直线电机检测系统的设计

关键词：直线电机； 增量式直线光栅尺； 热电偶； 力传感器
中 图 分 类 号 ： Ｔ Ｐ ２７４＋．１
文献标识码：Ａ
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ ｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｅ ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ ｌｉｎｅａｒ ｅｎｃｏｄｅｒ，
图 ３ 光栅信号四倍频及辨向电路
图 ４ 直线电机位移测试原理图 当直线电机带动直线光栅尺作正方向运动时， 经四倍频及 鉴向电路， ＣＰ＋ 输出脉冲序列， 同时 ＣＰ＋ ＥＮ 为低电平。通过 Ｐ ＣＩ－１７８０ 的 数字 量 输 入 通 道 ， 检 测 到 ＣＰ ＋ ＥＮ 为 低 电 平 ， ＤＩ０ 的 值 为 ０。 ＤＩ０ 的 值 与 Ｃｏｕｎｔｅ ｒＡ 的 软 触 发 命 令 链 接 起 来 ， 当 ＤＩ０ 为 ０ 时 ， 触 发 Ｃｏｕｎｔｅ ｒＡ， 对 脉 冲 进 行 计 数 ， 实 现 Ｃｏｕｎｔｅ ｒＡ 的软启动。因 Ｃｏｕｎｔｅ ｒＡ 的门引脚已接上高电平， 故 Ｃｏｕｎｔｅ ｒＡ 一 旦被软触发启动后就可对进入的脉冲进行计数。若某个时刻 ＤＩ１ 检测到 ＣＰ － ＥＮ 为低电平， 则 ＤＩ１ 的值为 ０， Ｃｏｕｎｔｅ ｒＢ 开启并对 反向脉冲进行计数， 同时关闭 Ｃｏｕｎｔｅ ｒＡ， Ｃｏｕｎｔｅ ｒＡ 停止计数并 清零。在 Ｃｏｕｎｔｅ ｒＡ 被关闭清零之前， 其当前计数值赋给另外一 个变量， 以便对正向脉冲进行显示、累计和位移量转换等工作。直 线电 机 反 向 运 动 时 Ｃｏｕｎｔｅ ｒＢ 的 设 置 与 工 作 原 理 同 Ｃｏｕｎｔｅ ｒＡ。 直线电机正反向运动时其位移量的测试人机界面如图 ２ 所示， 通 过该界面可以准确地检测出直线电机的运动方向和运动位移量。
本系统所采用直线光 栅 尺 分辨 率 为 ２０μｍ ， 即 光 栅 尺每 移 动 ２０μｍ ， Ａ、Ｂ 两相各输出一个相位相差 ９０°的方波信号。经 四倍频后一个脉冲转换为位移量为 ０．００５ｍｍ， 因此当前光栅 尺 的 位 移 量 即 为 Ｐ ＣＩ－１７８０ 所 计 脉 冲 数 乘 以 ０．００５ｍｍ 。 Ｐ ＣＩ－１７８０ 计数卡内部寄存器为 １６ 位， 可计 ２１６＝６５５３６ 个脉冲。 ６５５３６ 个 脉 冲 折 合 到 四 倍 频 后 光 栅 尺 信 号 的 位 移 量 是 ６５５３６×０．００５／１０００≈ ０．３３ｍ ， 而 本系 统 所 用 直 线 电 机 的 最 大 位移量为 １．０ｍ， 因此单用一个计数器不能满足直线电机位移 量 的 检 测 要 求 。需 采 用 两 个 计 数 器 级 联 计 数 的 方 案 。两 个 计 数 器级 联 ， 其计 数 范 围是 ２３２＝４２９４９６７２９６ 个 脉 冲， 折 合 位 移 量 约 ２１４７４．８４ｍ ， 可满足需要。Ｐ ＣＩ－１７８０ 计数卡的 Ｅ 工作模式是带 门控功能的计数模式。其特点是只有当门脉冲（Ｇａ ｔｅ ）是高 电 平 时才对源脉冲进行计数， 并且 Ｅ 模式在计满一个计数周期后计 数器不会停止， 而是自动循环计数。可实现两个或两个以上计 数器的级联， 进行更大量程的脉冲计数。
