基于直线伺服驱动的汽车排档器总成测试的研制.doc

基于直线伺服驱动的汽车排档器总成测试的研制 中文摘要

基于直线伺服驱动的汽车排档器总成测试的研制
中 文 摘 要

随着汽车制造业的不断发展，制造分工细化，汽车排档器的制造已经与变速箱分开，独立进行专业化生产。对排挡器总成测试这一关键工序的控制要求也越来越严格，由此推动了汽车排档器性能测试设备的研发。在具体设备的开发过程中，关键问题在于设计出合理的机构来模拟驾驶者的换档操作，使被测换档器完成测试要求。
本文设计了一种两轴直线电机联动机构，能够很好地带动被测排档器完成二维运动。直线电机的结构简单，重量轻体积小，易于装配，在精密测量行业的应用优势逐渐显现。整套机构通过伺服电机完成X/Y方向上的二维运动，同时垂直方向上依靠轴承导向机构提供升降的自由度来得到联动效果，达到优化机构，节约成本，提高效率的目的。机构采用满足实时监控要求的PLC作为下位机进行控制。与其他方式相比，本文设计制造的汽车排档器测试设备结构简单、操作简便、制造与维护成本较低并且完全可以满足测试精度要求。
工控机在数据采集处理和存储方面的优势，使其在测试测量系统中应用广泛，配合PLC下位机的实时监控性能，能够满足更高的要求；采用VISUAL BASIC编程软件可以缩短开发周期，兼容性更强，数据库存储方便，更加直观，易于操作；采用RS232串行通讯，硬件成本低廉，协议简单，传输速度亦能满足要求。
本论文首先在第一章中介绍了汽车排挡测试的基本要求，对所要进行测试的参数概念作出详细的解释，指出其作用和关键控制要素；第二章从整体电气结构和机械结构方面入手，介绍了系统使用的元器件及其在使用方法；第三章开始重点介绍直线电机的工作原理和其硬件软件控制方式；第四章从软件流程图入手，着重阐述上位机和下位机的控制流程；第五章对系统研制过程中出现的疑难问题给出了解决方式；第六章总结了技术方面的收获及设备在客户端使用的效果。
关键词：直线伺服电机，工控PC机，PLC，RS232，汽车排挡器
作 者：张建锋
指导教师：陈小平

I

基于直线伺服驱动的汽车排档器总成测试的研制 英文摘要
The Development of Gear Assembly Testing System Based on Linear Motor Technology
Abstract
As the automotive industry continues to develop, manufacture shows more refined division. Shifter has been separated from gear transmission device to make independent specialized production. Assembly and end of test to control this critical process requirements are also becoming more stringent, thus promoting the automobile shifter testing equipment’s research and development. In the development process of this specific equipment, the key issue is to design a reasonable body to simulate the driver's gearshift operation.
This paper designed a two-axis linear motor linkage, the device is able to bring shifter to complete two-dimensional movement. Linear motor’s structure is simple, sight weight, small size, and easy to assemble in the precision measurement industry application. The shifter complete X / Y direction of the two-dimensional movement through servo motor, while in the vertical direction the shifter moves through bearing movements of freedom-oriented organizations. So we get the linkage effects to reduce costs and increase efficiency. The control system adopts PLC as base control centre to meet the requirements of real-time monitoring. Compared with other methods, the application of this method is simple and easy to operate. Manufacturing and maintenance costs are lower and the system can also meet the test precision.
Industrial computer has more advantages in data storage and processing monitor, so it is widely used in the test and measurement systems. It could meet the higher requirements working together with PLC. By using Visual Basic software and use data base it also makes the operation easier and compatible for data analyzer; RS232 is a common protocol with low-cost, its transmission speed can also meet the requirements.
In this article we introduce the method for the shifter testing system. First chapter makes a detailed explanation of the shifter testing’s technology standard and requirements, pointing out its role and critical control elements. Second chapter introduces the system components and their application in the testing from the overall electrical structure and the mechanical structure. Third chapters focuses on the working principle of linear motor and its hardware and software control, the programs of computer and PLC will be also introduced in chapter forth. Several major technology problems in the developing progress are discussed and the methods to solve them are provided. I summarize the gains in technology and effect of equipment used on the client side in the fifth chapter. Refer to the appendix for the electrical drawings and the key programs.
Keywords： LINEAR MOTOR, INDUSTRIAL COMPUTOR, PLC, RS232

