電氣工程及自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)

題目：交流伺服馬達(dá)在輕工業(yè)中的應(yīng)用技術(shù)研究學(xué)科（專業(yè)）：電氣工程及其自動(dòng)化申請(qǐng)人：XXX指導(dǎo)教師：XXX摘要隨著工業(yè)的進(jìn)程，伺服電機(jī)在工業(yè)中的應(yīng)用呈指數(shù)級(jí)數(shù)發(fā)展，工業(yè)市場競爭日益激烈，對(duì)于高科技，高精度的產(chǎn)品靠人力做工完畢時(shí)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(tái)能夠替代人力的工業(yè)設(shè)備系統(tǒng)時(shí)，既要考慮運(yùn)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(tái)時(shí)光伺服電機(jī)在吹膜機(jī)系統(tǒng)改造時(shí)的設(shè)計(jì)辦法，以達(dá)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(jī)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(tái)時(shí)光伺服電機(jī)在吹膜機(jī)系統(tǒng)改造時(shí)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(tái)吹膜機(jī)系統(tǒng)。論文討論了對(duì)吹膜機(jī)運(yùn)行的規(guī)定，研究了改造可行方案，并根據(jù)該改造方案對(duì)該吹膜機(jī)進(jìn)行改造，達(dá)成高效、節(jié)能的目的。核心詞：伺服電機(jī)吹膜機(jī)目錄附錄第1章概述1.1伺服電機(jī)分類及發(fā)展歷程1.2國內(nèi)伺服電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r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(jī)原理（舉例闡明）3.1全電動(dòng)注塑機(jī)電控原理3.2伺服電機(jī)構(gòu)造以及工作原理第4章伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)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(yùn)行性能以及速度響應(yīng)性能的區(qū)別第5章伺服電機(jī)的應(yīng)用5.1伺服控制在吹膜機(jī)改造上的應(yīng)用5.1.1項(xiàng)目介紹5.1.2項(xiàng)目解決方案5.1.3項(xiàng)目改造效果5.1.4項(xiàng)目總結(jié)致謝參考文獻(xiàn)第1章概述1.1伺服電機(jī)分類及發(fā)展歷程伺服電機(jī)可分為直流和交流伺服電機(jī)兩大類，交流伺服電機(jī)要好某些，由于是正弦波控制，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。直流伺服式梯形波。但直流伺服電機(jī)比較簡樸，便宜。直流伺服電機(jī)分有刷和無刷電機(jī)。有刷電機(jī)成本低構(gòu)造簡樸，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范疇寬，控制容易，需要維護(hù)但維護(hù)方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)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(jī)體積下，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，力矩穩(wěn)定。控制復(fù)雜，容易實(shí)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(jī)免維護(hù)，效率高，運(yùn)行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于多個(gè)環(huán)境。交流伺服電機(jī)也是無刷電機(jī)，分為同時(shí)和異步電機(jī)，現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)控制中慣用的就是同時(shí)伺服電機(jī)，它的功率很大能夠做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制。伺服電機(jī)內(nèi)部是永久磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的UVW三相電形成為磁場的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值和目的值進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，伺服電機(jī)的精度取決于編碼器的精度。1.2國內(nèi)伺服電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r近年來，中國從制造工業(yè)大國正向制造業(yè)強(qiáng)國發(fā)展，伺服電機(jī)之中國由于國家隊(duì)制造設(shè)備及其技術(shù)工作的重視，隨著全數(shù)字交流永磁伺服系統(tǒng)的性能價(jià)格比逐步提高，交流伺服電機(jī)作為控制電機(jī)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(yīng)用前景將十分可觀。交流永磁有刷電機(jī)和逐步成為自1990年以前由于技術(shù)成本等因素，國內(nèi)伺服電機(jī)以直流永磁有刷電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)為主，并且重要集中在機(jī)床和國防軍工業(yè)。中國在1990年后進(jìn)口永磁交流伺服電機(jī)系統(tǒng)逐步進(jìn)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(shù)的進(jìn)步，交流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)也很快從模擬式過分到全數(shù)字式。由于交流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置采用了先進(jìn)全數(shù)字式驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，硬件構(gòu)造簡樸，參數(shù)調(diào)節(jié)方便，產(chǎn)品生成的一致性可靠性增加，同時(shí)可集成復(fù)雜的電機(jī)控制算法和智能化控制功效，如自動(dòng)增益調(diào)節(jié)，網(wǎng)絡(luò)通訊功效等，大大拓展了交流伺服電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域；另外隨著各行業(yè)，如機(jī)床，印刷設(shè)備，包裝設(shè)備，紡織設(shè)備等，對(duì)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(lǐng)域?qū)涣魉欧姍C(jī)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(jī)和步進(jìn)電機(jī)。中國近年來，華中數(shù)控，廣州數(shù)控，航天數(shù)控，蘭州電機(jī)等的伺服驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)產(chǎn)品已相繼進(jìn)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(duì)整個(gè)自動(dòng)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(jī)床行業(yè)外，其它行業(yè)對(duì)多個(gè)伺服電機(jī)需求量逐年增加，為此，國外伺服端機(jī)生產(chǎn)商陸續(xù)計(jì)劃已經(jīng)在國內(nèi)設(shè)立獨(dú)資工廠，運(yùn)用本地資源和便宜勞動(dòng)力，批量趁此多個(gè)規(guī)格的通用型伺服電機(jī)產(chǎn)品。