电气工程及自动化毕业设计

题目：交流伺服马达在轻工业中的应用技术研究学科（专业）：电气工程及其自动化申请人：XXX指导教师：XXX摘要随着工业的进程，伺服电机在工业中的应用呈指数级数发展，工业市场竞争日益激烈，对于高科技，高精度的产品靠人力做工完毕时代已一去不返。加工行业靠全靠人力完毕的利润非常微薄。在开发一台能够替代人力的工业设备系统时，既要考虑运行效率、使用的便利性和安全性，又要兼顾生产成本。本文研究了用一台时光伺服电机在吹膜机系统改造时的设计办法，以达成节省成本提高生产效益的目的。论文具体叙述了伺服电机的发展、工作原理和控制控制器系统的重要部件的功效和工作原理，拟定了用一台时光伺服电机在吹膜机系统改造时方案。论文介绍了伺服控制系统的原理及基本功效，并根据这些功效成功的改造一台吹膜机系统。论文讨论了对吹膜机运行的规定，研究了改造可行方案，并根据该改造方案对该吹膜机进行改造，达成高效、节能的目的。核心词：伺服电机吹膜机目录附录第1章概述1.1伺服电机分类及发展历程1.2国内伺服电机的发展状况第2章伺服控制器2.1伺服控制器介绍2.2通用变频器和伺服控制器的重要区别第3章伺服电机原理（举例阐明）3.1全电动注塑机电控原理3.2伺服电机构造以及工作原理第4章伺服电机和步进电机的区别4.1控制精度方面的差别4.2低频特性的不同4.3矩阵特性以及过载能力的高低4.4运行性能以及速度响应性能的区别第5章伺服电机的应用5.1伺服控制在吹膜机改造上的应用5.1.1项目介绍5.1.2项目解决方案5.1.3项目改造效果5.1.4项目总结致谢参考文献第1章概述1.1伺服电机分类及发展历程伺服电机可分为直流和交流伺服电机两大类，交流伺服电机要好某些，由于是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服式梯形波。但直流伺服电机比较简朴，便宜。直流伺服电机分有刷和无刷电机。有刷电机成本低构造简朴，启动转矩大，调速范畴宽，控制容易，需要维护但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有规定；因此它可用于成本敏感的普通工业和民用场合。无刷电机体积下，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，能够方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于多个环境。交流伺服电机也是无刷电机，分为同时和异步电机，现在运动控制中惯用的就是同时伺服电机，它的功率很大能够做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速减少。因而适合做低速平稳的运动控制。伺服电机内部是永久磁铁，驱动器控制的UVW三相电形成为磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值和目的值进行比较，调节转子转动的角度，伺服电机的精度取决于编码器的精度。1.2国内伺服电机的发展状况近年来，中国从制造工业大国正向制造业强国发展，伺服电机之中国由于国家队制造设备及其技术工作的重视，随着全数字交流永磁伺服系统的性能价格比逐步提高，交流伺服电机作为控制电机类高档精密部件，其市场需求将稳步增加，近5年内其应用前景将十分可观。交流永磁有刷电机和逐步成为自1990年以前由于技术成本等因素，国内伺服电机以直流永磁有刷电机和步进电机为主，并且重要集中在机床和国防军工业。中国在1990年后进口永磁交流伺服电机系统逐步进入中国，此期间得益于稀土永磁材料的发展，电力电子及微电子技术的进步，交流伺服电机的驱动技术也很快从模拟式过分到全数字式。由于交流伺服电机的驱动装置采用了先进全数字式驱动控制技术，硬件构造简朴，参数调节方便，产品生成的一致性可靠性增加，同时可集成复杂的电机控制算法和智能化控制功效，如自动增益调节，网络通讯功效等，大大拓展了交流伺服电机的应用领域；另外随着各行业，如机床，印刷设备，包装设备，纺织设备等，对工艺精度，加工效率和工作可靠性等规定不停提高，这些领域对交流伺服电机的需求将迅猛增加，交流伺服将逐步替代原有直流有刷电机和步进电机。中国近年来，华中数控，广州数控，航天数控，兰州电机等的伺服驱动器及电机产品已相继进入产业化阶段，但还重要是集中在数控行业，功率规格在400w以上。没有针对整个自动化控制行业形成全系列规格原则产品。由于中国为制造大国，除数控机床行业外，其它行业对多个伺服电机需求量逐年增加，为此，国外伺服端机生产商陆续计划已经在国内设立独资工厂，运用本地资源和便宜劳动力，批量趁此多个规格的通用型伺服电机产品。中国在国内伺服电机的设计生成技术已趋于完善，现在重要是朝原则化，系列化，规模化方向发展，只有一点规模才干有高可靠性的价格低廉而富有竞争力的产品。