工程实践-皮带传输机的伺服控制系统

项目组长组员皮带传输机的伺服控制系统工程实践搜集整理

1/30皮带传输机的伺服控制系统2023/2/5目录1234系统总体概述系统指标的详细描述风险评估标准要求及文档搜集整理2/30皮带传输机的伺服控制系统2023/2/52023/2/5皮带传输机的伺服控制系统3/30目录

成本分析5678开发已有的经验和知识常用术语参考文献1系统总体概述123系统开发的目的意义系统总体描述项目开发计划搜集整理皮带传输机的伺服控制系统4/302023/2/51.1系统开发的目的意义

皮带传输机是一种连续、快速、高效的物料传输设备，广泛应用于煤炭、电力、建材、化工、机械、轻工业等行业的物料传输系统。一般皮带传输机的电气控制系统采用硬接线方式的继电器控制系统，设备故障率高、可靠性低、体积大、维修和改造不方便，这种传统的控制系统由于存在许多缺陷而逐步被淘汰。随着科学技术的不断发展，伺服控制技术不断成熟，它被更多的应用到智能控制、自动控制等领域，成为现代装备、自动化设备不可缺少的一项重要技术。伺服电机不但能够实现准确的速度控制，而且能够实现精准的角度（位置）控制，具有较强的动态性能。为了满足人们对各个领域基础制造的高要求，生产企业就需要采用先进的生产和建造控制系统。所以本次工程实践将以皮带传输机为背景，制作一套通用的伺服控制系统。基于DSP的全数字交流永磁同步电机伺服控制系统，容易实现高性能控制策略和先进的控制算法，且易实现控制策略和控制指标的改变，所以已逐渐成为交流伺服控制系统的发展趋势。本次工程实践通过对基于DSP的伺服电机控制系统进行设计、仿真和实验，来完成系统所要达到的功能要求。皮带传输机的伺服控制系统5/302023/2/51.2系统总体描述

本系统是一个基于DSP的皮带传输伺服控制系统，可以实现不同载荷时的精准速度控制和位置控制，并可以通过优化PID参数来提高载荷突变时系统的稳定性，缩短系统响应时间。考虑到实验室所提供的设备，本装置定位于轻型皮带传输控制，可用于电子、机械、包装等行业的小型物料传输系统。本系统结构上主要由触摸屏、伺服驱动器和伺服电机组成。触摸屏用于系统运行状态的显示和控制命令的下发，伺服驱动器根据触摸屏的控制命令产生相应的电机控制信号，伺服电机根据伺服驱动器的控制信号做出对应的动作来达到相应的控制要求。控制上采用电流环、速度环和位置环的三闭环结构产生系统所需要的控制信号，控制策略利用传统的PI控制，驱动信号由空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）方式生成。同时，伺服驱动器的DSP控制模块还会监控整个系统的运行状态，当系统产生过流、欠压过压、过热等故障时，DSP会立即封锁PWM信号，使电机处于制动状态，从而实现保护功能。皮带传输机的伺服控制系统6/302023/2/51.3项目开发计划皮带传输机的伺服控制系统7/302023/2/52系统指标的详细描述123系统组成性能、指标要求搜集整理伺服驱动器内部主电路及其控制回路皮带传输机的伺服控制系统8/302023/2/52.1系统组成

系统包括触摸屏，485通讯，伺服驱动器，单相交流永磁同步电机，编码器。实际运行过程中，可以直接在触摸屏上选择“匀速传送”并设定速度；或选择“定位传送”并设定位置。

伺服驱动器：SD600-S2-R20

交流永磁同步电机：SME06-2TR20-U2NH

触摸屏：VI10-043S

光电编码器：ENCB-L05-PHL皮带传输机的伺服控制系统9/302023/2/52.2性能、指标要求本系统性能指标主要包括位置精度、速度控制范围、速度超调量。位置精度：（1圈）速度超调量：≤20%速度控制范围：1：5000（即最大3000rpm，最小0.6rpm）编码器线数：10000p/r皮带传输机的伺服控制系统10/302023/2/52023/2/5皮带传输机的伺服控制系统11断电保护：电动机在无励磁或突然断电时，失电制动器工作，保持电动机轴不会旋转，避免造成设备或人身伤害，在电动机正常工作时，失电制动器通电保持自由状态。过载保护：当伺服电机和伺服驱动器过载时可对其进行保护。2.3伺服驱动器内部主电路及其控制回路驱动器主电路及控制回路

主电路包括单相无控整流，启动电阻，滤波电感，单相PWM逆变器。

输入220V/50Hz皮带传输机的伺服控制系统12/302023/2/5

速度控制回路包括速度控制器，电流控制器，编码器，编码信号调理器，PWM调理器及IGBT驱动。

速度参考值由触摸屏手动输入得到，电流控制器的反馈来自逆变器输出电流，编码信号调理器接收光电编码器检测到的电机转角并计算得到电机转速信号。

速度控制器用P控制，电流控制器用PI控制。皮带传输机的伺服控制系统13/302023/2/5

位置控制回路为三闭环形式，相对速度控制增加了位置控制器。位置控制器的参考值由触摸屏手动输入得来。光电编码器检测到的电机转角信号经编码信号调理器调制成标准形式再反馈到位置控制器。