中國在國內(nèi)伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)生成技術(shù)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(diǎn)規(guī)模才干有高可靠性的價(jià)格低廉而富有競爭力的產(chǎn)品。但國內(nèi)伺服電機(jī)的全數(shù)字驅(qū)動(dòng)技術(shù)還比較落后，重要局限于欠缺實(shí)用電機(jī)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(dá)的一種器件，普通是通過位置，速度和力矩三種方式對(duì)伺服馬達(dá)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位。從構(gòu)造上看，伺服控制器和變頻器差不多，但對(duì)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(hào)解決器（DSP）作為控制核心，能夠?qū)崿F(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)含有過壓，過電流，過熱，欠壓等故障檢測保護(hù)電路，在主回路中還加入軟啟動(dòng)電路，以減小啟動(dòng)過程中對(duì)驅(qū)動(dòng)器的沖擊。功率驅(qū)動(dòng)單元首先通過三相全橋整流電路對(duì)輸入的三相或者市電進(jìn)行整流。得到對(duì)應(yīng)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(qū)動(dòng)三相永磁式同時(shí)交流伺服電機(jī)。功率驅(qū)動(dòng)單元的整個(gè)過程能夠簡樸說是AC-DC-AC的過程。整流單元AC-DC重要的拓?fù)潆娐窌r(shí)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(diǎn)：2.2.1伺服控制器通過自動(dòng)化接口可很方便地進(jìn)行操作模塊和現(xiàn)場總線模塊的轉(zhuǎn)換，同時(shí)使用不同的現(xiàn)場總線模塊實(shí)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(zhuǎn)變壓器或編碼器，構(gòu)造速度，位移控制閉環(huán)。而通過變頻器只能構(gòu)成開環(huán)控制系統(tǒng)。2.2.3伺服控制器的各項(xiàng)控制指標(biāo)（如穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)性能等）優(yōu)于通用變頻器。第3章伺服電機(jī)原理（舉例闡明）3.1全電動(dòng)注塑機(jī)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(jī)構(gòu)當(dāng)個(gè)得心應(yīng)手的馴服工具，服從控制信號(hào)的規(guī)定動(dòng)作。在訊號(hào)來到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)，訊號(hào)來到之后轉(zhuǎn)子立刻轉(zhuǎn)到：當(dāng)訊號(hào)消失，轉(zhuǎn)子能即時(shí)自行停轉(zhuǎn)。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(dòng)控制系統(tǒng)。伺服的重要任務(wù)就是按照控制命令規(guī)定對(duì)功率進(jìn)行放大，變換與調(diào)節(jié)等解決，使驅(qū)動(dòng)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(dòng)注塑機(jī)電控原理圖伺服電機(jī)：伺服電機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把手收集到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或者交速度輸出。其重要特點(diǎn)是當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而急劇下降。伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：大扭力，控制簡樸，裝配靈活。3.伺服電機(jī)構(gòu)造：一種伺服電機(jī)內(nèi)部涉及一種直流電機(jī)，一組變速齒輪組：一種反饋可調(diào)電位器;及一塊電子控制板。其中，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)提供了原始動(dòng)力，帶動(dòng)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(jī)的輸出扭力也就越大，也就是說越能承受更大的重量，但轉(zhuǎn)動(dòng)的速度也越低。伺服電機(jī)的工作原理：伺服電機(jī)是一種典型的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，減速齒輪組由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其終端帶動(dòng)一種線性比例電位器作為主檢測，該電位器吧轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)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(hào)比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)正向或者反向轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dá)成使伺服電機(jī)精擬定位的目的。第4章伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的區(qū)別4.1控制精度方面的差別兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角普通為3.6度，1.8度，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角普通穩(wěn)0.72度，0.36度。也有某些高性能的步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角更小，如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機(jī)床的步進(jìn)電機(jī)，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(jìn)電機(jī)其中歩距可通過撥碼開關(guān)來設(shè)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(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角。交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器確保。以松下全數(shù)字式交流伺服馬達(dá)為例，對(duì)于帶原則2500線編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍技術(shù)，其中脈沖當(dāng)量為360度\10000=0.036，對(duì)于帶17位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動(dòng)器每接受131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周，即其脈沖當(dāng)量為360度\131072=9.89秒。