线性同步电机推进系统的通用控制的制作方法

本申请是申请号为201280038156.8、申请日为2012年6月7日、名称为“线性同步电机推进系统的通用控制”的pct发明专利申请的分案申请。

本申请要求2011年6月7日提交的、名称为“versatilecontrolofalinearsynchronousmotorpropulsionsystem”的美国专利申请序列号61/494,005号提交的权益，其教导通过引用结合到本文中。

本申请涉及2010年7月29日公布的国际申请号pct/us2010/021839，以及涉及2010年1月22日提交的相应的美国专利申请12/692,441，名称都为“improvedtransportsystempoweredbyshortblocklinearsynchronousmotorsandswitchingmechanism”，后者是2009年1月23日提交的、名称为“transportsystempoweredbyshortblocklinearsynchronousmotors”的美国专利申请序列号12/359,022和2009年6月5日提交的、名称为“improvedtransportsystempoweredbyshortblocklinearsynchronousmotors”的美国临时专利申请序列号61/184,570的部分继续申请，并且两者都要求美国专利申请序列号12/359,022和美国临时专利申请序列号61/184,570的优先权的权益。所有上述的教导通过引用结合到本文中。

本发明属于线性同步电机(lsm)推进系统的通用控制以在三维中移动物体和人。目的是提供尽可能简单的高级别控制而不限制控制器在各种条件下优化性能的能力。

背景技术：

采用lsm推进的优点是众所周知的，并且描述于其他专利(作为非限制性的例子，美国专利申请号us2010/0236445和美国专利号7,926,644,7,538,469,7,458,454,7,448,327,6,983,701,6,917,136,6,781,524,6,499,701,6,101,952和6,011,508,它们受让给本申请的受让人并且其教导通过引用结合到本文中)中。主要问题是当大量的运载工具在各种外部约束下以复杂方式移动时控制这些电机。

一个例子是当运载工具的运动在位置或时间上必须与其他物体(例如运载工具、机器人或人)的运动同步时控制运载工具。在一个例子中，物体在生产线上移动，在运动中机器人需要以受控的方式与该物体进行交互。另一个例子是，当运载工具在自动化控制下运输人并且操作者需要获取控制以便应对突发事件。在这种情况下，操作者可以改变速度和加速度，但是系统必须保护运载工具以避免可能由于操作者的不当动作而发生的碰撞。

技术实现要素：

本发明的一个目的是给lsm推进系统的用户提供一种控制系统，该控制系统能够选择期望的灵活度，但不要求用户关心细节的最低级别并且提供保护以避免高级别中的故障以及外部控制器的损害。

本发明的更一般的目的是提供改进的运输系统、装置和方法。

本发明另一个相关的目的是提供适于运载工具和在轨道上的其他物体的高效和精确的运动的这类系统、装置和方法。

本发明的相关的目的是提供利用了lsm技术的优点的这类系统、装置和方法。

本发明进一步相关的目的是提供适于在制造、生产、实验室和其他应用时使用的这类系统、装置和方法。

以上是本发明达到的一些目的，本发明在一些方面提供基于lsm的运输系统，该系统包括具有沿着一个区域布置的多个推进线圈的轨道，布置在轨道上的一个或多个运载工具在该区域中被推进；还包括激励这些推进线圈以便沿着轨道推进这些运载工具的电子功率和控制电路。按照本发明的这些方面，每个运载工具包括磁通源，例如一个或多个哈尔巴赫(halbach)或其他磁体阵列。

按照上述方面的系统除了其他因素之外，尤其有利于在轨道上的这些运载工具相互以受控的方式(例如没有碰撞或失控运动的风险)独立地运动(或被推进)，而不论它们在轨道上与其他运载工具的接近度。根据本发明的相关方面，轨道可以包括引导结构(例如导轨，其有利于保持运载工具在轨道上)和用于交汇与分叉的开关。

lsm推进系统的控制涉及一系列复杂的问题。一些问题必须涉及感测运载工具的位置和绕组中的控制电流以便产生需要的推进力和运载工具速度的低级别电机控制器。其他问题存在于监测运载工具的运动来达到预期的效果的高级别电机控制器中。这些控制器又由更高级别控制器来控制，后者控制许多运载工具在有时复杂道路上运动并响应于操作者，该道路涉及停止、启动、交汇、转换、与外部事件同步。本发明显示了高级别控制器如何以最小的复杂度来实现，并且不需要高级别控制器所做的多于安全操作所必要的。

