北航自動化專業(yè)開題報告.doc

畢業(yè)設計(論文)開題報告題 目：灌裝車間數(shù)字生產線伺服控制系統(tǒng)方案研究 學生姓名：孫文彬 學 號： 041642213 專 業(yè)： 自動化 指導教師： 李爭 2008年 3月 20 日畢業(yè)設計（論文）開題報告1 文獻綜述1.1 本課題的意義自1971年日本學者首次提出機電一體化(Mechatronics)這一概念以來，機電一體化技術經歷了三十多年的發(fā)展，其內涵隨科技的發(fā)展不斷更新。70年代，主要是指機械與電子的簡單結合。機電一體化產品也較簡單。主要涉及到高性能的伺服技術。如自動售貨機、自動相機等。在80年代，高性能微處理器的出現(xiàn)立即在機電一體化產品中得到應用，大大提高了機電一體化產品的自動化、智能化程度改善了產品性能。數(shù)控機床、工業(yè)機器人等是那個時代的典型機電一體化產品。進入90年代，計算機網絡和通訊技術的迅速發(fā)展，使機電一體化系統(tǒng)向著智能化和自動化方向發(fā)展。此時機電一體化已不只是機械裝置和電子裝置的簡單組合，而是機械、電子、控制、光學、信息和計算機等技術的相互交叉和融合。機電一體化產品也更加多樣化，應用更加廣泛。伺服系統(tǒng)用來精確地跟隨或復現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)，又稱隨動系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機械位移（或轉角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉角)伺服系統(tǒng)的結構組成。伺服系統(tǒng)最初用于船舶的自動駕駛、火炮控制和指揮儀中，后來逐漸推廣到很多領域，特別是自動車床、天線位置控制、導彈和飛船的制導等。沒有任何一種驅動能像伺服驅動器一樣體現(xiàn)現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展。它不僅擁有傳統(tǒng)驅動器固有的驅動特性，而且正越來越多地參與系統(tǒng)的控制任務。采用伺服系統(tǒng)主要是為了達到下面幾個目的：以小功率指令信號去控制大功率負載。火炮控制和船舵控制就是典型的例子。在沒有機械連接的情況下，由輸入軸控制位于遠處的輸出軸，實現(xiàn)遠距同步傳動。使輸出機械位移精確地跟蹤電信號，如記錄和指示儀表等?，F(xiàn)在伺服驅動器主要用于機床，精密機械，物流設備和工業(yè)機器人的定位控制?，F(xiàn)在，一些要求精確定位或多軸同步運轉的系統(tǒng)，如印刷，輸送裝置和切割機中也越來越多地開始使用伺服驅動器。在上述應用中，伺服驅動器，電機，和機械組件構成了一個緊湊的系統(tǒng)，并被認為是一個獨立的整體。隨著工藝的日益復雜，以及現(xiàn)代工業(yè)對自動化設備生產效率要求的日益提高，高品質，高性能的伺服驅動控制器的應用也越來越廣泛。這種先進的驅動器將降低成本，提高效率產生深遠的影響?，F(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)，經歷了從模擬到數(shù)字化的轉變，數(shù)字控制環(huán)已經無處不在，比如換相、電流、速度和位置控制；采用新型功率半導體器件、高性能DSP加FPGA、以及伺服專用模塊(比如IR推出的伺服控制專用引擎)也不足為奇。國際廠商伺服產品每5年就會換代，新的功率器件或模塊每22.5年就會更新一次，新的軟件算法則日新月異，總之產品生命周期越來越短?？偨Y國內外伺服廠家的技術路線和產品路線，結合市場需求的變化，可以看到一些最新發(fā)展趨勢。