但国内伺服电机的全数字驱动技术还比较落后，重要局限于欠缺实用电机数字控制算法和高可靠的功率。第2章伺服控制器2.1伺服控制器介绍伺服控制器是用来控制伺服马达的一种器件，普通是通过位置，速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位。从构造上看，伺服控制器和变频器差不多，但对于元器件的规定精度和可靠性更高。现在主流的伺服控制器均采用数字信号解决器（DSP）作为控制核心，能够实现比较复杂的控制算法，实现数字化，网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计驱动电路，IPM内部集成了驱动电路，同时含有过压，过电流，过热，欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加入软启动电路，以减小启动过程中对驱动器的冲击。功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相或者市电进行整流。得到对应的直流电。通过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器来驱动三相永磁式同时交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程能够简朴说是AC-DC-AC的过程。整流单元AC-DC重要的拓扑电路时三相全桥不控流电路。伺服控制器也就是伺服系统的核心，它的精度决定了伺服控制系统的整体精度。2.2通用变频器和伺服控制器的重要区别通用变频器和伺服控制器重要区别一下几点：2.2.1伺服控制器通过自动化接口可很方便地进行操作模块和现场总线模块的转换，同时使用不同的现场总线模块实现不同的控制模式（RS232.RS485光纤，interbus）。而通过变频器的控制方式比较单一。2.2.2伺服控制器直接连接旋转变压器或编码器，构造速度，位移控制闭环。而通过变频器只能构成开环控制系统。2.2.3伺服控制器的各项控制指标（如稳态精度和动态性能等）优于通用变频器。第3章伺服电机原理（举例阐明）3.1全电动注塑机电控原理(附图片1)伺服：一词源于希腊语“奴隶”的意思。人们想把伺服机构当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的规定动作。在讯号来到之前，转子静止不动，讯号来到之后转子立刻转到：当讯号消失，转子能即时自行停转。由于伺服性能，因此得名。伺服系统：是使物体位置，方位，状态等输出被控量能够跟随输入目的的任意变化的自动控制系统。伺服的重要任务就是按照控制命令规定对功率进行放大，变换与调节等解决，使驱动装置输出力矩，速度和位置控制的非常灵活方便。图1：全电动注塑机电控原理图伺服电机：伺服电机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把手收集到的电信号转换成电动机轴上的角位移或者交速度输出。其重要特点是当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而急剧下降。伺服电机的优点：大扭力，控制简朴，装配灵活。3.伺服电机构造：一种伺服电机内部涉及一种直流电机，一组变速齿轮组：一种反馈可调电位器;及一块电子控制板。其中，高速转动的电机提供了原始动力，带动变速齿轮组，使之产生高扭力输出，齿轮组的变速比越大伺服电机的输出扭力也就越大，也就是说越能承受更大的重量，但转动的速度也越低。伺服电机的工作原理：伺服电机是一种典型的闭环反馈系统，减速齿轮组由电机驱动，其终端带动一种线性比例电位器作为主检测，该电位器吧转角坐标转换成一比例电压反馈给控制电路板，控制线路板将其与输入的脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或者反向转动，使齿轮组的输出位置与盼望值相符，令纠正脉冲趋于为0。从而达成使伺服电机精拟定位的目的。第4章伺服电机与步进电机的区别4.1控制精度方面的差别两相混合式步进电机步距角普通为3.6度，1.8度，五相混合式步进电机步距角普通稳0.72度，0.36度。也有某些高性能的步进电机步进角更小，如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其中步距角为0.09度；德国百格拉公司生产的三相混合式步进电机其中歩距可通过拨码开关来设立为1.8度，0.9度，0,72度，0.36度。0.18度，0.09度，0.072度。0.036度，兼容了两相和五相混合式步进电机的步进角。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器确保。