電拖動課設(shè)-物轉(zhuǎn)送車舉升系統(tǒng).doc

目錄第1章 設(shè)計任務(wù)分析11.1 課題的內(nèi)容與要求11.2 系統(tǒng)概述與分析1第2章 電力拖動系統(tǒng)的性能指標分析22.1 靜態(tài)性能指標22.2 動態(tài)性能指標2第3章 物轉(zhuǎn)送車舉升系統(tǒng)電機選型計算33.1 電機容量的選擇3第4章 控制系統(tǒng)設(shè)計54.1位置、轉(zhuǎn)速雙環(huán)控制的位置隨動系統(tǒng)54.2 位置隨動系統(tǒng)組成部件54.3 PWM控制器設(shè)計74.4 轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)參數(shù)整定84.5轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)114.6橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)12第5章 設(shè)計總結(jié)13第6章 參考文獻13第7章 原理圖14 第1章 設(shè)計任務(wù)分析1.1 課題的內(nèi)容與要求 設(shè)計題目：物轉(zhuǎn)送車舉升系統(tǒng) 設(shè)計要求：某立體物流倉庫，絎架式貨物轉(zhuǎn)送車舉升系統(tǒng)采用直流電動機驅(qū)動滑輪鋼索減速機構(gòu)。減速比1000：1（電動機旋轉(zhuǎn)1000轉(zhuǎn)，平臺上升/下降1m），其傳動效率0.9，飛輪慣量可忽略。舉升平臺自重15Kg，最大貨物重185Kg，貨架層高2m，共4層。試設(shè)計電力拖動自動控制系統(tǒng)，使平臺最大層間運行時間小于100S。工作現(xiàn)場有三相四線制380V交流電源，100A空開保護，電網(wǎng)最大電壓波動，通風(fēng)良好，環(huán)境干燥，無粉塵，現(xiàn)場無防爆要求。 1.2 系統(tǒng)概述與分析物轉(zhuǎn)送車舉升系統(tǒng)的主要部分有土建、機械和電氣等組成，機械部分有動滑輪、臂桿、鋼絲繩以及其他機械部分。采用具有現(xiàn)代先進技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為功率輸出器件，具有很高的運行可靠性和功能的多樣性，采用SG3525芯片進行脈寬調(diào)制，可使曳引機在低噪聲下運行，系統(tǒng)更加平穩(wěn)。全面而完善的保護功能為系統(tǒng)提供了可靠而良好的保護性能，高性能的矢量控制技術(shù)，有多種控制方式靈活選用，適用不同的領(lǐng)域。拖動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖 貨物電機1層2層3層4層圖1-1 拖動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖第2章 電力拖動系統(tǒng)的性能指標分析電力拖動系統(tǒng)拖動的工藝設(shè)備總是對電力拖動系統(tǒng)提出一定的性能指標要求，包括技術(shù)性指標、可靠性指標、經(jīng)濟性指標等方面的指標。2.1 靜態(tài)性能指標 靜態(tài)指標代表調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)定運行中的各種性能，主要指調(diào)速范圍和靜差率。 1. 調(diào)速范圍：生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母D表示，即D= 2. 靜差率：當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱作靜差率s，即S=調(diào)速范圍和靜差率不是彼此孤獨的，必須同時提高才有意義。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標應(yīng)以最低速時所能達到的數(shù)值為準。2.2 動態(tài)性能指標1. 跟蹤指標：調(diào)速系統(tǒng)對給定信號的跟隨性能一般用階躍給定信號下，系統(tǒng)響應(yīng)的最大超調(diào)量、調(diào)整時間和振蕩次數(shù)三個指標來衡量。最大超調(diào)量：=n(max)-n(ref)n(ref)*100%調(diào)節(jié)時間ts：給定量作用于系統(tǒng)開始到被調(diào)量進入穩(wěn)定區(qū)域的時間。振蕩次數(shù)：被調(diào)量在穩(wěn)定值上下擺動的次數(shù)。2. 抗擾動指標：對擾動量作用的動態(tài)響應(yīng)性能，一般用最大動態(tài)速降nmax、恢復(fù)時間Tf和振蕩次數(shù)N來衡量。 最大動態(tài)速降nmax反映了系統(tǒng)抗干擾的能力和穩(wěn)定性。 恢復(fù)時間Tf反映系統(tǒng)的抗擾能力。 振蕩次數(shù)N定義同跟隨特性，同樣反映系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗擾能力。1. 負載變化的擾動（使Id變化）2. 交流電源電壓波動的擾動（使Ks變化）3. 電動機勵磁的變化的擾動（使Ce變化）4. 