交流伺服系統(tǒng)的市場范圍不斷擴大，越來越多取代機械傳動、液壓和氣動傳動系統(tǒng)；交流伺服不斷取代直流伺服的市場份額，導致直流伺服在整個伺服市場的占有率從目前的不到15每年大約下降0.5%；同時交流伺服成本和尺寸不斷縮小，也在蠶食高端步進電機的市場，但是步進電機本身也在不斷提高自己的競爭能力，不斷延伸市場空間，因此在收到沖擊的同時市場也在擴大，只是速度可能不如交流伺服這么快而已。1.2國內外發(fā)展現(xiàn)狀1800年伏特發(fā)明電池，是電氣出現(xiàn)的開端，電動機的誕生和發(fā)展在這之后可以分成幾個階段。從1820年一直到整個19世紀末葉，發(fā)現(xiàn)了電磁現(xiàn)象以及相關的各種法則，誕生了交流電機的原型，并確立了電機的工業(yè)運用。從20世紀開始一直到1970年代，是電動機的成長和成熟期，有刷直流電機、感應電動機、同步電動機和步進電動機等各種電機相繼誕生，半導體驅動技術和電子控制概念引入，帶來變頻驅動的實用化。從1970年代到20世紀末期，計算技術的飛躍發(fā)展為發(fā)展高性能驅動帶來了機會，隨著設計、評價、測量、控制、功率半導體、軸承、磁性材料、絕緣材料、制造加工技術的不斷進步，電動機本體經歷了輕量化、小型化、高效化、高力矩輸出、低噪音振動、高可靠、低成本等一系列變革，相應的驅動和控制裝置也更加智能化和程序化。進入21世紀，在以多媒體和互聯(lián)網為特征的信息時代，電動機和驅動裝置繼續(xù)發(fā)揮支撐作用，向節(jié)約資源、環(huán)境友好、高效節(jié)能運行的方向發(fā)展。交流伺服系統(tǒng)的相關技術，一直隨著用戶的需求而不斷發(fā)展。電動機、驅動、傳感和控制技術等關聯(lián)技術的不斷變化、造就了各種各樣的配置。就電動機而言，可以采用盤式電機、無鐵芯電機、直線電機、外轉子電機等，驅動器可以采用各種功率電子元件，傳感和反饋裝置可以是不同精度、性能的編碼器、旋變和霍爾元件甚至是無傳感器技術，控制技術從采用單片機開始，一直到采用高性能DSP和各種可編程模塊，以及現(xiàn)代控制理論的實用化等等。我們從2005年11月在德國紐倫堡舉辦的SPS/IPC/Drives展覽上可以看到世界范圍內電氣驅動、運動控制和相關軟件的最新情況，其中交流伺服產品的亮點很多，代表了當前的國際水平。根據(jù)ARC 2001年的報告，當年全球伺服驅動的市場規(guī)模是20.67億美元，01年到06年的復合增長率在7以上，預計全球伺服系統(tǒng)的市場規(guī)模在2006年會達到29億美金左右(這個預測包括了交流伺服和步進電機)?，F(xiàn)在回過頭來看，恐怕已經不止這個數(shù)據(jù)，這中間經歷了911等因素造成的02、03年的市場衰退和04年之后的恢復性增長。預計未來幾年增長率會有所提高。國內交流伺服的市場規(guī)模2006年估計在20億人民幣左右，市場規(guī)模近3年一直保持了大于25的年復合增長率，在所有自動化產品中當屬發(fā)展最快之列。而且隨著世界制造業(yè)加速向中國轉移，國產數(shù)控裝備在國家政策的扶持下快速向高性能、高附加值發(fā)展，國產交流伺服系統(tǒng)的性價比快速提高，交流伺服系統(tǒng)的市場會繼續(xù)保持快速增長的勢頭，預計從2007到2010年，年平均增長率會維持在20以上。但是平均單價也將隨著競爭加劇不斷下降，每年大約下降10。 中國伺服產品的用戶區(qū)域主要分布在華東、華南和華北，其中華東市場(上海、江浙和山東)占45，以廣東為主的華南和以京津為主的華北各為15左右。華中和東北大約是10。華東市場是伺服最大的消費市場，而且這個趨勢會持續(xù)下去。 國內交流伺服的市場規(guī)模2006年估計在20億人民幣左右，市場規(guī)模近3年一直保持了大于25的年復合增長率，在所有自動化產品中當屬發(fā)展最快之列。而且隨著世界制造業(yè)加速向中國轉移，國產數(shù)控裝備在國家政策的扶持下快速向高性能、高附加值發(fā)展，國產交流伺服系統(tǒng)的性價比快速提高，交流伺服系統(tǒng)的市場會繼續(xù)保持快速增長的勢頭，預計從2007到2010年，年平均增長率會維持在20以上。