Written by Zhang Jianfeng
Supervised by Chen Xiaoping

III

基于直线伺服驱动的汽车排档器总成测试的研制 目录
目 录

序 言 1
第一章 汽车排挡测试基本要求及分析 3
1.1选档和换档间隙测量 3
1.2选档和换档行程测量 4
1.3选档力和换档力测量 5
1.4倒档下压的行程测量 5
1.5倒档未下压时的行程测量 6
第二章 排档器总成测试系统组成 7
2.1 排档器总成测试电气组成 7
2.2 排档器总成测试机械组成 9
第三章 直线电机原理和伺服控制器应用 10
3.1 直线电机原理及其特点 10
3.4 伺服控制器基本控制命令说明 15
第四章 工控机和PLC的软件设计 19
4.1 PLC的软件设计 19
4.2 工控机的软件设计 21
第五章 解决实际设计调试中出现的问题 27
5.1直线电机与排挡器旋转中心一致的解决方法 27
5.2模拟量采集设备的抗干扰解决方法 27
5.3传感器保护的方式 28
5.4多种产品识别的简易方法 28
5.5角度对位移测量影响的消除方法 29
第六章 小 结 30
主要参考文献 31
在校期间发表论文 32
附 录 1 33
附 录 2 37
致 谢 50

基于直线伺服驱动的汽车排档器总成测试的研制 序言
序 言
在汽车行驶中，为适应道路和交通状况的变化而需改变行驶速度，排档器的操作是相当频繁的。汽车排挡器的质量关系到对车辆的平稳控制，甚至于人身段安全。因此，对于排挡器的设计制造有着极高的可靠性要求[1]。过去汽车制造商通常将排挡器与变速器装配完成后统一测试，但随着制造分工的细化，排挡器与变速器的生产厂商相互独立，排挡器制造专业化，这就提出了对排挡器进行独立测试的要求。
目前所知，国外设备几乎全部采用ABB的机器人，体积小，精度高，但造价昂贵，动辄上百万元，而且订货周期较长，一般在8个月左右；通用性不强，当用户每次推出新结构的排档时都需要重新定制测试设备；在使用和维护方面非常不方便，技术支持常无法及时到位，零配件的更换也经常影响生产进度；当前只有部分外资工厂才有一些这类进口设备，而且也是通过母工厂转移到国内的。国内的该种测试设备基本采用的是普通旋转伺服电机连接丝杠的结构，虽然价格低廉，但体积比较大，占用较多空间，元器件比较多，需经常进行维护；而且中间结构较繁琐，导致测试精度较差，调试调整的难度较大，重庆社平科技有限公司和上海大学推出过这种产品，客户端在使用中投诉较多，一直要求进行结构改进和优化。
康斯伯格(中国)汽车部件有限公司主要致力于汽车排挡器的设计制造，为一汽大众、上海大众、华晨公司以及国外的整车厂家提供零配件服务，主要产品有PQ34，PQ35 以及PQ46 等排挡器，公司原有一台ABB的机器人测试设备，但无法满足产能需求，并且经常因为维修而中断生产线，严重影响了生产计划。我公司与康斯伯格(中国)汽车部件沈阳有限公司合作，根据排挡器的测试要求，在测试工艺不变的基础上研制出了基于直线电机的汽车排档器总成测试系统。
本排档器测试总成系统采用的直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种变形，它可以看作是一台旋转电机沿其径向剖开，然后拉平演变而成。近年来世界许多国家都在研究、发展和应用直线电机，使得直线电机的应用领域越来越广。磁悬浮列车就是用直线电机来驱动的，直线电机除了用于磁悬浮列车外，还广泛地用于其他方面，例如用于传送系统、电气锤、电磁搅拌器等领域。因在机床应用中，进给传动链的长度缩短为零，这种传动方式又被称为"零传动"。正是由于这种"零传动"方式，带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。
直线电机与旋转电机相比，主要有如下几个特点：一是结构合理，由于直线电机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置，因而使得系统本身的结构大为优化，重量和体积大大地下降；二是定位精度高，在需要直线运动的地方，直线电机可以实现直接传动，因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差，故定位精度高，采用微机控制，还可以大大地提高整个系统的操控性；三是反应速度快、灵敏度高，随动性好。直线电机的动子部分用磁悬浮支撑，因而使得动子和定子之间始终保持一定的空气隙而不接触，这就消除了定、动子间的接触摩擦阻力，因而大大地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性，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。四是工作安全可靠、寿命长，直线电机可以实现无接触传递力，机械摩擦损耗几乎为零，所以故障少，免维修 [2]。
考虑到排挡器测试要模拟驾驶员的手动操作，涉及到二维直线运动控制，测试精度要求高，对整体设备运动部件的刚度要求也较高，同时要求较少的维护工作，因此决定选用直线伺服电机作为核心部件进行系统的研制[3]。本测试设备对实时性要求较高，利用PLC的高速处理特点，将其作为输入输出控制的核心；数据处理和记录方面使用研华工控机作为上位机，使得用户操作更容易，系统兼容扩展性得到更大提高，客户可通过更改测试参数的方式将新型号的排挡器添加到系统中；设备整体的维护成本非常低，设备的主体直线电机基本属于免维护。

