電氣工程及自動化畢業(yè)設計

題目：交流伺服馬達在輕工業(yè)中的應用技術研究學科（專業(yè)）：電氣工程及其自動化申請人：XXX指導教師：XXX摘要隨著工業(yè)的進程，伺服電機在工業(yè)中的應用呈指數(shù)級數(shù)發(fā)展，工業(yè)市場競爭日益激烈，對于高科技，高精度的產(chǎn)品靠人力做工完畢時代已一去不返。加工行業(yè)靠全靠人力完畢的利潤非常微薄。在開發(fā)一臺能夠替代人力的工業(yè)設備系統(tǒng)時，既要考慮運行效率、使用的便利性和安全性，又要兼顧生產(chǎn)成本。本文研究了用一臺時光伺服電機在吹膜機系統(tǒng)改造時的設計辦法，以達成節(jié)省成本提高生產(chǎn)效益的目的。論文具體敘述了伺服電機的發(fā)展、工作原理和控制控制器系統(tǒng)的重要部件的功效和工作原理，擬定了用一臺時光伺服電機在吹膜機系統(tǒng)改造時方案。論文介紹了伺服控制系統(tǒng)的原理及基本功效，并根據(jù)這些功效成功的改造一臺吹膜機系統(tǒng)。論文討論了對吹膜機運行的規(guī)定，研究了改造可行方案，并根據(jù)該改造方案對該吹膜機進行改造，達成高效、節(jié)能的目的。核心詞：伺服電機吹膜機目錄附錄第1章概述1.1伺服電機分類及發(fā)展歷程1.2國內(nèi)伺服電機的發(fā)展狀況第2章伺服控制器2.1伺服控制器介紹2.2通用變頻器和伺服控制器的重要區(qū)別第3章伺服電機原理（舉例闡明）3.1全電動注塑機電控原理3.2伺服電機構造以及工作原理第4章伺服電機和步進電機的區(qū)別4.1控制精度方面的差別4.2低頻特性的不同4.3矩陣特性以及過載能力的高低4.4運行性能以及速度響應性能的區(qū)別第5章伺服電機的應用5.1伺服控制在吹膜機改造上的應用5.1.1項目介紹5.1.2項目解決方案5.1.3項目改造效果5.1.4項目總結致謝參考文獻第1章概述1.1伺服電機分類及發(fā)展歷程伺服電機可分為直流和交流伺服電機兩大類，交流伺服電機要好某些，由于是正弦波控制，轉矩脈動小。直流伺服式梯形波。但直流伺服電機比較簡樸，便宜。直流伺服電機分有刷和無刷電機。有刷電機成本低構造簡樸，啟動轉矩大，調速范疇寬，控制容易，需要維護但維護方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有規(guī)定；因此它可用于成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。無刷電機體積下，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉動平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝碗s，容易實現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，能夠方波換相或正弦波換相。電機免維護，效率高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于多個環(huán)境。交流伺服電機也是無刷電機，分為同時和異步電機，現(xiàn)在運動控制中慣用的就是同時伺服電機，它的功率很大能夠做到很大的功率。大慣量，最高轉動速度低，且隨著功率增大而快速減少。因而適合做低速平穩(wěn)的運動控制。伺服電機內(nèi)部是永久磁鐵，驅動器控制的UVW三相電形成為磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據(jù)反饋值和目的值進行比較，調節(jié)轉子轉動的角度，伺服電機的精度取決于編碼器的精度。1.2國內(nèi)伺服電機的發(fā)展狀況近年來，中國從制造工業(yè)大國正向制造業(yè)強國發(fā)展，伺服電機之中國由于國家隊制造設備及其技術工作的重視，隨著全數(shù)字交流永磁伺服系統(tǒng)的性能價格比逐步提高，交流伺服電機作為控制電機類高檔精密部件，其市場需求將穩(wěn)步增加，近5年內(nèi)其應用前景將十分可觀。交流永磁有刷電機和逐步成為自1990年以前由于技術成本等因素，國內(nèi)伺服電機以直流永磁有刷電機和步進電機為主，并且重要集中在機床和國防軍工業(yè)。