但是平均單價也將隨著競爭加劇不斷下降，每年大約下降10。本設計選用德國LENZE技術，故特別說明：德國倫茨(Lenze)公司成立于1947年，自成立之日起，倫茨始終站在傳動技術發(fā)展的前列，其產品的設計理念和技術水平始終處于同行業(yè)領先地位。在傳動產品的開發(fā)和制造過程中，倫茨始終遵循通用性、開放性、靈活性的原則?，F(xiàn)代化大規(guī)模生產手段和精湛的制造工藝造就了具有優(yōu)異特性的倫茨傳動產品。精良的產品質量和完善的服務使倫茨深得各界用戶之信賴。經過半個多世紀的不懈努力，倫茨已躋身于世界知名的傳動產品專業(yè)制造商行列，產品遍布世界各國。其雇員總數(shù)已達3,000人，并在50多個國家設立了分公司或辦事機構。多年來，倫茨公司積累了豐富的工業(yè)傳動專業(yè)技術應用經驗，并擅長在此基礎上為用戶提供傳動系統(tǒng)的交鑰匙工程。 倫茨公司在中國的業(yè)務開始于20世紀60年代，時至今日，倫茨公司已在中國豎立了良好的品牌形象，成為在中國自動化傳動領域占有相當市場份額的主流品牌之一。其業(yè)務范圍遍及紡織、包裝、印刷、汽車、鋼鐵、礦山、煙草等幾乎所有機器制造行業(yè)。 經過幾年的努力，倫茨已在中國建立起一個結構嚴謹、高效運作的市場銷售體系。嚴格的市場管理和靈活的銷售策略，將使客戶的利益得到最強有力的保護。 高素質的人才和高質量的管理已使倫茨成長為一個高效運作的堅強集體，并已逐步建立起完善的市場服務體系，我們已相繼組建了由專業(yè)技術人員組成的自動化工程設計隊伍，客戶服務中心，文檔/信息中心，以及囊括了所有倫茨當前主流產品的傳動技術實驗室，同時，倫茨已在中國建成了現(xiàn)代化的集倉儲、物流功能于一身的大型產品庫，充足的貨源、科學的管理將使用戶得到比以往更加快捷的產品服務。本設計采用的伺服驅動系統(tǒng)的主要選型器件及相關技術操作手冊均來自德國LENZE傳動技術公司，在此表示感謝。參 考 文 獻1 陳輝堂。數(shù)字控制系統(tǒng).西安：西安交通大學出版社，19862 金鈺，胡佑德，李向春，伺服系統(tǒng)設計指導.北京：北京理工大學出版社，20003 劉勝，彭俠夫，葉瑰鈞?，F(xiàn)代伺服系統(tǒng)設計.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，20014 王成元，周姜文，郭慶鼎.矢量控制交流伺服驅動電動機.北京：機械工業(yè)出版社，19955 H Le-Huy,and LA Dessaint.An sdaptive current control scheme for PWM synchronous motor drives:Analysis and simulation.IEEE Trans.POWER electron.1989,4:486-495.6 I Boldea,Z X Fu,S A Nasar.Performance evaluation of axially laminated anisotropic(ALA)rotor,reluctance,synehronous,motors.IEEE,Trans.Ind.Appliant.1994,30:9779857 LENZE 操作手冊 693013 CN 9300系列交流伺服驅動系統(tǒng)0.37-75KW8 LENZE 操作手冊 7AC032 CN9 LENZE 操作手冊 693P31 CN 9300EP位置型伺服控制器10 LENZE Intelligent automation Evs9300U-PRUE 411 242-EDS 9300UE-PC 00411235-Manual part C.