2
基于直线伺服驱动的汽车排档器总成测试的研制 第一章 汽车排挡测试基本要求及分析
第一章 汽车排挡测试基本要求及分析
排档器总成是由排档壳体、排档杆、拉索等主要部件相连接组成，组装设备多达六台，共有二十几道工艺，为保证出厂质量百分百合格，必须严格控制最后一道工序即终检测试，下面介绍本系统测试中的一些项目及其含义。
1.1 选档和换档间隙测量
表1-1中列出了选档和换档间隙测量的项目、实验条件和测量的范围：
表1-1 选档和换档间隙测量要求
序号
规范条款
试验项目
试验条件
验收
准则
1
1.1.1
换档方向间隙试验
（前后两个方向）
① 速度在10~50mm/分钟;
② 排挡器处于汽车安装位置;
③ 温度为室温;
④ 操作测试力为8N;
⑤ 推拉索另一端固定。
≤6mm
2
1.1.2
选档方向间隙试验
（前后两个方向）
① 速度在10~50mm/分钟;
② 排挡器处于汽车安装位置;
③ 温度为室温;
④ 操作测试力为8N；
⑤ 推拉索另一端固定。
≤12mm
排挡器间隙是一个重要参数，直接关系到装车后的操作手感和档位的清晰度，大众汽车对该性能的要求非常严格。
排挡间隙测试测量方法：排挡杆位于原始空档位置，排挡器总成拉索端的选档及换档拉索用气缸固定夹紧，X轴直线电机推动排挡杆球头，沿3档方向运动，当推力达到8N时停止直线电机，记录此时直线电机相对原始位置的行程，然后推动排挡杆球头沿4运动，记录此时直线电机相对原始位置的行程，两个相对行程的绝对值相加即为换档方向的间隙；Y轴直线电机推动排挡杆球头，沿1、2档方向的中间空档位置运动，当推力达到8N时停止直线电机，记录此时直线电机相对原始位置的行程，然后推动排挡杆球头沿3、倒车档中间的空档位置运动，记录此时直线电机相对原始位置的行程，两个相对行程的绝对值相加即为选档方向的间隙。
1.2 选档和换档行程测量
表1-2中列出了选档和换档行程测量的项目、实验条件和测量的范围：
表1-2 选档和换档行程测量要求
序号
规范条款
试验项目
试验条件
验收
准则
1
1.2.1
换档行程的测量
① 检验速度在50~500mm/分钟;
② 排挡器处于汽车安装位置;
③ 温度为室温;
④ 推拉索释放;

行程在45到55mm
2
1.2.2
选档行程的测量
① 验速度在50~500mm/分钟;
② 排挡器处于汽车安装位置;
③ 温度为室温;
④ 推拉索释放;