放大器輸出電壓漂移的擾動（使Kp變化）5. 溫度引起主電路電阻增大的擾動（使R變化）6. 檢測誤差的擾動（使變化） 以上這些動、穩(wěn)態(tài)指標為設(shè)計電力拖動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案、控制方案、調(diào)節(jié)器形式以及調(diào)節(jié)器參數(shù)校正提供了依據(jù)，為系統(tǒng)的調(diào)試、評價提供了標準。第3章 物轉(zhuǎn)送車舉升系統(tǒng)電機選型計算3.1 電機容量的選擇 設(shè)計電力拖動系統(tǒng)首先要為生產(chǎn)機械的電力拖動系統(tǒng)選用電動機，主要內(nèi)容包括確定電動機的種類、電動機的型號、電動機的電氣參數(shù)等。選擇電動機的基本原則如下：（1）電動機在工作過程中，其額定功率應(yīng)得到充分利用。要求溫升接近但不超過規(guī)定的允許數(shù)值。（2）電動機應(yīng)滿足生產(chǎn)機械需要的有關(guān)機械特性的要求。保證一定負載下的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，有以定的調(diào)速范圍及具有良好的起動和制動性能。（3）電動機的結(jié)構(gòu)型式應(yīng)滿足設(shè)計提出的安裝要求和適應(yīng)周期的工作環(huán)境。例如防止灰塵進入電動機內(nèi)部，或者防止繞組絕緣受有害氣體腐蝕等。（1）、電動機的額定轉(zhuǎn)速=1500r/min（2）、本倉庫貨物轉(zhuǎn)送車舉升平臺：自重 最大貨物重量 =185Kg舉升平臺啟動開始加速，然后穩(wěn)速運行，最后制動，最大層間運行時間小于100s。運行過程圖如下：100s圖3-1 運行過程圖（3）、平臺的等效線速度：=1.2m/min（4）、電動機的額定功率：參照電動機選型表如下：表3.1電機數(shù)據(jù)參數(shù)型號SDDM-轉(zhuǎn)矩（mN.m）轉(zhuǎn)速（r/min）功率（W）電壓（V）電流（A）允許順逆轉(zhuǎn)速差（r/min）轉(zhuǎn)動慣量不大于（mN.m.s2）附注電樞激磁電樞激磁90SZ01323150050.01101100.660.2001000.18090SZ02323150050.02202200.330.1101000.18090SZ03294300092.01101101.200.2002000.18090SZ04294300092.02202200.600.1102000.18090SZ05294300092.024246.100.8002000.18090SZ10294300092.01802000.750.1102000.18090SZ11294300092.036364.000.5202000.18090SZ12/H52943300100.027276.100.9002200.18090SZ13323100034.01802000.330.120800.18090SZ14323150050.01802000.440.1201000.18090SZ15294225069.01802000.560.1201500.18090SZ16323150050481.590SZ51510150080.01101101.100.2301000.25090SZ52510150080.02202200.550.1301000.25090SZ534803000150.01101102.000.2302000.25090SZ544803000150.02202201.000.1302000.25090SZ55510150080.024245.001.0001000.25090SZ5731915000500.02202203.700.1307000.250短時，2min90SZ5831915000500.0555616.000.4707000.250短時，2min90SZ608241500130.060604.000.5201000.250短時，2min90SZ61/H1294300092.048482.900.4902000.25090SZ62/H45103000160.036366.700.6202000.25090SZ64510100054.01802000.480.140700.25090SZ65510150080.01802000.680.1401000.25090SZ664802250113.01802000.900.1401500.25090SZ674803000150.01802001.250.1402000.25090SZ68C/H717613000240.02418.000.250串勵，短時，1h90SZ692456000150.02202201.100.1303000.25090SZ714803000150.042424.900.6302000.250我們可以知道此次課程設(shè)計所選的電機型號為： 90sz14型號：GD2=J*4g+365*（1/40）=180V =1500r/min =50W =0.180 TL=323N/m 0.44A 第4章 控制系統(tǒng)設(shè)計4.1位置、轉(zhuǎn)速雙環(huán)控制的位置隨動系統(tǒng)本次課程設(shè)計采用模擬式位置隨動系統(tǒng)。