以松下全数字式交流伺服马达为例，对于带原则2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍技术，其中脉冲当量为360度\10000=0.036，对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接受131072个脉冲电机转动一周，即其脉冲当量为360度\131072=9.89秒。是步进角为1.8度的步进电机的脉冲当量的1/6554.2矩阵特性以及过载能力的高低步进电机的输出力矩随着转速升高而减少，且在较高速运转时会急剧下降，因此其最高工作转速普通在300-600rpm。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速(普通为-3000rpm)以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。步进电机普通不含有过载能力。交流伺服电机含有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它含有速度过载和转矩过载能力。其最大的转矩为额定转矩的三倍，可用于客服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机由于没有这种过载能力，在选型的时候为了客服这种惯性力矩，往往需要选用较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费现象。4.3运行性能以及速度响应性能的区别步进电机的控制为开环控制，启动频率过高负载过大易出现丢步或者堵转现象，停止时转速过高易出现过冲现象，所觉得例确保其控制精度，应解决好升降问题，交流伺服电机驱动系统为闭环控制，驱动器壳直接对电机编码器反馈的信号进行采样，内部构成的位置环合速度环，普通不会出现步进电机的丢步或过冲现象，控制性能更可靠。步进电机从静止加速到工作转速（普通为每分钟几百转）需要200-400毫秒。交流伺服电机的加速性能较好，以松下MSMA400w交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000rpm仅需几毫秒，可用于规定快速启停的控制场合。第5章伺服电机的应用5.1时光伺服电机在吹膜机螺旋挤出电机系统中应用5.1.1项目介绍由于塑料加工行业生产的规模化和生产工艺日益的提高，原有的塑料加工机械已经无法满足客户的需求，因此有我公司和国内某塑料机械生产公司合作，针对他们原有的塑料吹膜机械进行了改造，提高该机械的技术含量和产品的竞争力，以此来满足客户日益提高的规定。螺旋挤出机械对电机系统的规定是低转速、大扭矩输出。然而，现在螺旋挤出机械普遍采用的电机系统是由电机、变频器及减速机构构成，存在效率低、调速范畴小、耗电大、在负载变化是响应不够快造成吹出的膜厚度不均、减速机构的定时维护工作繁琐以及在生产过程中减速机构润滑油泄漏造成工作环境较脏等缺点。时光科技有限公司采用交流异步电机的伺服控制技术，对塑料吹膜机的螺旋挤出电机系统进行了改造，弥补了以上的局限性，为这类机械的产品升级换代提供了一种创新的思路和解决方案5.1.2解决方案时光伺服电机系统采用低速、大扭矩电机和时光伺服控制器取代原有的电机和变频器，取消了原有传动机构中的减速机，使系统机械构造得到简化，并且弥补了上述的局限性，使得新型的机械无论在技术含量和加工工艺都有了长足的进步，不仅满足了客户的规定，并且在节能、机械维护的简化、工作环境的改善等方面也有了很大的提高，提高了产品的竞争力。5.1.3项目改造效果塑料螺旋挤出机械的主轴转速较低，普通在0～160rpm左右。使用普通电机，需要1:10以上的减速机构。时光公司特别研发的低速大扭矩电机采用增加电机极数、减少电机基频的办法，使电机的额定转速降到200rpm下列，而电机的输出转矩大幅度提高，因而能够减小或取消减速机。为避免故障堵转损坏电机，保存了一级皮带或链条传动。变频器调速在电机的基频点是效率和输出转矩的最高点，根据其特性曲线，在基频下列输出转矩和效率都在下降，因此为在低速时确保足够的输出转矩，必须加大电机功率。而时光伺服控制器在电机基频下列保持恒转矩输出，含有三倍额定以上转矩的过载能力。因而时光的伺服控制系统能够以较低的额定转速到零转速之间都确保输出转矩不不大于额定转矩。根据变频器控制低速时电机的转矩下降曲线，伺服控制器能够将电机功率减小到变频控制的1/2～2/5。如果使用变频器驱动低速大扭矩电机，由于其调速范畴小，低速转矩足，在低频时工作状态不良。在低于8Hz的状况下，力矩明显局限性。时光伺服控制器含有0～400Hz的调速范畴，且低频力矩特性良好，可在低速时平稳精确的控制电机。对于吹膜机等对薄膜厚度有严格规定的设备，能够精确控制电机，与变频器相比含有很大的技术优势。5