-Commissioning During operation.11 LENZE-Variable speed Drives for Automation-Dr.-Ing.peter F.Brosch2 本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段及途徑2.1課題要求 數(shù)字伺服控制也稱隨動系統(tǒng)，是應用數(shù)字控制器來控制被控對象的某種狀態(tài)，使其能自動地，連續(xù)地，精確地復現(xiàn)輸入信號的變化規(guī)律，它通常是閉環(huán)控制系統(tǒng)。在灌裝生產線上，利用伺服控制系統(tǒng)。過兩軸聯(lián)動控制實現(xiàn)無PLC的罐裝控制，精確調節(jié)進給螺桿和傳送帶，控制定量給料單元來描述不同的灌裝單元，真正實現(xiàn)不停滯灌裝，大大提高了利用率和生產能力。有效降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應性，實現(xiàn)方案簡單易操作。1、查閱相關論文（書籍），了解電氣伺服控制系統(tǒng)的結構及工作原理；2、根據(jù)FA機械傳動系統(tǒng)的要求，確定控制策略的方案；3、對工藝做簡單介紹，實現(xiàn)方案介紹，硬件配置，控制器功能介紹，主電路圖，控制電路圖，控制邏輯和控制程序（包括個位置的計算），調試步驟，現(xiàn)場工作結論；4、按照學校有關文件的要求完成畢業(yè)設計及前期材料。2.2 擬采用的手段和方法2.2.1系統(tǒng)構成2.2.2系統(tǒng)流程設計及相關軟件(1) 研究手段本課題的主要研究對永磁同步電機的結構及其數(shù)學模型進行了探討，研究了空間矢量脈寬調制的實現(xiàn)方法；對控制器局域網(CAN)總線技術在伺服系統(tǒng)中的應用進行了研究。包括通訊協(xié)議的研究及接口電路的硬件實現(xiàn)；基于電機控制專用伺服控制器，本文研制開發(fā)了一套帶有CAN接口的全數(shù)字交流永磁伺服系統(tǒng)。包括LENZE9300伺服控制器的軟硬件的使用；對交流伺服控制系統(tǒng)的智能控制策略進行了研究。聯(lián)系實際對某工廠提出的設計要求，設計伺服控制系統(tǒng)。圖1 基本流程圖在設計框架方面本人擬采取2塊9300EP伺服控制器分別控制兩組電機，將研究重點放在參數(shù)的選型上，在安裝環(huán)境，設計要求，國外標準，根據(jù)電機選擇控制器，涉及到濾波，PTI保護?？偩€在接口方面，分為AIF自動化接口和FIF功能模塊接口，用到CAN，PROFIBUS，I/O模塊，A/D輸出輸入等相關知識。在流水線檢測方面，本人考慮了相對速度，容器規(guī)格，位置量，流量等方面。計劃中要完成的問題還涉及到直流并聯(lián)共母線的接法的選擇，濾波器的選擇，CAD繪制電氣工程圖。參閱LENZE技術操作手冊，掌握GDC，DSC等相關自動化軟件的使用方法。 (2) 基于伺服控制系統(tǒng)的控制研究在灌裝生產線中，要求精確地確定每個灌裝過程的灌裝速度。采用LENZE9400伺服驅動器（0，37-75KW）可以的到最佳灌裝效果?？蓪?種適應于不同瓶型的灌裝曲線直接存儲于伺服驅動器的內部；必要時，曲線功能可立即在線關閉；位置曲線可在線調整（曲線延展，壓縮，偏置等）?？刂品绞降难芯浚核俣瓤刂疲D矩控制，位置控制，糾編控制等幾個方面展開研究。用到的伺服PLC支持多種工業(yè)總線：LECOM-A/B，LECOM-LI，INTERBUS，INTERBUS-LOOP，PROFIBUS-DP，DeviceNet,CANopen,LON.GDC軟件系統(tǒng)支持5種通用的編程模式，無須從新學習編程語言。圖2 9400數(shù)字魔方（3）控制器編程PositionServo:PositionServo是一種可編程數(shù)字驅動器/運動控制器，可以配置為