北航自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)開(kāi)題報(bào)告.doc

畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告題 目：灌裝車(chē)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(hào)： 041642213 專(zhuān) 業(yè)： 自動(dòng)化 指導(dǎo)教師： 李爭(zhēng) 2008年 3月 20 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告1 文獻(xiàn)綜述1.1 本課題的意義自1971年日本學(xué)者首次提出機(jī)電一體化(Mechatronics)這一概念以來(lái)，機(jī)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(jī)械與電子的簡(jiǎn)單結(jié)合。機(jī)電一體化產(chǎn)品也較簡(jiǎn)單。主要涉及到高性能的伺服技術(shù)。如自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)相機(jī)等。在80年代，高性能微處理器的出現(xiàn)立即在機(jī)電一體化產(chǎn)品中得到應(yīng)用，大大提高了機(jī)電一體化產(chǎn)品的自動(dòng)化、智能化程度改善了產(chǎn)品性能。數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等是那個(gè)時(shí)代的典型機(jī)電一體化產(chǎn)品。進(jìn)入90年代，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，使機(jī)電一體化系統(tǒng)向著智能化和自動(dòng)化方向發(fā)展。此時(shí)機(jī)電一體化已不只是機(jī)械裝置和電子裝置的簡(jiǎn)單組合，而是機(jī)械、電子、控制、光學(xué)、信息和計(jì)算機(jī)等技術(shù)的相互交叉和融合。機(jī)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(lái)精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過(guò)程的反饋控制系統(tǒng)，又稱(chēng)隨動(dòng)系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專(zhuān)指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機(jī)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(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)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(dòng)駕駛、火炮控制和指揮儀中，后來(lái)逐漸推廣到很多領(lǐng)域，特別是自動(dòng)車(chē)床、天線位置控制、導(dǎo)彈和飛船的制導(dǎo)等。沒(méi)有任何一種驅(qū)動(dòng)能像伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)器固有的驅(qū)動(dòng)特性，而且正越來(lái)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(dá)到下面幾個(gè)目的：以小功率指令信號(hào)去控制大功率負(fù)載?；鹋诳刂坪痛婵刂凭褪堑湫偷睦?。在沒(méi)有機(jī)械連接的情況下，由輸入軸控制位于遠(yuǎn)處的輸出軸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距同步傳動(dòng)。使輸出機(jī)械位移精確地跟蹤電信號(hào)，如記錄和指示儀表等。現(xiàn)在伺服驅(qū)動(dòng)器主要用于機(jī)床，精密機(jī)械，物流設(shè)備和工業(yè)機(jī)器人的定位控制?，F(xiàn)在，一些要求精確定位或多軸同步運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)，如印刷，輸送裝置和切割機(jī)中也越來(lái)越多地開(kāi)始使用伺服驅(qū)動(dòng)器。在上述應(yīng)用中，伺服驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)，和機(jī)械組件構(gòu)成了一個(gè)緊湊的系統(tǒng)，并被認(rèn)為是一個(gè)獨(dú)立的整體。隨著工藝的日益復(fù)雜，以及現(xiàn)代工業(yè)對(duì)自動(dòng)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(dòng)控制器的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。這種先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)器將降低成本，提高效率產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響?，F(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(wú)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(zhuān)用模塊(比如IR推出的伺服控制專(zhuān)用引擎)也不足為奇。國(guó)際廠商伺服產(chǎn)品每5年就會(huì)換代，新的功率器件或模塊每22.5年就會(huì)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(lái)越短?？偨Y(jié)國(guó)內(nèi)外伺服廠家的技術(shù)路線和產(chǎn)品路線，結(jié)合市場(chǎng)需求的變化，可以看到一些最新發(fā)展趨勢(shì)。交流伺服系統(tǒng)的市場(chǎng)范圍不斷擴(kuò)大，越來(lái)越多取代機(jī)械傳動(dòng)、液壓和氣動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)；交流伺服不斷取代直流伺服的市場(chǎng)份額，導(dǎo)致直流伺服在整個(gè)伺服市場(chǎng)的占有率從目前的不到15每年大約下降0.5%；同時(shí)交流伺服成本和尺寸不斷縮小，也在蠶食高端步進(jìn)電機(jī)的市場(chǎng)，但是步進(jìn)電機(jī)本身也在不斷提高自己的競(jìng)爭(zhēng)能力，不斷延伸市場(chǎng)空間，因此在收到?jīng)_擊的同時(shí)市場(chǎng)也在擴(kuò)大，只是速度可能不如交流伺服這么快而已。1.2國(guó)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(kāi)端，電動(dòng)機(jī)的誕生和發(fā)展在這之后可以分成幾個(gè)階段。從1820年一直到整個(gè)19世紀(jì)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(jī)的原型，并確立了電機(jī)的工業(yè)運(yùn)用。從20世紀(jì)開(kāi)始一直到1970年代，是電動(dòng)機(jī)的成長(zhǎng)和成熟期，有刷直流電機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等各種電機(jī)相繼誕生，半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)技術(shù)和電子控制概念引入，帶來(lái)變頻驅(qū)動(dòng)的實(shí)用化。