因此，例如在一些实施例中，运载工具沿着轨道的运动可以通过基于限制参数(limit-basedparameters)(例如在三维中的最终位置、最大速度和/或最大加速度)被指定，以及可替代地，至少在轨道的一些区域或某些时候，通过设定值参数(setpointparameters)(例如当前或期望的位置、当前或期望的速度和/或当前或期望的加速度)被指定。结果是运输系统和方法提供运载工具在轨道上的高效和精确的运动。

本发明的另一方面提供用于操作与上面符合的基于lsm的运输系统的方法。

本发明的这些和其他方面在下面的附图和文本中是明显的。

附图说明

通过参考附图可以获得对本发明更完整的理解，其中

图1描述了根据本发明的一个实施例的线性同步轨道和控制系统；

图2a-2c描述了根据本发明的一个实施例的在系统中基于限制参数控制的区域和基于设定值参数控制的区域中的运载工具12的运动控制；

图3描述了根据本发明的一个实施例的用在运输系统中的轨道的替代配置；以及

图4描述了图1所示类型的优选的轨道和控制系统的进一步的方面。

具体实施方式

这里描述的是利用新颖的轨道结构的运输系统，该轨道结构允许通过交变控制管理运载工具的运动，由此例如在轨道的不同区域提供不同程度的运动调节。因此，例如，在一些实施例中，运载工具沿着轨道的运动可以通过基于限制参数(例如最终位置、最大速度和/或最大加速度)被指定，或者，至少在轨道的一些区域，通过设定值参数(例如当前或期望的运载工具的位置、当前或期望的运载工具的速度和/或当前或期望的运载工具的加速度)被指定。由此实现提供运载工具和在轨道上的其他物体的高效和精确的运动的运输系统和方法。

接下来的内容描述本发明的例如适于制造、组装和实验室应用的实施例的组件和操作。在某种程度上，在共同未决、共同受让并通过参考结合的国际申请号pct/us2010/021839和美国专利申请12/692,441(在下文，被称为“通过参考结合的申请”)中描述的类型的系统的内容中提供了这些内容。然而，可以理解的是，通过本专利在这个设计上的许多变异是可能的和预期的。

图1描述了根据本发明的一个实施例的线性同步轨道和控制系统。示出的系统包括具有布置在其上的运载工具12的轨道10，一般来说利用线性同步电机(lsm)技术实现运载工具12的受控的运动。

特别地，运载工具12的运动由数字数据处理器所控制，这里，例如通过中央控制器14、块控制器16和可编程逻辑控制器(plc)18(也称为“主机”)所控制。虽然由于杂乱没有显示在图中，但是中央控制器14被耦合以与块控制器16通信。这可以通过直接连接或间接连接，例如通过菊花链(或其他间接耦合)，例如通过其他块控制器。

正如本领域技术人员理解的，中央控制器14还可以被称为“节点控制器”而并没有改变含义，并且，类似地，块控制器16还可以被称为“电机控制器”，也并没有改变含义。

在一些实施例中，中央(或节点)控制器14与所有的块(或电机)控制器16通信耦合，然而在其他实施例中，中央(或节点)控制器14只与没有与plc18通信耦合的那些块控制16通信耦合。如本文所使用，与中央控制器“通信耦合”这个短语所指的耦合(直接或间接的)中，在常规操作或在超控操作模式中，块控制器16响应于由中央控制器产生的信号，以实现如下面讨论的运载工具运动的控制。

在图示的实施例中，plc18与块控制器16的子集通信耦合，即那些在轨道的区域24中的块控制器16，其在下文中被称为“设定值参数控制的”。虽然plc可以实际上直接或间接耦合到所有的块控制器16，“通信耦合”这个短语在此用来指这样的(直接或间接)耦合：其中块控制器16响应于由plc18产生的信号以实现如下面讨论的运载工具运动的控制。

因此，例如，在一些实施例中，通过中央控制器18实现plc18和块控制器16之间的通信耦合——或换句话说，通过plc18向设定值参数控制的区域24中的块控制器16的所有发送信号都是通过中央控制器14发生的。plc和块控制器的这种通过中央控制器14的间接通信耦合的优点是：允许它(中央控制器14)干预由plc进行的设定值参数控制，例如当为了安全性或其他原因需要超控(以及希望“退回”到基于限制参数控制)——包括例如临时或永久制造或生产线重新配置等。