行程在45到55mm
换档选档行程指手柄杆在腔室内的移动范围，排挡器在最后装车时通过拉索连接变速箱，其行程范围必须与变速箱配合[4]，否则会出现行车中挂不上档的事故。
排挡行程测量方法：排挡杆位于原始空档位置，排挡器总成拉索端的选档和换档拉索夹紧气缸释放，使其能够自由活动，X轴直线电机推动排挡杆球头，沿3档方向运动，当推力达到25N时停止直线电机，记录此时直线电机相对原始位置的行程和换档拉索的相对行程，然后推动排挡杆球头沿4档方向运动，当推力达到25N时停止直线电机，记录此时直线电机相对原始位置的行程和换档拉索的相对行程，两个相对行程的绝对值分别相加即为换档方向的排挡杆换档行程和拉索换档行程；Y轴直线电机推动排挡杆球头，沿1,2档方向的中间位置运动，当推力达到25N时停止直线电机，记录此时直线电机相对原始位置的行程和选档拉索的相对行程，然后推动排挡杆球头沿5，倒档方向的中间位置运动，当推力达到25N时停止直线电机，记录此时直线电机相对原始位置的行程和选档拉索的相对行程，两个相对行程的绝对值分别相加即为选档方向的排挡杆选档行程和拉索选档行程。

1.3选档力和换档力测量
表1-2中列出了选档和换档力测量的项目、实验条件和测量的范围：
表1-3 选档和换档力测量要求
序号
规范条款
试验项目
试验条件
验收
准则
1
1.3.1
换档力的测量
① 验速度在50~500mm/分钟;
② 排挡器处于汽车安装位置;
③ 温度为室温;
④ 推拉索释放;

小于3N
2
1.3.2
选档力的测量
① 验速度在50~500mm/分钟;
② 排挡器处于汽车安装位置;
③ 温度为室温;
④ 推拉索释放;

小于8N
选档力和换档力指装车条件下在排挡杆球头部位需要施加的推动力，也就是排挡杆总成的滑动摩擦力，该性能影响操作舒适度。
摩擦力的测量方法：在测量选档和换档行程时进行测量，初始条件相同，X轴直线电机推动排挡杆球头，沿4档方向运动，当排挡杆球头旋转角度与原始位置的差值达到5度时记录X方向的力传感器数值，该力值作为换档方向的近似摩擦力值；Y轴直线电机推动排挡杆球头，沿1档和2档之间的方向运动，当排挡杆球头旋转角度与原始位置的差值达到5度时记录Y方向的力传感器数值，该力值作为选档方向的近似摩擦力值；
1.4倒档下压的行程测量
表1-4中列出了倒档下压行程测量的项目、实验条件和测量的范围：
表1-4 倒档下压行程测量要求
序号
规范条款
试验项目
试验条件
验收
准则
1
1.4.1
倒档下压行程的测量
① 验速度在50~500mm/分钟;
② 排挡器处于汽车安装位置;
③ 温度为室温;
④ 球头非下压状态;

行程在17到23mm
检测弹簧卡扣是否安装到位，如果行程过小，倒档就无法挂上。
倒档位置有效的测量方法：排挡杆处于初始位置，排挡杆总成拉索端气缸释放，球头下压气缸压下球头，Y轴电机推动排挡杆朝5档和倒档之间的位置运动，当推力达到25N时停止直线电机，记录此时直线电机相对原始位置的行程和选档拉索的相对行程，该行程即为倒档下压的行程。
1.5倒档未下压时的行程测量
表1-5中列出了倒档未下压时的行程测量的项目、实验条件和测量的范围：
表1-5 倒档未下压时的行程测量要求
序号
规范条款
试验项目
试验条件
验收
准则
1
1.5.1
倒档未下压
行程的测量
① 验速度在50~500mm/分钟;
② 排挡器处于汽车安装位置;
③ 温度为室温;
④ 球头下压状态;

行程在6到9mm
检测弹簧卡扣是否安装到位，如果行程过小，有可能出现5档成为倒档的严重事故。
倒档位置有效的测量方法：排挡杆处于初始位置，排挡杆总成拉索端气缸释放，球头下压气缸释放球头，Y轴电机推动排挡杆朝5档和倒档之间的位置运动，当推力达到25N时停止直线电机，记录此时直线电机相对原始位置的行程和选档拉索的相对行程，该行程即为倒档下压的行程。

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基于直线伺服驱动的汽车排档器总成测试的研制 第二章 排档器总成测试测试系统组成
第二章 排档器总成测试系统组成
根据第一章中的测试要求，确定了整体设计方案，分为电气部分和机械部分。机械设计实现排档器总成的装夹，执行机构的固定，信号采集部件的安装等；电气设计实现执行机构的控制，信号的采集分析。下面是详细内容。
2.1 排档器总成测试电气组成