從1970年代到20世紀(jì)末期，計(jì)算技術(shù)的飛躍發(fā)展為發(fā)展高性能驅(qū)動(dòng)帶來(lái)了機(jī)會(huì)，隨著設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)、測(cè)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(jìn)步，電動(dòng)機(jī)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(dòng)、高可靠、低成本等一系列變革，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)和控制裝置也更加智能化和程序化。進(jìn)入21世紀(jì)，在以多媒體和互聯(lián)網(wǎng)為特征的信息時(shí)代，電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)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(yùn)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(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)、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(dòng)機(jī)而言，可以采用盤(pán)式電機(jī)、無(wú)鐵芯電機(jī)、直線電機(jī)、外轉(zhuǎn)子電機(jī)等，驅(qū)動(dòng)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(wú)傳感器技術(shù)，控制技術(shù)從采用單片機(jī)開(kāi)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(shí)用化等等。我們從2005年11月在德國(guó)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(dòng)、運(yùn)動(dòng)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(diǎn)很多，代表了當(dāng)前的國(guó)際水平。根據(jù)ARC 2001年的報(bào)告，當(dāng)年全球伺服驅(qū)動(dòng)的市場(chǎng)規(guī)模是20.67億美元，01年到06年的復(fù)合增長(zhǎng)率在7以上，預(yù)計(jì)全球伺服系統(tǒng)的市場(chǎng)規(guī)模在2006年會(huì)達(dá)到29億美金左右(這個(gè)預(yù)測(cè)包括了交流伺服和步進(jìn)電機(jī))?，F(xiàn)在回過(guò)頭來(lái)看，恐怕已經(jīng)不止這個(gè)數(shù)據(jù)，這中間經(jīng)歷了911等因素造成的02、03年的市場(chǎng)衰退和04年之后的恢復(fù)性增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)未來(lái)幾年增長(zhǎng)率會(huì)有所提高。國(guó)內(nèi)交流伺服的市場(chǎng)規(guī)模2006年估計(jì)在20億人民幣左右，市場(chǎng)規(guī)模近3年一直保持了大于25的年復(fù)合增長(zhǎng)率，在所有自動(dòng)化產(chǎn)品中當(dāng)屬發(fā)展最快之列。而且隨著世界制造業(yè)加速向中國(guó)轉(zhuǎn)移，國(guó)產(chǎn)數(shù)控裝備在國(guó)家政策的扶持下快速向高性能、高附加值發(fā)展，國(guó)產(chǎn)交流伺服系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比快速提高，交流伺服系統(tǒng)的市場(chǎng)會(huì)繼續(xù)保持快速增長(zhǎng)的勢(shì)頭，預(yù)計(jì)從2007到2010年，年平均增長(zhǎng)率會(huì)維持在20以上。但是平均單價(jià)也將隨著競(jìng)爭(zhēng)加劇不斷下降，每年大約下降10。 中國(guó)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(chǎng)(上海、江浙和山東)占45，以廣東為主的華南和以京津?yàn)橹鞯娜A北各為15左右。華中和東北大約是10。華東市場(chǎng)是伺服最大的消費(fèi)市場(chǎng)，而且這個(gè)趨勢(shì)會(huì)持續(xù)下去。 國(guó)內(nèi)交流伺服的市場(chǎng)規(guī)模2006年估計(jì)在20億人民幣左右，市場(chǎng)規(guī)模近3年一直保持了大于25的年復(fù)合增長(zhǎng)率，在所有自動(dòng)化產(chǎn)品中當(dāng)屬發(fā)展最快之列。而且隨著世界制造業(yè)加速向中國(guó)轉(zhuǎn)移，國(guó)產(chǎn)數(shù)控裝備在國(guó)家政策的扶持下快速向高性能、高附加值發(fā)展，國(guó)產(chǎn)交流伺服系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比快速提高，交流伺服系統(tǒng)的市場(chǎng)會(huì)繼續(xù)保持快速增長(zhǎng)的勢(shì)頭，預(yù)計(jì)從2007到2010年，年平均增長(zhǎng)率會(huì)維持在20以上。但是平均單價(jià)也將隨著競(jìng)爭(zhēng)加劇不斷下降，每年大約下降10。本設(shè)計(jì)選用德國(guó)LENZE技術(shù)，故特別說(shuō)明：德國(guó)倫茨(Lenze)公司成立于1947年，自成立之日起，倫茨始終站在傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展的前列，其產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)水平始終處于同行業(yè)領(lǐng)先地位。在傳動(dòng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和制造過(guò)程中，倫茨始終遵循通用性、開(kāi)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(dòng)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(lài)。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的不懈努力，倫茨已躋身于世界知名的傳動(dòng)產(chǎn)品專(zhuān)業(yè)制造商行列，產(chǎn)品遍布世界各國(guó)。其雇員總數(shù)已達(dá)3,000人，并在50多個(gè)國(guó)家設(shè)立了分公司或辦事機(jī)構(gòu)。多年來(lái)，倫茨公司積累了豐富的工業(yè)傳動(dòng)專(zhuān)業(yè)技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并擅長(zhǎng)在此基礎(chǔ)上為用戶提供傳動(dòng)系統(tǒng)的交鑰匙工程。 倫茨公司在中國(guó)的業(yè)務(wù)開(kāi)始于20世紀(jì)60年代，時(shí)至今日，倫茨公司已在中國(guó)豎立了良好的品牌形象，成為在中國(guó)自動(dòng)化傳動(dòng)領(lǐng)域占有相當(dāng)市場(chǎng)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(chē)、鋼鐵、礦山、煙草等幾乎所有機(jī)器制造行業(yè)。 