鉴于上述内容，在一些实施例中，可以理解的是，plc18可以耦合到所有的块控制器(例如直接或间接地)，并且中央控制器可以使得plc动态地与各个块控制器通信耦合。实际上，该模式下的块控制器的子集随时间变化，使得它们中的不同分组(包括其所有或都不包括)在任何时候都可以在该模式下。

轨道10

图示的实施例的轨道10容纳了包括lsm电机的推进线圈20以及位置传感逻辑、功率电子元件和微处理器，这些微处理器充当单个的块22的控制器，即块控制器16。在图中，轨道10由粗的连续曲线表示；块22由覆盖在轨道上的稍细的虚线片段表示，每一个片段代表一个独立的块，并且这些片段一起代表组成轨道10的块；并且线圈由覆盖在块上的更细的虚线片段表示，每一个片段代表独立的线圈并且这些片段一起代表组成单个的块的线圈。为了避免混乱，在图中只标记了一个块和一个线圈。

导轨10可以以本领域已知的lsm轨道的方式构造-其根据本文的教导而改造-并且优选地，以通过参考结合的国际申请号pct/us2010/021839和美国专利申请12/692,441中所描述和示出的轨道的方式-其也根据本文的教导而改造。例如，在这方面特别参考上述的通过参考结合的申请的名为“轨道”、“低摩擦滑动表面”、“磁体阵列”和“线性推进电机”的部分，以及特别引用在那些部分提到的图。轨道10可以是一体化结构，尽管轨道10优选地由模块制造，例如，上述的通过参考结合的申请中的在名称为“轨道模块”的部分中以及在该部分涉及的图中描述的类型-其也根据本文的教导而改造。

图示的轨道10分成两类区域：基于设定值参数控制区域24和基于限制参数控制区域26。前者在图中由密集的虚线段表示(标记为24)，并且对应于轨道10中块控制器26被耦合到plc18(除开始耦合到中央控制器14的之外)的区域。限制参数控制区域通过类似的间隔较宽的虚线表示(标记为26)，并且对应于块控制器16显示为被耦合到中央控制器14而不是plc18的区域。

运载工具12

图示的实施例的运载工具12可以以本领域已知的lsm运载工具的方式构造-其根据此处的教导而改造-并且优选地，按照在上述的通过参考结合的申请中的例如名称为“轨道”的部分以及在该部分涉及的图中所描述和显示的运载工具的方式-其也根据此处的教导而改造。这样的运载工具可以是双转向架(double-bogey)设计，正如在通过参考结合的申请的上述部分中所讨论的，以及如根据其教导所改造的那样。

控制器

控制器14和16的软件可以是本领域中已知的类型，其根据此处教导而改造，并且，优选地，控制器14和16的软件可以是在上述通过参考结合的申请(例如，在名称为“线性推进电机”和“安装线圈和控制电路的pc板”中的部分)中描述的类型，其也根据此处教导而改造。

在图示的实施例中，每个块控制器16管理构成各自的块22的线圈20的电能，并且因此当运载工具12经过该块、更具体地说经过该块的各自的线圈20时，管理运载工具12的速度和加速度。为此，每个块控制器16决定各个运载工具何时进入和退出块和/或运载工具在该块中的位置。块控制器16然后给块的功率电子元件施加控制信号，以给运载工具正经过的线圈20提供电能，以实现所期望的速度和加速度。

每个块控制器16优选地通过监测各自的块的位置传感逻辑(例如，它可以是磁电、光或其他方式)和/或通过监测各自的块的运载工具识别逻辑电路(例如rfid或其他)确定运载工具的出现和位置。在一些实施例中，可替代地或额外地，以其他方式确定位置和/或识别信息。因此，例如该信息可以通过推理确定，例如基于由其他数据处理器14、16和18提供的信息。

随着运载工具的出现和位置的确定，块控制器16获取运载工具的速度和加速度设定值。这些设定值可以由plc18提供，例如，对于在轨道10的基于设定值参数控制区域24中的块22中的控制器16；或它们可以作为运载工具整体运动轨迹的一部分而由控制器16计算，例如，对于在轨道10的基于限制参数控制区域26中的块22中的控制器16。