图2-1 电气控制结构

图2-1为电气组成框图，系统中使用的工控机Advantech IPC-610P4R通过RS232与PLC和直线电机进行通讯，将参数写入其中，同时读取过程数据，执行相关步序；工控机为设备的控制中心，所有指令都由工控机发出。
PLC采集模拟量输入设备的实时数据，并在工控机轮询时发送给工控机，比如X轴和Y轴的力传感器数值、选档和换档拉索的位移数值；PLC监控输入设备的状态，比如启动按钮（PB1）、复位按钮(PB2)、急停按钮(PB1)等，将数据写入寄存器中，每一位代表一个输入设备的状态；PLC在接收到工控机发出的控制命令后，对输出设备进行控制，比如信号指示灯(LR/LY/LG)、拉索夹紧气缸(SV1)、球头下压气缸(SV2)、工件固定气缸(SV3)等。
PLC的型号是三菱公司的产品FX1N-32MR，有16个输入点和16个继电器输出点，模拟量采集模块选用的是FX1N-4AD,共有4路10位模拟量输入，分别分配给X轴和Y轴力传感器以及选档和换档位移传感器，力传感器选用的是美国TRANCELL公司生产的BSA-25称重传感器，位移传感器选用的是美国Novotech公司生产的LWH 75+R010；接近开关有4套，型号是AUTONICS的PR08-2DN，排挡总成底壳到位检测一套，拉索支架金属套漏装检测3套，气缸共有5套，分别是拉索夹紧气缸两套，球头下压气缸一套，工件固定气缸两套，控制用电磁阀为2位三通单电控；设备顶端接有三节塔灯一套，为上海二工生产的XVB-C2，有红黄绿三种颜色，红色代表故障，绿色代表设备等待中，黄色代表自动运行中。
工控机发送控制指令给X轴和Y轴直线伺服电机，控制电机推动排挡杆运动，当条件满足时发送查询指令，读取直线电机的实际位置，经过数据换算得到排挡杆的运动行程。型号参数储存在工控机中，并设置等级权限，操作者可更改各种产品对应的测试参数和测试标准；测试结果分为合格和不合格两种情况分别保存在ACCESS数据中；工控机连接有一台美国斑马公司生产的条码打印机ZEBRA-888T，分辨率200DPI，当测试合格时，设备自动打印条码，且条码格式可事先设定。

2.2 排档器总成测试机械组成

图2-2 机械效果图
图2-2为机械结构俯视图。系统中使用的直线伺服电机采用轴承安装，电机可上下左右摆动，以跟随排挡杆的运动轨迹；排挡器总成底壳用两个气缸进行固定，防止电机推动排挡杆运动过程中发生移动的现象，保证测试精度要求； 拉索支架的固定模拟实际装车时的状态，拉索处于装车专状态对测试结果的精确适用是必须的[5]；拉索末端固定采用气缸夹紧方式，气缸头部接装半圆形加工件，依靠摩擦力固定拉索；选档和换档位移尺与拉索末端连接，跟随拉索运动。
基于直线伺服驱动的汽车排档器总成测试的研制 第三章 直线电机原理和伺服控制器应用
第三章 直线电机原理和伺服控制器应用
随着直线电机越来越广泛的应用，国内对其的研究也大大增多，同时又促进了直线电机在更多领域的发展。下面将从物理结构入手介绍直线电机的运动原理，以及这种工作方式的特点；对硬件连接和软件配置也作出了简要说明；列出了编程中用到的一些基本控制指令及其与测试的联系。
3.1 直线电机原理及其特点
直线电机是一种通过将封闭式磁场展开为开放式磁场，将电能直接转化为直线运动的机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。图3-1中的直线电机的结构可以看作是将一台旋转电机沿径向剖开，并将电机的圆周展开成直线而形成的。

a)沿径向剖开 b)把圆周展成直线
图3-1 直线电机物理结构
其中定子相当于直线电机的初级，转子相当于直线电机的次级，当初级通入电流后，在初次级之间的气隙中产生行波磁场，在行波磁场与次级永磁体的作用下产生驱动力，从而实现运动部件的直线运动。
上述电机属扁平结构，本系统使用的电机为圆筒形，也称为管形结构，它也可以看作是由旋转电机转变而来，参见图3-2，图3-2a表示一台旋转电机以及由定子绕组所构成的磁场极性分布情况；图3-2b表示转变为扁平型直线电机后，初级绕组所构成的磁场极性分布情况，然后将扁平型直线电机沿着和直线运动相垂直的方向卷接成筒形，这样就构成图3-2c所示的圆筒型直线电机.