典型的模擬式位置隨動系統(tǒng)如圖4-1所示，一般是在調(diào)速系統(tǒng)基礎(chǔ)上再外加一個位置環(huán)組成。這類系統(tǒng)的各種參量都是連續(xù)變化的模擬量，其位置檢測可采用伺服電位器、自整角機、旋轉(zhuǎn)變壓器或同步感應(yīng)器等。它的工作原理與圖4-1的系統(tǒng)類似。 圖4-1 位置、轉(zhuǎn)速雙環(huán)控制的位置隨動系統(tǒng) APR-位置調(diào)節(jié)器 ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)速器 TG-測速發(fā)電機4.2 位置隨動系統(tǒng)組成部件 所謂位置隨動系統(tǒng)就是實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)對位置指令（給定量）的準確跟蹤系統(tǒng)。位置隨動系統(tǒng)中的位置指令（給定量）和被控制量一樣也是位移（或代表位移的電量），當(dāng)然可以是角位移，也可以是直線位移，所以，位置隨動系統(tǒng)必定是一個位置反饋控制系統(tǒng)。一般這個系統(tǒng)由以下幾個部分組成：（1） 位置檢測器：由電位器RP1和RP2組成位置（角度）檢測器，其中電位器RP1的轉(zhuǎn)動軸與手輪相連，作為轉(zhuǎn)角給定；通過電位器RP2選擇不同的檔位，可以實現(xiàn)控制不同的層數(shù)。轉(zhuǎn)動軸通過機械連桿機構(gòu)與負載部分相連，作為轉(zhuǎn)角反饋。兩個電位器由同一個直流電源Us供電，這樣可將位置信號直接轉(zhuǎn)換成電量輸出。（2） 電壓比較放大器：由放大器1A、2A組成，其中放大器1A僅起倒相作用，2A則起電壓比較和放大作用，其輸出信號作為下一級功率放大器的控制信號，并具備鑒別電壓極性（正反相位）的能力。（3） 可逆功率放大器：為了推動隨動系統(tǒng)的執(zhí)行電動機，只有電壓放大是不夠的，還必須有功率放大。功率放大由晶閘管或大功率晶體管組成整流電路，由它輸出一個足以驅(qū)動伺服電動機SM的電壓。（4） 執(zhí)行機構(gòu)：永磁式直流伺服電動機SM作為帶動負載運動的執(zhí)行機構(gòu)，電動機到負載之間還需要通過減速器來匹配。圖4-2位置隨動系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)圖這四個部分是位置隨動系統(tǒng)的基本組成中不可或缺的，只是在具體元件和裝置上有所不同。目前常用的角位移檢測元件為伺服電位器、自整角機等等。下面簡單介紹一下伺服電位器（RP）1）、伺服電位器（RP）如圖4-2為伺服電位器示意圖，其中RPs為給定電位器，RPd為檢測電位器，在圖4-2所示的聯(lián)接中，其輸出電壓即偏差點壓U為 U=K（-）=K式中-兩電位器軸的角位移之差。圖4-3 伺服電位器輸出 伺服電位器較一般電位器精度高，線性度好，摩擦轉(zhuǎn)矩也小。伺服電位器的特點是線路簡單，慣性小，消耗功率小，所需電源也簡單。若采用線繞電位器，雖然價格便宜，但有輸出信號不平滑、接觸不良和壽命短的缺點，故通常用于精度要求較低的場合。若采用導(dǎo)電塑料電位器或光點照射式的光電電位器，則精度、線性度和壽命便明顯提高。若將電位器做成圓形（如圖4-2所示），則可測角位移；若做成直線形，則可測線位移。根據(jù)分析，此次課程設(shè)計采用的檢測元件為伺服電位器。當(dāng)我們用按鈕選擇2V時，舉升平臺上升第二層，當(dāng)選擇3V時，舉升平臺上升第三層，如此類推，按鈕選擇不同的檔位，舉升平臺上升相應(yīng)的層數(shù)。2）、執(zhí)行機構(gòu)隨動系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)通常由伺服電機和減速器構(gòu)成，其作用是將控制電壓信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸上的角位移或角速度（轉(zhuǎn)速對時間的積累便是角位移）。伺服電動機是隨動系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的主要組成部分，對系統(tǒng)精度和快速性影響較大。為此，伺服電機必需具有良好的低速性能，以提高定位精度，此外，要求轉(zhuǎn)動慣量小，過載轉(zhuǎn)矩大以提高快速性。伺服電動機分為：交流伺服電動機、直流伺服電動機、小慣量無槽直流電動機和寬速力矩電機等等。就本設(shè)計用到的直流伺服電機作如下介紹： 直流伺服電機的結(jié)構(gòu)基本上與普通的直流電動機相同。其中又分為他激式（如S系列）、并激式（如SZ系列）和永磁式（如SY系列）。永磁式功率較小。 直流伺服電機與交流伺服電機相比，體積小，效率高，控制性能好，功率范圍較寬（幾瓦到幾千瓦）。但因它有電刷，有火花，易出故障，維護困難，滑動摩擦大、死區(qū)大。這種電機適用于要求不太高的中、大功率隨動系統(tǒng)。4.3 PWM控制器設(shè)計本設(shè)計的PWM生成電路采用SG3525芯片及其IR2110芯片。下面對芯片簡介如下：1）SG3525脈寬調(diào)制型控制器圖4-4 SG3225引腳圖開關(guān)電源輸出電壓經(jīng)取樣后接至誤差放大器的反相輸入端,與同相端的基準電壓進行比較后,產(chǎn)生誤差電壓Vr,送至PWM比較器的一個輸入端,另一個則接鋸齒波電壓,由此可控制PWM比較器輸出的脈寬調(diào)制信號。