經(jīng)過(guò)幾年的努力，倫茨已在中國(guó)建立起一個(gè)結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、高效運(yùn)作的市場(chǎng)銷(xiāo)售體系。嚴(yán)格的市場(chǎng)管理和靈活的銷(xiāo)售策略，將使客戶的利益得到最強(qiáng)有力的保護(hù)。 高素質(zhì)的人才和高質(zhì)量的管理已使倫茨成長(zhǎng)為一個(gè)高效運(yùn)作的堅(jiān)強(qiáng)集體，并已逐步建立起完善的市場(chǎng)服務(wù)體系，我們已相繼組建了由專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員組成的自動(dòng)化工程設(shè)計(jì)隊(duì)伍，客戶服務(wù)中心，文檔/信息中心，以及囊括了所有倫茨當(dāng)前主流產(chǎn)品的傳動(dòng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，同時(shí)，倫茨已在中國(guó)建成了現(xiàn)代化的集倉(cāng)儲(chǔ)、物流功能于一身的大型產(chǎn)品庫(kù)，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(jì)采用的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要選型器件及相關(guān)技術(shù)操作手冊(cè)均來(lái)自德國(guó)LENZE傳動(dòng)技術(shù)公司，在此表示感謝。參 考 文 獻(xiàn)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(jì)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(jì).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(dòng)電動(dòng)機(jī).北京：機(jī)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(cè) 693013 CN 9300系列交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)0.37-75KW8 LENZE 操作手冊(cè) 7AC032 CN9 LENZE 操作手冊(cè) 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(wèn)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(chēng)隨動(dòng)系統(tǒng)，是應(yīng)用數(shù)字控制器來(lái)控制被控對(duì)象的某種狀態(tài)，使其能自動(dòng)地，連續(xù)地，精確地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)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(guò)兩軸聯(lián)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)無(wú)PLC的罐裝控制，精確調(diào)節(jié)進(jìn)給螺桿和傳送帶，控制定量給料單元來(lái)描述不同的灌裝單元，真正實(shí)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(dòng)態(tài)響應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)方案簡(jiǎn)單易操作。1、查閱相關(guān)論文（書(shū)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(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的要求，確定控制策略的方案；3、對(duì)工藝做簡(jiǎn)單介紹，實(shí)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(gè)位置的計(jì)算），調(diào)試步驟，現(xiàn)場(chǎng)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(jì)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(jì)及相關(guān)軟件(1) 研究手段本課題的主要研究對(duì)永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了探討，研究了空間矢量脈寬調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方法；對(duì)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(jìn)行了研究。包括通訊協(xié)議的研究及接口電路的硬件實(shí)現(xiàn)；基于電機(jī)控制專(zhuān)用伺服控制器，本文研制開(kāi)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(duì)交流伺服控制系統(tǒng)的智能控制策略進(jìn)行了研究。聯(lián)系實(shí)際對(duì)某工廠提出的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)。圖1 基本流程圖在設(shè)計(jì)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(jī)，將研究重點(diǎn)放在參數(shù)的選型上，在安裝環(huán)境，設(shè)計(jì)要求，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)電機(jī)選擇控制器，涉及到濾波，PTI保護(hù)。總線在接口方面，分為AIF自動(dòng)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(shí)。在流水線檢測(cè)方面，本人考慮了相對(duì)速度，容器規(guī)格，位置量，流量等方面。計(jì)劃中要完成的問(wèn)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(cè)，掌握GDC，DSC等相關(guān)自動(dòng)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(gè)灌裝過(guò)程的灌裝速度。采用LENZE9400伺服驅(qū)動(dòng)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(chǔ)于伺服驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部；必要時(shí)，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?，轉(zhuǎn)矩控制，位置控制，糾編控制等幾個(gè)方面展開(kāi)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(wú)須從新學(xué)習(xí)編程語(yǔ)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(dòng)器/運(yùn)動(dòng)控制器，可以配置為