无论如何，一旦块控制器16确定了运载工具经过各个块线圈20的速度和加速度设定值，块控制器16就给该块的功率电子元件施加控制信号以提供足以实现这些设定值的电流。那些受控的信号可以由块控制器16通过直接计算和/或通过使用dsp的或其他有关的逻辑来确定。而且，控制信号可以被应用到各个块22中的所有线圈20，虽然，优选地，控制信号仅仅应用于运载工具正在上面行驶的那些线圈。

图4示出了图1所示类型的优选的轨道和控制系统的进一步的方面。

基于限制参数控制区域26

如上面所提到的，运载工具12正经过的块控制器，例如示例的控制器16a能获取(实际上是计算出)运载工具的速度和加速度设定值，例如，对于在轨道10的基于限制参数控制区域26中的块22中的控制器16。

在这些区域，中央控制器14给块控制器(这里通过控制器16a和16b表示)提供基于限制参数，该块控制器进而利用该基于限制参数产生设定值。在图示的实施例中，那些基于限制参数是最终位置(图中的p(dest))、最大速度(v(max))和最大加速度(a(max))。在其他实施例中，可以利用更少或更多数量的基于限制参数，例如最终位置和最大速度；最终位置和最大加速度；加速度变化率(jerk)等等。

在一些实施例中，例如在图4所示类型中，中央控制器14响应于由plc(或主机)18产生的“命令”而产生基于限制参数。

在一些实施例中，由中央控制器14给每个运载工具的块控制器16a和16b提供一组独立的基于限制参数，因此，这些参数可以附有运载工具识别参数(转向架(bogey)id)。在其他实施例中，控制器14给所有运载工具的块控制器提供单一的一组参数。其他实施例的中央控制器14采用上述的组合。

根据基于限制参数，块控制器16a能够计算出描述运载工具的速度(v(set))和运载工具加速度(a(set))的设定值随位置(p(set))(或时间)变化的“运动轨迹”28，该运动轨迹28对以下方面是必要的：(i)在轨道10上移动运载工具到p(set)而不超过v(max)或a(max)；以及(ii)避免与在相同块22a和/或下游的块22b的运载工具碰撞。控制器16a能够对各个块22a上的所有的(或一些)运载工具位置这么做，或优选地，对运载工具的出现位置和最终位置(由相应地命名的参数所指定的)之间的轨道上的所有(或一些)位置这么做。

事实上，在一些实施例中，每个块控制器16a把更完全填充的运动轨迹传递到在运载工具在沿着轨道10的路径中的下游块22b的块控制器16b，由此，当运载工具经过它对应的块22b时，给下游控制器16b提供更新轨迹的条件，而不是完全重新计算。在该图中，块控制器16a示出仅仅通过表征运载工具在块22a上的运动的p(set)、v(set)和a(set)的最终值，而不是整个轨迹28。

在轨道10的基于限制参数控制区域26中实现的类型的运载工具12的运动控制的优点是其是分布式的和可改变的。例如，监测(潜在的)数十、数百或数千的运载工具12的精确的运动和计算运动轨迹所必须的处理能力能够分布在用于那些运载工具正经过的轨道的多个块22的块控制器16之间。通过进一步举例的方式，它减少了在中央控制器14和块控制器16之间传输控制信号、运动轨迹、运载工具位置和/或标识信息所需的带宽。

基于设定值参数控制区域24

同样如上所述，块控制器16能够直接从plc18获取经过的运载工具12的速度和加速度设定值，例如，在轨道10的基于设定值参数控制的区域24中的块22c中的控制器16c。这些区域中的块控制器16c和16d不需要计算经过它们各自的块22c和22d的运载工具的运动轨迹，而是可以依靠plc18获得用于确定功率控制信号所需的设定值数据，以及特别是在图示的实施例的增加的p(set)、v(set)和a(set)(统称轨迹数据)。