中國在1990年后進口永磁交流伺服電機系統(tǒng)逐步進入中國，此期間得益于稀土永磁材料的發(fā)展，電力電子及微電子技術的進步，交流伺服電機的驅動技術也很快從模擬式過分到全數(shù)字式。由于交流伺服電機的驅動裝置采用了先進全數(shù)字式驅動控制技術，硬件構造簡樸，參數(shù)調節(jié)方便，產(chǎn)品生成的一致性可靠性增加，同時可集成復雜的電機控制算法和智能化控制功效，如自動增益調節(jié)，網(wǎng)絡通訊功效等，大大拓展了交流伺服電機的應用領域；另外隨著各行業(yè)，如機床，印刷設備，包裝設備，紡織設備等，對工藝精度，加工效率和工作可靠性等規(guī)定不停提高，這些領域對交流伺服電機的需求將迅猛增加，交流伺服將逐步替代原有直流有刷電機和步進電機。中國近年來，華中數(shù)控，廣州數(shù)控，航天數(shù)控，蘭州電機等的伺服驅動器及電機產(chǎn)品已相繼進入產(chǎn)業(yè)化階段，但還重要是集中在數(shù)控行業(yè)，功率規(guī)格在400w以上。沒有針對整個自動化控制行業(yè)形成全系列規(guī)格原則產(chǎn)品。由于中國為制造大國，除數(shù)控機床行業(yè)外，其它行業(yè)對多個伺服電機需求量逐年增加，為此，國外伺服端機生產(chǎn)商陸續(xù)計劃已經(jīng)在國內(nèi)設立獨資工廠，運用本地資源和便宜勞動力，批量趁此多個規(guī)格的通用型伺服電機產(chǎn)品。中國在國內(nèi)伺服電機的設計生成技術已趨于完善，現(xiàn)在重要是朝原則化，系列化，規(guī)?；较虬l(fā)展，只有一點規(guī)模才干有高可靠性的價格低廉而富有競爭力的產(chǎn)品。但國內(nèi)伺服電機的全數(shù)字驅動技術還比較落后，重要局限于欠缺實用電機數(shù)字控制算法和高可靠的功率。第2章伺服控制器2.1伺服控制器介紹伺服控制器是用來控制伺服馬達的一種器件，普通是通過位置，速度和力矩三種方式對伺服馬達進行控制，實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位。從構造上看，伺服控制器和變頻器差不多，但對于元器件的規(guī)定精度和可靠性更高?，F(xiàn)在主流的伺服控制器均采用數(shù)字信號解決器（DSP）作為控制核心，能夠實現(xiàn)比較復雜的控制算法，實現(xiàn)數(shù)字化，網(wǎng)絡化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設計驅動電路，IPM內(nèi)部集成了驅動電路，同時含有過壓，過電流，過熱，欠壓等故障檢測保護電路，在主回路中還加入軟啟動電路，以減小啟動過程中對驅動器的沖擊。功率驅動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相或者市電進行整流。得到對應的直流電。通過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器來驅動三相永磁式同時交流伺服電機。功率驅動單元的整個過程能夠簡樸說是AC-DC-AC的過程。整流單元AC-DC重要的拓撲電路時三相全橋不控流電路。伺服控制器也就是伺服系統(tǒng)的核心，它的精度決定了伺服控制系統(tǒng)的整體精度。2.2通用變頻器和伺服控制器的重要區(qū)別通用變頻器和伺服控制器重要區(qū)別一下幾點：2.2.1伺服控制器通過自動化接口可很方便地進行操作模塊和現(xiàn)場總線模塊的轉換，同時使用不同的現(xiàn)場總線模塊實現(xiàn)不同的控制模式（RS232.RS485光纖，interbus）。而通過變頻器的控制方式比較單一。2.2.2伺服控制器直接連接旋轉變壓器或編碼器，構造速度，位移控制閉環(huán)。而通過變頻器只能構成開環(huán)控制系統(tǒng)。2.2.3伺服控制器的各項控制指標（如穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)性能等）優(yōu)于通用變頻器。第3章伺服電機原理（舉例闡明）3.1全電動注塑機電控原理(附圖片1)伺服：一詞源于希臘語“奴隸”的意思。