图 ２ 直线电机检测系统人机界面 直线电机检测人机界面如图 ２ 所示， 采用力控组态软件进 行 开 发 。通 过 本 界 面 可 以 准 确 地 检 测 出 直 线 电 机 的 多 点 绕 组 温 度（°Ｃ）和直线 电 机 推 ／ 拉 力 值（Ｎ）， 实现 对 直 线电 机 运 行情 况 的 动态检测。 ３．２ 力检测子系统 直线电机推 ／ 拉力检测主要有力传感器 Ｕ９Ｂ、力信 号 放大 器 ＡＥ３０１ 和工控 Ｉ／Ｏ 模块 ＡＤＡＭ４０１７＋ 组成。Ｕ９Ｂ 采 用 平衡 电 桥 测量 原 理 ， 具有 ２０ＫＮ 的 测 量量 程 。ＡＥ３０１ 的 输出 量 程 与 １６ 位 Ａ／Ｄ、８ 路 差 分模 拟 量 输入 Ｉ／Ｏ 模 块 ＡＤＡＭ４０１７＋ 的输 入 量 程 同 为±１０Ｖ， 可以 直 接 连接 。ＡＥ３０１ 输 出 满量 程±１０Ｖ 时， 对 应 直 线电 机 的 推 ／ 拉 力 值 为±２０ＫＮ。由 公 式 ３．２．１ 可 以 间 接计 算 出 直 线 电 机 的 实 时 推 ／ 拉 力 值 （Ｎ）， ｕ 为 ＡＥ３０１ 输 出 的 电 压 值 （Ｖ）。直线电机推 ／ 拉力的测试界面如图 ２ 所示。
动环 节 ， 使 得 机 械 传 动 链 的 长 度 为 零 ， 即“ 直 接 驱 动 ”或“ 零 传
动”。近年来由于永磁体材料成本的显著降低， 永磁同步直线电
机每年以 １０％ ～１５％ 的速度逐步下降。全球知名运动控制公司
Ｉｎｃｒｅｍｏｔｉｏｎ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ 总裁 Ｄａｎ Ｊｏｎｅｓ 指 出：“能 够 从 中 国 获 得 相
特征 决 定了 它 在 数控 机 床 、机器 人 和 其它 需 要 直线 伺 服 传动 的
领 域 中 有 着 广 阔 的 应 用 前 景 。目 前 在 欧 美 发 达 国 家 直 线 电 机 已
在 高 速 加 工 中 心 得 到 了 广 泛 应 用 。作 为 直 线 电 机 应 用 的 前 提 条
件， 能够准确地检测出直线电机的相关参数也显得更加重要。
数采与监测
文章编号：１００８－ ０５７０（２００７）０５－ １－ ０１２２－ ０２
中文核心期刊《微计算机信息》（测控自动化）２００７ 年第 ２３ 卷第 ５－１ 期
直线电机检测系统的设计
Ｄｅ ｓ ｉｇ ｎ ｏ ｆ Ｌｉｎ ｅ ａ ｒ Ｍｏ ｔｏ ｒ Ｓ ｕ ｐ ｅ ｒｖｉｓ ｏ ｒｙ Ｓ ｙｓ ｔｅ ｍ
（１．广东工业大学；２．上海交通大学）高 军 礼 １ 肖 曙 红 １ 张 希 ２
ＧＡＯ Ｊ ＵＮ ＬＩ ＸＩＡＯ Ｓ ＨＵ ＨＯＮＧ ＺＨＡＮＧ ＸＩ
摘要：本 文 利 用 增 量 式 直 线 光 栅 尺 位 移 传 感 器 、方 波 四 倍 频 及 鉴 向 电 路 、热 电 偶 传 感 器 、压 力 传 感 器 、研 华 ＡＤＡＭ４０００ 系 列 工
技 数。Ｃｏｕｎｔｅｒ２ 和 Ｃｏｕｎｔｅｒ３ 级联组成反向计数器组 ＣｏｕｎｔｅｒＢ， 对
反向输入脉冲 ＣＰ－ 进行计数。四个计数器均使用 Ｅ 工作模式。
术
创
新
３．３ 位置检测子系统 针对增量式直线 光栅 尺 所 输出 Ａ， Ｂ 两 相 相位 差 为 ９０°方 波 信 号 的 四 倍 频 及 鉴 向 电 路 如 图 ３ 所 示 。 该 电 路 在 实 现 Ａ， Ｂ 相方波信号四倍频后的正向脉冲 ＣＰ＋ 与反向脉冲 ＣＰ－ 的同 时， 还可鉴别出直线电机的移动方向。当有正向脉冲 ＣＰ ＋ 输出 时， ＣＰ＋ ＥＮ 使能信号为低电平， ＣＰ－ ＥＮ 使能信号为高电平； 有反向脉冲 ＣＰ－ 输出时， ＣＰ－ ＥＮ 使能信号为低电平， ＣＰ＋ ＥＮ 使能信号为高电平。这 ４ 路 信号 用 于 Ｐ ＣＩ－１７８０ 计数 卡 检 测直 线电机的位移量和运动方向。