是步進(jìn)角為1.8度的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/6554.2矩陣特性以及過載能力的高低步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨著轉(zhuǎn)速升高而減少，且在較高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)急劇下降，因此其最高工作轉(zhuǎn)速普通在300-600rpm。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速(普通為-3000rpm)以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。步進(jìn)電機(jī)普通不含有過載能力。交流伺服電機(jī)含有較強(qiáng)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(zhuǎn)矩過載能力。其最大的轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于客服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機(jī)由于沒有這種過載能力，在選型的時(shí)候?yàn)榱丝头@種慣性力矩，往往需要選用較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)現(xiàn)象。4.3運(yùn)行性能以及速度響應(yīng)性能的區(qū)別步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過高負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或者堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，所覺得例確保其控制精度，應(yīng)解決好升降問題，交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器殼直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋的信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成的位置環(huán)合速度環(huán)，普通不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖現(xiàn)象，控制性能更可靠。步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（普通為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200-400毫秒。交流伺服電機(jī)的加速性能較好，以松下MSMA400w交流伺服電機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)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(jī)的應(yīng)用5.1時(shí)光伺服電機(jī)在吹膜機(jī)螺旋擠出電機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用5.1.1項(xiàng)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(jī)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(jī)械生產(chǎn)公司合作，針對(duì)他們?cè)械乃芰洗的C(jī)械進(jìn)行了改造，提高該機(jī)械的技術(shù)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(jī)械對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的規(guī)定是低轉(zhuǎn)速、大扭矩輸出。然而，現(xiàn)在螺旋擠出機(jī)械普遍采用的電機(jī)系統(tǒng)是由電機(jī)、變頻器及減速機(jī)構(gòu)構(gòu)成，存在效率低、調(diào)速范疇小、耗電大、在負(fù)載變化是響應(yīng)不夠快造成吹出的膜厚度不均、減速機(jī)構(gòu)的定時(shí)維護(hù)工作繁瑣以及在生產(chǎn)過程中減速機(jī)構(gòu)潤滑油泄漏造成工作環(huán)境較臟等缺點(diǎn)。時(shí)光科技有限公司采用交流異步電機(jī)的伺服控制技術(shù)，對(duì)塑料吹膜機(jī)的螺旋擠出電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了改造，彌補(bǔ)了以上的局限性，為這類機(jī)械的產(chǎn)品升級(jí)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(shí)光伺服電機(jī)系統(tǒng)采用低速、大扭矩電機(jī)和時(shí)光伺服控制器取代原有的電機(jī)和變頻器，取消了原有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的減速機(jī)，使系統(tǒng)機(jī)械構(gòu)造得到簡化，并且彌補(bǔ)了上述的局限性，使得新型的機(jī)械無論在技術(shù)含量和加工工藝都有了長足的進(jìn)步，不僅滿足了客戶的規(guī)定，并且在節(jié)能、機(jī)械維護(hù)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(xiàng)目改造效果塑料螺旋擠出機(jī)械的主軸轉(zhuǎn)速較低，普通在0～160rpm左右。使用普通電機(jī)，需要1:10以上的減速機(jī)構(gòu)。時(shí)光公司特別研發(fā)的低速大扭矩電機(jī)采用增加電機(jī)極數(shù)、減少電機(jī)基頻的辦法，使電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速降到200rpm下列，而電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大幅度提高，因而能夠減小或取消減速機(jī)。為避免故障堵轉(zhuǎn)損壞電機(jī)，保存了一級(jí)皮帶或鏈條傳動(dòng)。變頻器調(diào)速在電機(jī)的基頻點(diǎn)是效率和輸出轉(zhuǎn)矩的最高點(diǎn)，根據(jù)其特性曲線，在基頻下列輸出轉(zhuǎn)矩和效率都在下降，因此為在低速時(shí)確保足夠的輸出轉(zhuǎn)矩，必須加大電機(jī)功率。而時(shí)光伺服控制器在電機(jī)基頻下列保持恒轉(zhuǎn)矩輸出，含有三倍額定以上轉(zhuǎn)矩的過載能力。因而時(shí)光的伺服控制系統(tǒng)能夠以較低的額定轉(zhuǎn)速到零轉(zhuǎn)速之間都確保輸出轉(zhuǎn)矩不不大于額定轉(zhuǎn)矩。根據(jù)變頻器控制低速時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩下降曲線，伺服控制器能夠?qū)㈦姍C(jī)功率減小到變頻控制的1/2～2/5。如果使用變頻器驅(qū)動(dòng)低速大扭矩電機(jī)，由于其調(diào)速范疇小，低速轉(zhuǎn)矩足，在低頻時(shí)工作狀態(tài)不良。在低于8Hz的狀況下，力矩明顯局限性。時(shí)光伺服控制器含有0～400Hz的調(diào)速范疇，且低頻力矩特性良好，可在低速時(shí)平穩(wěn)精確的控制電機(jī)。對(duì)于吹膜機(jī)等對(duì)薄膜厚度有嚴(yán)格規(guī)定的設(shè)備，能夠精確控制電機(jī)，與變頻器相比含有很大的技術(shù)優(yōu)勢。5