人們想把伺服機構當個得心應手的馴服工具，服從控制信號的規(guī)定動作。在訊號來到之前，轉子靜止不動，訊號來到之后轉子立刻轉到：當訊號消失，轉子能即時自行停轉。由于伺服性能，因此得名。伺服系統(tǒng)：是使物體位置，方位，狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目的的任意變化的自動控制系統(tǒng)。伺服的重要任務就是按照控制命令規(guī)定對功率進行放大，變換與調節(jié)等解決，使驅動裝置輸出力矩，速度和位置控制的非常靈活方便。圖1：全電動注塑機電控原理圖伺服電機：伺服電機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把手收集到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或者交速度輸出。其重要特點是當信號電壓為零時無自轉現(xiàn)象，轉速隨著轉矩的增加而急劇下降。伺服電機的優(yōu)點：大扭力，控制簡樸，裝配靈活。3.伺服電機構造：一種伺服電機內(nèi)部涉及一種直流電機，一組變速齒輪組：一種反饋可調電位器;及一塊電子控制板。其中，高速轉動的電機提供了原始動力，帶動變速齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力輸出，齒輪組的變速比越大伺服電機的輸出扭力也就越大，也就是說越能承受更大的重量，但轉動的速度也越低。伺服電機的工作原理：伺服電機是一種典型的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，減速齒輪組由電機驅動，其終端帶動一種線性比例電位器作為主檢測，該電位器吧轉角坐標轉換成一比例電壓反饋給控制電路板，控制線路板將其與輸入的脈沖信號比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅動電機正向或者反向轉動，使齒輪組的輸出位置與盼望值相符，令糾正脈沖趨于為0。從而達成使伺服電機精擬定位的目的。第4章伺服電機與步進電機的區(qū)別4.1控制精度方面的差別兩相混合式步進電機步距角普通為3.6度，1.8度，五相混合式步進電機步距角普通穩(wěn)0.72度，0.36度。也有某些高性能的步進電機步進角更小，如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機床的步進電機，其中步距角為0.09度；德國百格拉公司生產(chǎn)的三相混合式步進電機其中歩距可通過撥碼開關來設立為1.8度，0.9度，0,72度，0.36度。0.18度，0.09度，0.072度。0.036度，兼容了兩相和五相混合式步進電機的步進角。交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器確保。以松下全數(shù)字式交流伺服馬達為例，對于帶原則2500線編碼器的電機而言，由于驅動器內(nèi)部采用了四倍技術，其中脈沖當量為360度\10000=0.036，對于帶17位編碼器的電機而言，驅動器每接受131072個脈沖電機轉動一周，即其脈沖當量為360度\131072=9.89秒。是步進角為1.8度的步進電機的脈沖當量的1/6554.2矩陣特性以及過載能力的高低步進電機的輸出力矩隨著轉速升高而減少，且在較高速運轉時會急劇下降，因此其最高工作轉速普通在300-600rpm。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速(普通為-3000rpm)以內(nèi)，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。步進電機普通不含有過載能力。交流伺服電機含有較強的過載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它含有速度過載和轉矩過載能力。其最大的轉矩為額定轉矩的三倍，可用于客服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機由于沒有這種過載能力，在選型的時候為了客服這種慣性力矩，往往需要選用較大轉矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉矩，便出現(xiàn)了力矩浪費現(xiàn)象。