控 Ｉ／Ｏ 模 块 、ＰＣＩ－ １７８０ 多 通 道 计 数 卡 以 及 力 控 组 态 软 件 构 建 了 直 线 电 机 的 检 测 系 统 。该 检 测 系 统 能 够 准 确 检 测 出 直 线 电 机
的 位 移 、拉 力 和 推 力 及 其 绕 组 的 多 点 温 度 值 。 文 中 对 该 检 测 系 统 的 方 案 及 其 实 现 过 程 进 行 了 详 细 的 论 述 。
对便宜的稀土磁铁是使直线电机的价格变得更加易于承受的
重 要 因 素 。”这 也 为 直 线 电 机 的 广 泛 应 用 注 入 了 新 的 活 力 。与 旋
转电机相比 ， 直线电动机具有高速度、高加速度、等 特 征 。正 是 直 线 电 机 的 这 些 显 著
术 Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ：Ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ， ｉｎｃｒ ｅｍｅｎｔａｌ ｌｉｎｅａｒ ｅｎｃｏｄｅｒ ， ｔｈｅｒ ｍｏｃｏｕｐｌｅ， ｆｏｒ ｃｅ ｔｒ ａｎｓｄｕｃｅｒ
创 １ 引言
新
直线电动机是利用电磁作用原理， 将电能直接转换成直线
运 动 的 设 备 。它 取 消 了 源 动 力 和 工 作 台 部 件 之 间 的 一 切 中 间 传
本文即是立足于直线电机的应用， 构建能够准确检测直线电机
绕组温度、推 ／ 拉力、位移等参数的检测系统。
ＡＤＡＭ４０５２ 实现 ＲＳ４８５ 到 ＲＳ２３２ 总线的转换， 并 直 接 与上 位 工 控机相连， 从而构成工业现场的底层控制网络， 实现直线电机 温度、推 ／ 拉力参数的实时检测。ＡＤＡＭ４５２０ 最多可以挂接 ２５５ 个 具 有 ＲＳ４８５ 总 线 的 Ｉ／Ｏ 模 块 ， 传 输 速 率 可 达 １１５．２ｋｂｐｓ， 传 输 距离达 １２１９ｍ。根据 需 要 ， 通过 增 加 挂接 在 ＡＤＡＭ４５２０ 上 的工 控 Ｉ／Ｏ 模块可以十分方便地实现直线电机更多测量 点 温 度值 的 实时检测。
２ 直线电机检测系统总体方案
直线电机检测系统的总体方案如图 １ 所示。预埋在直线电 机动子绕组中的热电偶将绕组温度转换成毫伏级的电压信号， 经 由 工 控 Ｉ／Ｏ 模 块 ＡＤＡＭ４０１８＋ 进 行 信 号 适 配 、Ａ／Ｄ 转 换 而 变 为数字信号。直线电机推 ／ 拉力经由压力传感器 Ｕ９Ｂ、压力信号 放 大 器 ＡＥ３０１ 转 换 成 量 程 为 ＋／－ １０Ｖ 的 标 准 电 压 信 号 ， 再 由 ＡＤＡＭ４０１７＋ 转换成数字信号。ＡＤＡＭ４０１８＋、ＡＤＡＭ４０１７＋ 采 用 ＲＳ４８５ 串 行 通 讯 总 线 与 工 控 模 块 ＡＤＡＭ４０５２ 互 连 。 由
高军礼： 讲师 基 金 项 目： 广 东 省 自 然 科 学 基 金 博 士 科 研 启 动 基 金（０４３００２０８）， 广州市科技攻关（２００６ｚ２－ Ｄ９０７１）
图 １ 直线电机检测系统构成框图 对于直线电机的位移检测， 采用增量式直线 光 栅 Ａ， Ｂ 相 方 波 信号 四 倍 频及 鉴 向 电路 将 直 线电 机 位 移脉 冲 、位 移方 向 送 入 ＰＣＩ－ １７８０计数卡间接计算得出。