2）IGBT驅(qū)動采用了集成芯片IR2110，IR2110采用14端DIP封裝，引出端排列如圖所示。 圖4-5 IR2110引腳圖IR2110采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS工藝制作，具有獨立的高端和低端輸出通道；邏輯輸入與標準的CMOS輸出兼容；浮置電源采用自舉電路，其工作電壓可達500V，du/dt=50V/ns，在15V下的靜態(tài)功耗僅有1.6mW；輸出的柵極驅(qū)動電壓范圍為1020V，邏輯電源電壓范圍為515V，邏輯電源地電壓偏移范圍為5V5V。IR2110采用CMOS施密特觸發(fā)輸入，兩路具有滯后欠壓鎖定。推挽式驅(qū)動輸出峰值電流2A，負載為1000pF時，開關(guān)時間典型值為25ns。兩路匹配傳輸導(dǎo)通延時為120ns，關(guān)斷延時為94ns。IR2110的腳10可以承受2A的反向電流。圖4-6 IGBT驅(qū)動電路4.4 轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)參數(shù)整定（1）系統(tǒng)的組成：該系統(tǒng)給定電位器RP6由轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)輸出電壓控制，用以保證轉(zhuǎn)速給定信號的精度。（2）系統(tǒng)的工作原理與靜特性：由系統(tǒng)的控制原理圖我們可以看出，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是按給定量和反饋量的偏差進行調(diào)節(jié)。其偏差大小，該信號經(jīng)過放大器放大后，去控制觸發(fā)器的脈沖移相角，調(diào)節(jié)整流電壓和電動機的轉(zhuǎn)速變化。只要系統(tǒng)的被調(diào)量轉(zhuǎn)速n產(chǎn)生偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用，也起到了穩(wěn)速的作用。通過定性的分析我們知道，開環(huán)系統(tǒng)中，當(dāng)負載增大時，電樞壓降也增大了，通過比較和放大，轉(zhuǎn)速只能老老實實的降下來；閉環(huán)系統(tǒng)裝有反饋裝置，轉(zhuǎn)速稍有降落，反饋電壓就感覺出來了。通過比較和放大，提高晶閘管整流輸出的電壓，使系統(tǒng)工作在新的機械特性上，因而轉(zhuǎn)速又有所回升，這就是轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)的基本機理。要實現(xiàn)該轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的各個參數(shù)，要有放大器，而且放大器的倍數(shù)要足夠大，才能保證一定的性能指標.因此在閉環(huán)系統(tǒng)中,引入轉(zhuǎn)速反饋電壓后，若要轉(zhuǎn)速偏差小,就必須壓得很低，所以必須設(shè)置放大器，才能獲得足夠的控制電壓。轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)參數(shù)計算：1 確定時間常數(shù)（1）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取=0.01s（2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)：按小時間常數(shù)近似處理，取2 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)按典型二型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)，故ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：式中 ：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； ：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。電動機：=180V=1500r/min=500.44A主回路：=0.3 =1.181H全控橋式整流：m=3負載及電動機：=0.18固有參數(shù)計算：電勢系數(shù)：=0.098轉(zhuǎn)矩系數(shù)： 0.095電磁時間常數(shù)：機電時間常數(shù)：s晶閘管整流器滯后時間常數(shù)：取ASR限幅值：10V取轉(zhuǎn)速給定的最大值：10V 取轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)：一般速度環(huán)節(jié)校正為典系統(tǒng)，要求系統(tǒng)無靜差時為PI調(diào)節(jié)器，則其時間常數(shù)和開環(huán)增益應(yīng)為：按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為轉(zhuǎn)速開環(huán)增益： =833.3于是，ASR的比例系數(shù)為：2 