图3-2 旋转电机演变为圆筒型直线电机的过程
a)旋转电机 b)扁平型单边直线电机 c)圆筒型直线电机
直线电机的工作原理同样遵循旋转电机中的电磁定律，只是将旋转电机在顶部沿径向剖开，并将圆周拉直，便成为图3-3所示的直线电机。在这台直线电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，也会产生气隙磁场。当不考虑中于铁心两端开断而引起的纵向边端效应时，这个气隙磁场的的分布情况与旋转电机的相似，即可看成沿展开的直线方向呈正弦形分布。当三相电流随时间变化时，气隙磁场将按A、B、C相序沿直线移动。这个原理与旋转电机的相似，两者的差异是：这个磁场是平移的，而不是旋转的，因此称为行波磁场。显然，行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是一样的，即为vs(m/s)，称为同步速度，且vs=2fτ（f为频率，τ为时间常数）, 再来看行波磁场对次级的作用。假定次级为栅形次级，图3-3 b)中仅画出其中的一根导条。次级导条在行波磁场切割下，将感应电动势产生电流。而所有导条的电流和气隙磁场相互作用便产生电磁推力。在这个电磁推力的作用下，如果初级是固定不动的，那末次级就顺着行波磁场运动的方向作直线运动。若次级移动的速度用v表示，转差率用s表示，则有图3-3 a)中的计算公式：

a)直线电机运动公式

b)
1-初级 2-次级 3-行波磁场
图3-3 直线电机的内部磁场
在电动机运行状态下，s在0与1之间。上述就是直线电机的基本工作原理[6]。在排挡器总成测试过程中，采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到待测产品之间的机械传动环节，把传动链的长度缩短为零，因而这种传动方式又被称为"零传动"[7]。正是由于这种"零传动"方式，带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。
直线电机的主要优点有以下几点： 精度高 直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差，减少了运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，即可大大提高定位精度。
运动刚度高 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。
速度快、加减速过程短 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，反应异常灵敏快捷；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，高速运行时又能瞬间停止。可获得较高的加速度，一般可达2～10g（g=9.8m/s2），而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.1～0.5g。
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。
运动动安静、噪音低 由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，其运动时噪音将大大降低。
效率高 由于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗，传动效率大大提高。表3-1列出了直线电机与旋转电机加丝杠控制方式的比较结果。
编号
比较内容
直线电机
旋转电机+丝杆
1
最大推力
<14500牛顿(N)
<240000牛顿(N)
2
最大加速度
>100米/秒*秒(10G)
<1米/秒*秒(1G)
3
最大速度
5米/秒(m/s)
<1.5米/秒(m/s)
4
最大行程
<50米/秒(m/s)
<6米/秒(m/s)
5
刚度
高
低
6
运行
平稳
高速有噪音
7
反向间隙
无(直接驱动)
3-50um(有中间机械传动部件)
8
寿命
长
短
9
精度
高
低
10
效率
高
低
11
成本
高
低
12
主要应用
响应快, 速度和精度要求高的场合
普通应用
表3-1直线电机与旋转电机加丝杠控制方式的比较

3.2 伺服控制器配置方法
伺服控制器是直线电机的控制源，用来完成直线电机的功能。在实际应用中可以使用快速配置完成伺服控制器的功能选择，选择之后选取相应的电机型号，之后逐一设置[8]。通讯方式选择RS232， 波特率为19200，无奇偶校验，数据位8，停止位1；X轴电机站号为01,Y轴站号为02；设置电机运动轴的长度，原点传感器和极限位传感器的定义；加减速度默认值；制动的方式；冷却的方式；电机实时位置数据的定义等共9步。如图3-4伺服控制器的软件配置界面。

图3-4 伺服控制器的软件配置界面
配置完成后，可手动运行马达，并能够观测到定位实时曲线图，见图3-5

图3-5 伺服控制器软件配置中的运行曲线图
3.3 伺服控制器硬件连接说明

图3-6 伺服控制器硬件配接口图
直线电机动力电源为交流220V，控制电源为直流24V，I/O点没有使用，通过串行RS232接口进行通讯控制。如图3-6。控制器功能强大，可以根据具体需求连接相应功能端子，各个端口在手册中都有说明。直线电机与伺服之间只有一根电缆，提供电源给电机并读取其各种参数，相比旋转电机的接线大大简化[9]，对安装环境没有体别要求，适应性很好，体积小，直接安装在控制柜内。
3.4 伺服控制器基本控制命令说明
伺服控制器的命令格式为16进制ASCII码，写指令格式如下
站号 指令范围 指令内容
0X01H 0X11H 控制字（长短不一）
站号：伺服控制器事先分配的地址；
指令范围：伺服控制器的通讯节点ID；
控制字：根据指令范围所需要的控制字。