4.3運行性能以及速度響應性能的區(qū)別步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高負載過大易出現(xiàn)丟步或者堵轉現(xiàn)象，停止時轉速過高易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，所覺得例確保其控制精度，應解決好升降問題，交流伺服電機驅動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅動器殼直接對電機編碼器反饋的信號進行采樣，內(nèi)部構成的位置環(huán)合速度環(huán)，普通不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖現(xiàn)象，控制性能更可靠。步進電機從靜止加速到工作轉速（普通為每分鐘幾百轉）需要200-400毫秒。交流伺服電機的加速性能較好，以松下MSMA400w交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉速3000rpm僅需幾毫秒，可用于規(guī)定快速啟停的控制場合。第5章伺服電機的應用5.1時光伺服電機在吹膜機螺旋擠出電機系統(tǒng)中應用5.1.1項目介紹由于塑料加工行業(yè)生產(chǎn)的規(guī)?；蜕a(chǎn)工藝日益的提高，原有的塑料加工機械已經(jīng)無法滿足客戶的需求，因此有我公司和國內(nèi)某塑料機械生產(chǎn)公司合作，針對他們原有的塑料吹膜機械進行了改造，提高該機械的技術含量和產(chǎn)品的競爭力，以此來滿足客戶日益提高的規(guī)定。螺旋擠出機械對電機系統(tǒng)的規(guī)定是低轉速、大扭矩輸出。然而，現(xiàn)在螺旋擠出機械普遍采用的電機系統(tǒng)是由電機、變頻器及減速機構構成，存在效率低、調速范疇小、耗電大、在負載變化是響應不夠快造成吹出的膜厚度不均、減速機構的定時維護工作繁瑣以及在生產(chǎn)過程中減速機構潤滑油泄漏造成工作環(huán)境較臟等缺點。時光科技有限公司采用交流異步電機的伺服控制技術，對塑料吹膜機的螺旋擠出電機系統(tǒng)進行了改造，彌補了以上的局限性，為這類機械的產(chǎn)品升級換代提供了一種創(chuàng)新的思路和解決方案5.1.2解決方案時光伺服電機系統(tǒng)采用低速、大扭矩電機和時光伺服控制器取代原有的電機和變頻器，取消了原有傳動機構中的減速機，使系統(tǒng)機械構造得到簡化，并且彌補了上述的局限性，使得新型的機械無論在技術含量和加工工藝都有了長足的進步，不僅滿足了客戶的規(guī)定，并且在節(jié)能、機械維護的簡化、工作環(huán)境的改善等方面也有了很大的提高，提高了產(chǎn)品的競爭力。5.1.3項目改造效果塑料螺旋擠出機械的主軸轉速較低，普通在0～160rpm左右。使用普通電機，需要1:10以上的減速機構。時光公司特別研發(fā)的低速大扭矩電機采用增加電機極數(shù)、減少電機基頻的辦法，使電機的額定轉速降到200rpm下列，而電機的輸出轉矩大幅度提高，因而能夠減小或取消減速機。為避免故障堵轉損壞電機，保存了一級皮帶或鏈條傳動。變頻器調速在電機的基頻點是效率和輸出轉矩的最高點，根據(jù)其特性曲線，在基頻下列輸出轉矩和效率都在下降，因此為在低速時確保足夠的輸出轉矩，必須加大電機功率。而時光伺服控制器在電機基頻下列保持恒轉矩輸出，含有三倍額定以上轉矩的過載能力。因而時光的伺服控制系統(tǒng)能夠以較低的額定轉速到零轉速之間都確保輸出轉矩不不大于額定轉矩。根據(jù)變頻器控制低速時電機的轉矩下降曲線，伺服控制器能夠將電機功率減小到變頻控制的1/2～2/5。如果使用變頻器驅動低速大扭矩電機，由于其調速范疇小，低速轉矩足，在低頻時工作狀態(tài)不良。在低于8Hz的狀況下，力矩明顯局限性。時光伺服控制器含有0～400Hz的調速范疇，且低頻力矩特性良好，可在低速時平穩(wěn)精確的控制電機。對于吹膜機等對薄膜厚度有嚴格規(guī)定的設備，能夠精確控制電機，與變頻器相比含有很大的技術優(yōu)勢。5