驱动器94，以及M个具备CAN接口功能的I/O控制器96、CAN总线控制网络98、和控制主机100，其中N是实际需要的直线运动轴数，并为不小于1的自然数，M是实际需要的I/O控制器的个数，为不小于1的自然。
N个直线电机驱动器94分别和对应的N个直线电机动子40相连接，并且该驱动器94通过CAN接口以接入CAN总线控制网络98，以接收来自控制主机100的命令以及返回相关数据。
M个I/O控制器96分别配合N个直线电机动子40工作，并通过CAN总线控制网络98检测当前直线电机动子40的工作状态反馈给控制主机100，以及输出控制主机100给出的动作信号，且每个I/O控制器96通过CAN接口以接入CAN总线控制网络98。
运行于控制主机100的软件用于控制N个直线电机的启动、换相、找零使能、发送运动指令、读取和发送I/O信号、协调总线同步等工作；运行于各个驱动器94的软件用于各个直线电机动子40的运动控制、找零、接收主机指令、返回主机要求数据等工作。
其中所述光栅尺70或其它类似功能的设备构成位置反馈装置，所有直线电机动子40的位置反馈信号均由该装置给出，以及由该装置实现所有直线电机动子40在任意位置快速找到绝对位置。
如图5和图6分别为控制主机100的软件的流程和驱动器94的软件流程，如图5所示，控制主机100的软件流程具体为：首先，将控制主机100上电、复位完成后；就开始检查总线资源是否正确，即检测CAN总线网络上的驱动器94以及I/O控制器96是否设定的一致；如果不一致，则进行报警、分类处理；如果一致，则对各变量以及各轴的运动轨迹进行初始化；然后使能总线同步中断，即每20毫秒进行一次总线同步操作；再使能各电机动子初始化相位，发送换相使能信息给总线上的驱动器，控制主机100等待接收各驱动器94换相完成后的返回信息，并对该信息进行判断；如果不正确进行报警、分类处理；反之则使能工作的电机动子找绝对位置，发送找零使能信息给各驱动器，控制主机100等待接收各驱动器94找零动作完成后的返回信号；并对该信号进行判断，如果不正确进行报警、分类处理；反之则发送信息给各驱动器94，让工作电机动子40运动到运动轨迹规划的初始位置，然后控制主机100通过I/O控制器96去判断各电机的状态；如果满足运动条件则发送运动参数和指令；然后再判断电机动子是否正确完成运动，等待电机动子运动结束后，再通过I/O控制器96发送其他的辅助动作命令，之后通过I/O控制器96去判断各电机动子状态然后再一次发送接下来的运动参数和指令。
如图6所示，驱动器94的软件流程具体为：驱动器94上电、复位后，就检测动力电源是否正确或符合要求；如果不正常，则重新上电、复位；如果正常，则等待主机发来的换相信号；接下来判断是否收到换相指令，如果未收到换相信息，则继续等待；如果收到换相信号后，则进行电机初始化相位的换相动作，完成后返回给控制主机100一个信号；然后等待是否收到找绝对位置的指令，如果未找到，则继续电机初始化相位；如果收到后，则计算绝对位置，并完成寻找绝对位置的动作，接着返回给主机一个动作完成信号，然后再根据控制主机100命令将电机动子运行到初始位置；最后等待控制主机100传送运动参数和指令，根据这些信息控制电机完成运动。

Claims (4)

1、一种直线电机驱动的多轴运动系统，其特征在于：该系统包括，
一个直线电机定子；
作用于直线电机定子上的能单独或同时运动的N个直线电机动子，其中
N是实际需要的直线运动轴数，并为不小于1的自然数；
CAN总线控制网络；
N个具备CAN接口、并通过CAN接口以接入CAN总线控制网络的直线电机驱动器，每个驱动器分别对应驱动一个直线电机动子，其中N是实际需要的直线运动轴数，并为不小于1的自然数；
M个检测直线电机动子当前工作状态并配合直线电机动子运动的配有CAN接口的I/O控制器，每个I/O控制器通过CAN接口接入CAN总线控制网络，其中M是实际需要的I/O控制器的个数，为不小于1的自然；一个带CAN接口的控制主机，控制主机管理、控制能接入CAN总线控制网络中的所有驱动器和I/O控制器。
2、如权利要求1所述直线电机驱动的多轴运动系统，其特征在于：该系统还包括位置反馈装置，该位置反馈装置包括带距离编码的、安装在所述直线电机定子上的一条光栅尺和分别安装在直线电机动子上的、均自所述光栅尺上读取位置信号的读数头。
3、如权利要求1所述直线电机驱动的多轴运动系统，其特征在于：所述控制主机的控制流程为：将控制主机上电、复位完成后；检查总线资源是否正确，并进行判断；判断为是，即对各变量以及各轴的运动轨迹进行初始化；然后使能总线同步中断；再使能各电机动子初始化相位，并对换相是否成功进行判断；换相成功，使能各工作的电机动子找绝对位置，并对是否找到绝对位置进行判断；找到绝对位置，发送信息给各驱动器，使能各工作电机动子运行到初始位置，然后控制主机通过I/O控制器去判断各电机的状态是否满足运动条件；如果满足运动条件则发送运动参数和指令，并判断电机动子是否正确完成运动；电机动子正确完成运动后，通过I/O控制器发送其他的辅助动作命令及发送接下来的运动参数和指令。
4、如权利要求1所述直线电机驱动的多轴运动系统，其特征在于：所述驱动器的控制流程为：驱动器上电、复位后，就检测动力电源是否正确或符合要求；如果动力电源正常，则等待主机发来的换相信号，并判断是否收到换相指令；收到换相信号后，则进行电机初始化相位的换相动作；接下来等待是否收到找绝对位置的指令；收到找绝对位置的指令后，计算并完成寻找绝对位置，然后电机动子运行到初始位置；最后等待控制主机传送运动参数和指令，根据这些信息控制电机完成运动。
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