4.5轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)模擬式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電路如下所示：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計算： 圖4-7 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電路為轉(zhuǎn)速給定電壓為轉(zhuǎn)速負反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出是電 流調(diào)節(jié)器的給定電壓取，則 2*40=80 4.6橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的如圖4所示。PWM變換器的直流電源由交流電網(wǎng)經(jīng)不控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容濾波，以獲得恒定的直流電壓。由于電容容量較大，突加電源時相當(dāng)于短路，勢必產(chǎn)生很大的充電電流，容易損壞整流二極管，為了限制充電電流，在整流器和濾波電容之間傳入電阻Rz，合上電源后，用延時開關(guān)將Rz短路，以免在運行中造成附加損耗。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電動機制動時只好對濾波電容充電，這式電容器兩端電壓升高稱作“泵升電壓”。為了限制泵升電壓，用鎮(zhèn)流電阻Rx消耗掉這些能量，在泵升電壓達到允許值時接通。圖4-8 橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路第5章 設(shè)計總結(jié) 我認為，在這學(xué)期的課設(shè)中，不僅培養(yǎng)了獨立思考能力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，在課設(shè)中，我學(xué)會了很多學(xué)習(xí)的方法。而這是日后最實用的，真的是受益匪淺。要面對社會的挑戰(zhàn)，只有不斷的學(xué)習(xí)、實踐。這對于我的將來也有很大的幫助。以后，不管有多苦，我想我都能變苦為樂，找尋有趣的事情，發(fā)現(xiàn)其中珍貴的事情。當(dāng)我快要完成設(shè)計的時候感覺全身心舒暢，眼前豁然開朗。通過這次課程設(shè)計我受益匪淺。 起初，我對課程設(shè)計的內(nèi)容很模糊，感覺摸不著頭腦。通過這次設(shè)計以后，我收獲了很多。在一次又一次的搜集資料過程中，無形的我就把所學(xué)的專業(yè)知識梳理了一遍。這次課程設(shè)計。我學(xué)會了如何尋找資料并運用找到的資料結(jié)合課設(shè)要求進行設(shè)計，還對電力拖動自動控制系統(tǒng)知識的一些工作原理和方法也有了更深刻的理解。在對理論的運用中，提高了我的學(xué)習(xí)及實踐能力，在沒有做設(shè)計以前，我對知道的撐握都是思想上的，對一些細節(jié)不加重視，當(dāng)我把自己想出來的思路運用到設(shè)計中，出現(xiàn)了很多問題，對其做了很多修改。之后我對電力拖動自動控制系統(tǒng)的理解得到加強，看到了實踐與理論的差距。第6章 參考文獻：1 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)，第四版.北京：機械工業(yè)出版社，20032 李正熙，白晶 .電力拖動自動控制系統(tǒng)，第二版北京：冶金工業(yè)出版社，2003 3 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)，第三版.北京：機械工業(yè)出版社，20034 張東力、陳麗蘭、仲偉峰.直流拖動控制系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社，19995 顧繩谷 電機及電力拖動基礎(chǔ)。重慶大學(xué)出版社，20056 孫亮等 自動控制原理。北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，20017 胡壽松等，自動控制原理.北京工業(yè)大學(xué)出版社 20018 陳伯時，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社，20069 林瑞光.電機與拖動基礎(chǔ).浙江：浙江大學(xué)出版社，200210 朱仁初、萬伯任.電力拖動控制系統(tǒng)設(shè)計手冊.北京：機械工業(yè)出版社，199413 李明輝、 盧帆興 、鐘國梁.電力拖動綜合課程設(shè)計指導(dǎo)書.江西：江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，2010 14郭東棟 單片機控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 可編程控制器與工廠自動化，2007 （03）第5章 總體設(shè)計電路圖