位置控制器和速度控制器用P控制，电流控制器用PI控制。皮带传输机的伺服控制系统14/302023/2/53风险评估

由于相关问题所造成的损失不容易估计，所以没有对具体问题可能造成的损失进行量化估计。1.时间的超预算分析

成员对伺服系统及其控制不够了解，开发过程耗费大量时间时间导致任务超期，不能及时完成。2.硬件成本的超预算分析

调试过程中的磨损、老化甚至部分器件烧毁，会带来额外的损失，增

加硬件成本。皮带传输机的伺服控制系统15/302023/2/5风险评估33.产品知识产权的保密性分析

使用DSP编程可能会导致程序被盗，从而降低产品的市场竞争力。解决办法：自主开发硬件电路，使用FPGA存放程序的关键部分。4.投入市场过程中的风险分析

曾强系统的“通用性”，使其各个方

面的控制指标都有调整和伸缩的可能，以

便应用于别的领域，比如：食品生产线、

文字图形打印等。这样也降低了系统在皮

带传送领域如果竞争力不足所带来的风险。皮带传输机的伺服控制系统16/302023/2/5

标准要求及文档（安规，文档，开发环境，品质数据）44.1安全规范（1）GB/T2423.(1.2.3)-2008电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验A:低温B:高温,C:恒定湿热试验；（9）GB14711-93中小型旋转电机安全通用要求。（7）GBT7345-2008控制电机基本技术要求；元器件的焊接和电路板的测试（6）GB/T12325-2008电能质量；（2）GB/T17626.14-2005电磁兼容试验和测量技术电压波动抗扰度试验;（4）GB16179-1996安全标志使用导则；（5）GB4208-2008外壳防护等级（IP代码）；（3）IEC60990-1999接触电流和保护导体电流的测量方法；（8）GBT7344-1997交流伺服电动机通用技术条件；皮带传输机的伺服控制系统17/302023/2/5

标准要求及文档（安规，文档，开发环境，品质数据）44.2安装环境要求(1)有通风口或换气装置的室内场所；(2)环境温度10℃~40℃；(3)尽量避免高温多湿场所；(4)避免阳光直晒；(5)远离易燃、易爆和腐蚀性气体、液体；(6)无灰尘、飘浮性的纤维及金属微粒；(7)安装平面坚固、无振动；(8)远离电磁干扰源。皮带传输机的伺服控制系统18/302023/2/5

标准要求及文档（安规，文档，开发环境，品质数据）44.3开发环境整仿真软件：Matlab/Simulink程序调试软件：CCS6.0（CodeComposerStudio）本项目采用两电平通用实验平台来产生控制电机所需的电压，电流等信号，系统仿真在Matlab/Simulink软件里面进行模拟，对方案的可行性进行验证，以达到指定的实验效果。皮带传输机的伺服控制系统19/302023/2/5

标准要求及文档（安规，文档，开发环境，品质数据）44.4品质数据（1）伺服驱动器和电动机的电路保护；过电流保护；电压保护：过电压、欠电压保护，失压保护；过载保护：电机过热保护，反时限保护；其他保护：反接保护、制动电阻过热保护；（2）抗干扰能力以及实验中对测试设备、线路的干扰皮带传输机的伺服控制系统20/302023/2/5

成本分析5皮带传输机的伺服控制系统20/302023/2/56开发已有的经验和知识知识123123软件部分控制部分硬件部分搜集整理皮带传输机的伺服控制系统22/302023/2/5

软件部分6.1对主电路和驱动电路进行仿真可利用CCS进行编程和调试会用AD设计并画出PCB板可进行人机界面的设计皮带传输机的伺服控制系统23/302023/2/5

控制部分6.2PIDSVPWM控制皮带传送的速度和位置将逆变系统和电机看作一个整体来考虑，模型比较简单，也便于微处理器的实时控制皮带传输机的伺服控制系统24/302023/2/5

空间矢量PWM(SVPWM)以两电平换流器为例：开关管不同的状态组合会在交流侧产生不同的交流电压，两电平换流器共有种开关状态。六个非零矢量把平面空间划分为六个的扇形区出现阶梯是因为c点和N点间有三次谐波相电压有三次谐波，线电压无三次谐波。皮带传输机的伺服控制系统25/302023/2/5

空间矢量PWM(SVPWM)每60°划分为一个区域每个区域中的矢量用相邻的两个边矢量来合成矢量作用的时间皮带传输机的伺服控制系统26/302023/2/5

SVPWM与SPWM的比较●SPWM较SVPWM简易；●SPWM输出相电压和线电压均为正弦波，而SVPWM输出线电压为正弦、相电压含有丰富的三次谐波。●在一个基波周期内，SVPWM有120°不导通区，开关损耗小。●SVPWM的直流电压利用率为1，比SPWM的0.866高出15％。控制电机一般采用SVPWMSPWM（开关损耗大）SVPWM（开关损耗小）皮带传输机的伺服控制系统27/302023/2/5

硬件部分6.3选择主电路元件的参数和相应的型号搭建硬件平台元器件的焊接和电路板的测试皮带传输机的伺服控制系统28/302023/2/5

常用术语7整流器（rectifier）逆变器（inverter）伺服系统(servomechanism)伺服驱动器(servodrives)永磁同步电机（PMSM）触摸屏(touchscreen)矢量控制（vector

control，VC）SVPWM空间矢量脉宽调制PID控制皮带传输机的伺服控制系统29/302023/2/52023/2/58参考文献[1]SD600系列交流伺服系统使用手册V1.2.伟创电气.[2]VI10触摸屏使用手册.伟创电气.[3]罗华.基于DSP28335的交流伺服系统设计与实现[D].武汉：武汉理工大学.2