在一些实施例中，通过预告的方式，基于设定值参数控制区域24的块控制器16的作用可等同于那些基于限制参数控制区域，即计算经过的运载工具的运动控制轨迹并据此控制运动。这种情况例如为，当plc18和/或中央控制器14命令块控制器“后退”到基于限制参数控制器时，这例如是出于安全的原因，例如，在示出的所述的系统被用于“人员运输工具”应用中，以及操作人员和/或装置在plc控制(或在其他装置中)中检测出故障需要超控的实施例中。或在制造、生产线或实验室，同样在相关的装置或程序中有故障的地方，和/或块控制器检测到由基于设定值控制引起的潜在的碰撞并且为了基于限制控制将其超控的地方。事实上，可以基于每个运载工具地实现这样的后退或超控，例如，当plc18和/或中央控制器14命令块控制器对所检测的运载工具使用基于限制参数控制时，所述车辆例如被质保检验或其他不适于全过程方式的检测。

不管怎样，图2c示出了可以由现场工程师操作者(例如通过gui编辑器或其他方式)提供的种类的表格30，以利于在区域24中的运载工具12的plc控制。如表所示，该工程师(或其他人)可以通过给定位置(例如根据轨道距离确定，这里由标尺32表示)随时间(例如，从运载工具进入区域24或其他地方的时间确定)的变化而指定运载工具在区域中的运动。这样的表格可以通过合适的装置翻译或“移植”以供plc实时执行。

在轨道10的基于设定值参数控制区域24实现的类型的运载工具12的运动控制的一个优点是，这样的控制可以由plc精确地管理，可能地，与其他制造、生产线或其他实验室操作相一致。为了方便这种控制，在区域24中使用的轨道(或模块)可以包括适于(a)承载从plc18至块控制器16的控制信号和数据，以及(b)承载从区域24的块20中的传感器至plc18的运载工具位置和/或标识信息的更高的带宽布线和附加端口。例如，这种“更高”带宽和“附加”端口是相对于轨道的基于限制参数控制区域26中的这部分轨道而言的。

可替换配置

根据本发明的轨道和运输系统可以以多种方式进行配置。如图1所示，这样的轨道10可以具有通常被配置为基于限制参数控制的主“导轨”部分(这里是椭圆形)。然而，如该图所示，主导轨可以具有至少一个配置为基于设定值参数控制的区域。此外，该导轨的辅助装载区域(由分枝和合并轨道部分所限定)也可以被配置为基于设定值参数控制。

图3示出了可以使用的轨道的另一种结构，例如，以控制双转向架(bogey)运载工具32的方向。在这种结构中，轨道的主导轨部分是伸长的椭圆形，在伸长的椭圆形上使用基于限制参数控制。这适用于实现运载工具的运动和方向，当运载工具32沿着椭圆的“长”边行进时，使得运载工具的主轴32a大体平行于轨道10a的伸长的轴。

如上所述的系统和方法满足了上述的目的。可以理解的是，所示的实施例仅仅是本发明的示例，并且其他的实施例，包括其中改变，通过本发明的范围是可预想的。

因此，举例来说，虽然各种数字数据处理器，即中央(或节点)控制器14，块(或电机)控制器16以及plc18在这里分别被示出和讨论，可以理解的是，在本发明的实施例中，它们中的一个或多个可以共同封装和/或归因于它们的一个或多个的功能可以通过其他装置提供，反之亦然。因此，例如，在一些实施例中，在这里讨论的块控制器16的功能可以由中央控制器14提供；plc的功能可以由中央控制器14提供或反之亦然，所有作为非限制性的例子。

通过进一步的例子，在一些实施例中，移动通过基于设定值参数控制区域的运载工具不需要由plc/主机接收以用于基于设定值控制。而是，plc/主机能够使用这一区域的任何部分用于基于设定值参数控制，并且事实上能够使用这一区域的多个部分用于这一目的(例如作为多个较短的(不相交)基于设定值控制区域)。

同样，在一些这样的实施例中，plc/主机能够在这些区域在逐个运载工具的基础上主张基于设定值控制，例如，在一些运载工具而不是在该区域中其他运载工具上主张基于设定值控制。

结果，例如，在基于限制控制下移动的运载工具可以移动通过表面上基于设定值参数控制区域(没有plc/主机在其上主张的基于设定值控制)，并且对那个区域内的在它之前的基于设定值控制的运载工具，将展现防碰撞行为(例如，只要这些基于设定值控制的运载工具不向后移动)。利用在表面上基于设定值参数控制区域中的这种控制方案的优点是，其中的基于限制控制的运载工具和基于设定值控制的运载工具将“好好相处”(例如不碰撞)。