本系统中主要用到如下指令
i. 读取电机实际位置指令，在测量排挡杆行程时，当力值达到设定值时，停止电机后发送该指令，得到电机的实际位置，单位为0.1毫米。
Tx: 01 11 03 02 01 00 04
上位机发送指令说明：读取站号为01的伺服控制器内容，11为通讯节点ID，03为控制字长度，02为控制字起始标志，01，00为控制字，04为控制字结束标志。
Rx: 01 11 0C 02 00 00 00 37 4C C2 08 9D FC FF FF 04
伺服控制器返回指令说明：站号为01的伺服控制器返回内容，11为通讯节点ID，0C为控制字长度，02为控制字起始标志，9D FC FF FF为实际位置的ASCII转换值，04为控制字结束标志。

ii. 清除控制字指令，电机工作状态需要发生变化时，需要发送该指令，以便电机执行下一条心的运动指令。
Tx: 01 11 05 02 00 01 00 00 04
上位机发送指令说明：读取站号为01的伺服控制器内容，11为通讯节点ID，05为控制字长度，02为控制字起始标志，00 01 00 00为清除伺服控制字指令，04为控制字结束标志。
Rx: 01 11 0C 02 00 00 00 B4 40 00 02 AB 00 00 00 04
伺服控制器返回指令说明：站号为01的伺服控制器返回内容，11为通讯节点ID，0C为控制字长度，02为控制字起始标志，00 00 00 B4 40 00 02 AB 00 00 00为指令执行结果，04为控制字结束标志。

iii. 电机原点复归指令，当电机第一次通电或发生故障后，需要发送该指令，电机将自动找寻原点，为正常的运动控制做准备。
Tx: 01 11 05 02 00 01 3F 08 04
上位机发送指令说明：读取站号为01的伺服控制器内容，11为通讯节点ID，05为控制字长度，02为控制字起始标志，00 01 3F 08为直线电机复位指令，04为控制字结束标志。
Rx: 01 11 0C 02 00 00 00 37 4C 0F 09 DA FB FF FF 04
伺服控制器返回指令说明：站号为01的伺服控制器返回内容，11为通讯节点ID，0C为控制字长度，02为控制字起始标志，0F 09为指令执行结果，04为控制字结束标志。

iv. 伺服驱动器使能指令，每次控制电机开始运动时，都需要发送该指令，否则电机将报错。
Tx: 01 11 05 02 00 01 3F 00 04
上位机发送指令说明：读取站号为01的伺服控制器内容，11为通讯节点ID，05为控制字长度，02为控制字起始标志，00 01 3F 00为直线电机使能指令，04为控制字结束标志。
Rx: 01 11 0C 02 00 00 00 37 4C C0 08 DA FB FF FF 04
伺服控制器返回指令说明：站号为01的伺服控制器返回内容，11为通讯节点ID，0C为控制字长度，02为控制字起始标志，C0 08为指令执行结果，04为控制字结束标志。

v. 伺服定位指令，该指令包含电机运动的目标位置和设定的运动速度，根据操作者实现设置好的参数执行定位动作。
Tx: 01 11 09 02 00 02 01 02 A0 86 01 00 04
上位机发送指令说明：读取站号为01的伺服控制器内容，11为通讯节点ID，05为控制字长度，02为控制字起始标志，02 A0 86 01为直线电机目标位置，04为控制字结束标志。
Rx: 01 11 0C 02 00 00 00 37 68 A1 08 8B FC FF FF 04
伺服控制器返回指令说明：站号为01的伺服控制器返回内容，11为通讯节点ID，0C为控制字长度，02为控制字起始标志，A1 08为指令执行结果，04为控制字结束标志。

vi. 复位驱动器故障指令，当电机出现普通故障时，需要用该指令清除故障信息，以便重新控制电机动作。
Tx