北航自動化專業(yè)開題報告.doc

畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告題 目：灌裝車間數(shù)字生產(chǎn)線伺服控制系統(tǒng)方案研究 學(xué)生姓名：孫文彬 學(xué) 號： 041642213 專 業(yè)： 自動化 指導(dǎo)教師： 李爭 2008年 3月 20 日畢業(yè)設(shè)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(xué)者首次提出機電一體化(Mechatronics)這一概念以來，機電一體化技術(shù)經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展，其內(nèi)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(jié)合。機電一體化產(chǎn)品也較簡單。主要涉及到高性能的伺服技術(shù)。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(chǎn)品中得到應(yīng)用，大大提高了機電一體化產(chǎn)品的自動化、智能化程度改善了產(chǎn)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(chǎn)品。進入90年代，計算機網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)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(xué)、信息和計算機等技術(shù)的相互交叉和融合。機電一體化產(chǎn)品也更加多樣化，應(yīng)用更加廣泛。伺服系統(tǒng)用來精確地跟隨或復(fù)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(zhuǎn)角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角)伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(lǐng)域，特別是自動車床、天線位置控制、導(dǎo)彈和飛船的制導(dǎo)等。沒有任何一種驅(qū)動能像伺服驅(qū)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(qū)動器固有的驅(qū)動特性，而且正越來越多地參與系統(tǒng)的控制任務(wù)。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?；鹋诳刂坪痛婵刂凭褪堑湫偷睦印Ｔ跊]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(qū)動器主要用于機床，精密機械，物流設(shè)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(zhuǎn)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(qū)動器。在上述應(yīng)用中，伺服驅(qū)動器，電機，和機械組件構(gòu)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(fù)雜，以及現(xiàn)代工業(yè)對自動化設(shè)備生產(chǎn)效率要求的日益提高，高品質(zhì)，高性能的伺服驅(qū)動控制器的應(yīng)用也越來越廣泛。這種先進的驅(qū)動器將降低成本，提高效率產(chǎn)生深遠的影響。現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)，經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字化的轉(zhuǎn)變，數(shù)字控制環(huán)已經(jīng)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(dǎo)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(chǎn)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(chǎn)品生命周期越來越短?？偨Y(jié)國內(nèi)外伺服廠家的技術(shù)路線和產(chǎn)品路線，結(jié)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(dǎo)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?jīng)_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(nèi)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(guān)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(yīng)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(dǎo)體驅(qū)動技術(shù)和電子控制概念引入，帶來變頻驅(qū)動的實用化。從1970年代到20世紀末期，計算技術(shù)的飛躍發(fā)展為發(fā)展高性能驅(qū)動帶來了機會，隨著設(shè)計、評價、測量、控制、功率半導(dǎo)體、軸承、磁性材料、絕緣材料、制造加工技術(shù)的不斷進步，電動機本體經(jīng)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(yīng)的驅(qū)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(wǎng)為特征的信息時代，電動機和驅(qū)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(guān)技術(shù)，一直隨著用戶的需求而不斷發(fā)展。電動機、驅(qū)動、傳感和控制技術(shù)等關(guān)聯(lián)技術(shù)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(zhuǎn)子電機等，驅(qū)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(shù)，控制技術(shù)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(nèi)電氣驅(qū)動、運動控制和相關(guān)軟件的最新情況，其中交流伺服產(chǎn)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(qū)動的市場規(guī)模是20.67億美元，01年到06年的復(fù)合增長率在7以上，預(yù)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(yù)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(jīng)不止這個數(shù)據(jù)，這中間經(jīng)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(fù)性增長。預(yù)計未來幾年增長率會有所提高。國內(nèi)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(fù)合增長率，在所有自動化產(chǎn)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(zhuǎn)移，國產(chǎn)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(chǎn)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(yù)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(chǎn)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(nèi)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(fù)合增長率，在所有自動化產(chǎn)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(zhuǎn)移，國產(chǎn)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(chǎn)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(yù)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(shè)計選用德國LENZE技術(shù)，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(shù)發(fā)展的前列，其產(chǎn)品的設(shè)計理念和技術(shù)水平始終處于同行業(yè)領(lǐng)先地位。在傳動產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品。精良的產(chǎn)品質(zhì)量和完善的服務(wù)使倫茨深得各界用戶之信賴。經(jīng)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(chǎn)品專業(yè)制造商行列，產(chǎn)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(shè)立了分公司或辦事機構(gòu)。多年來，倫茨公司積累了豐富的工業(yè)傳動專業(yè)技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗，并擅長在此基礎(chǔ)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(wù)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(lǐng)域占有相當市場份額的主流品牌之一。其業(yè)務(wù)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(jīng)過幾年的努力，倫茨已在中國建立起一個結(jié)構(gòu)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(zhì)的人才和高質(zhì)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(wù)體系，我們已相繼組建了由專業(yè)技術(shù)人員組成的自動化工程設(shè)計隊伍，客戶服務(wù)中心，文檔/信息中心，以及囊括了所有倫茨當前主流產(chǎn)品的傳動技術(shù)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(chǎn)品庫，充足的貨源、科學(xué)的管理將使用戶得到比以往更加快捷的產(chǎn)品服務(wù)。本設(shè)計采用的伺服驅(qū)動系統(tǒng)的主要選型器件及相關(guān)技術(shù)操作手冊均來自德國LENZE傳動技術(shù)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(xué)出版社，19862 金鈺，胡佑德，李向春，伺服系統(tǒng)設(shè)計指導(dǎo).北京：北京理工大學(xué)出版社，20003 劉勝，彭俠夫，葉瑰鈞。現(xiàn)代伺服系統(tǒng)設(shè)計.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，20014 王成元，周姜文，郭慶鼎.矢量控制交流伺服驅(qū)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(qū)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(yīng)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(fù)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(chǎn)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(diào)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(chǎn)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(yīng)性，實現(xiàn)方案簡單易操作。1、查閱相關(guān)論文（書籍），了解電氣伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(diào)試步驟，現(xiàn)場工作結(jié)論；4、按照學(xué)校有關(guān)文件的要求完成畢業(yè)設(shè)計及前期材料。2.2 擬采用的手段和方法2.2.1系統(tǒng)構(gòu)成2.2.2系統(tǒng)流程設(shè)計及相關(guān)軟件(1) 研究手段本課題的主要研究對永磁同步電機的結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型進行了探討，研究了空間矢量脈寬調(diào)制的實現(xiàn)方法；對控制器局域網(wǎng)(CAN)總線技術(shù)在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)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(shè)計要求，設(shè)計伺服控制系統(tǒng)。圖1 基本流程圖在設(shè)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(shè)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(guān)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(shù)操作手冊，掌握GDC，DSC等相關(guān)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(chǎn)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(qū)動器（0，37-75KW）可以的到最佳灌裝效果?？蓪?種適應(yīng)于不同瓶型的灌裝曲線直接存儲于伺服驅(qū)動器的內(nèi)部；必要時，曲線功能可立即在線關(guān)閉；位置曲線可在線調(diào)整（曲線延展，壓縮，偏置等）?？刂品绞降难芯浚核俣瓤刂疲D(zhuǎn)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(xué)習(xí)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(qū)動器/運動控制器，可以配置為