電拖動課設-物轉送車舉升系統(tǒng).doc

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目錄 第1章 設計任務分析 1 1.1 課題的內容與要求 1 1.2 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 2 2.1 靜態(tài)性能指標 2 2.2 動態(tài)性能指標 2 第3章 物轉送車舉升系統(tǒng)電機選型計算 3 3.1 電機容量的選擇 3 第4章 控制系統(tǒng)設計 5 4.1位置、轉速雙環(huán)控制的位置隨動系統(tǒng) 5 4.2 位置隨動系統(tǒng)組成部件 5 4.3 PWM控制器設計 7 4.4 轉速環(huán)節(jié)參數(shù)整定 8 4.5轉速調節(jié)器的實現(xiàn) 11 4.6橋式可逆直流脈寬調速系統(tǒng) 12 第5章 設計總結 13 第6章 參考文獻 13 第7章 原理圖 14  第1章 設計任務分析 1.1 課題的內容與要求 設計題目：物轉送車舉升系統(tǒng) 設計要求：某立體物流倉庫，絎架式貨物轉送車舉升系統(tǒng)采用直流電動機驅動滑輪鋼索減速機構。減速比1000：1（電動機旋轉1000轉，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，有多種控制方式靈活選用，適用不同的領域。拖動系統(tǒng)結構簡圖如圖 貨物 電機 1層 2層 3層 4層 圖1-1 拖動系統(tǒng)結構簡圖 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)指標代表調速系統(tǒng)在穩(wěn)定運行中的各種性能，主要指調速范圍和靜差率。 1. 調速范圍：生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉速和最低轉速之比叫做調速范圍，用字母D表示，即D= 2. 靜差率：當系統(tǒng)在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應的轉速降落，與理想空載轉速之比，稱作靜差率s，即S= 調速范圍和靜差率不是彼此孤獨的，必須同時提高才有意義。調速系統(tǒng)的靜差率指標應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)響應的最大超調量、調整時間和振蕩次數(shù)三個指標來衡量。 最大超調量：σ=n(max)-n(ref)∕n(ref)*100% 調節(jié)時間ts：給定量作用于系統(tǒng)開始到被調量進入穩(wěn)定區(qū)域的時間。 振蕩次數(shù)：被調量在穩(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)響應性能，一般用最大動態(tài)速降Δnmax、恢復時間Tf和振蕩次數(shù)N來衡量。 最大動態(tài)速降Δnmax反映了系統(tǒng)抗干擾的能力和穩(wěn)定性。 恢復時間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α變化） 以上這些動、穩(wěn)態(tài)指標為設計電力拖動系統(tǒng)的結構方案、控制方案、調節(jié)器形式以及調節(jié)器參數(shù)校正提供了依據(jù)，為系統(tǒng)的調試、評價提供了標準。 第3章 物轉送車舉升系統(tǒng)電機選型計算 3.1 電機容量的選擇 設計電力拖動系統(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）電動機應滿足生產(chǎn)機械需要的有關機械特性的要求。保證一定負載下的轉速穩(wěn)定，有以定的調速范圍及具有良好的起動和制動性能。 （3）電動機的結構型式應滿足設計提出的安裝要求和適應周期的工作環(huán)境。例如防止灰塵進入電動機內部，或者防止繞組絕緣受有害氣體腐蝕等。 （1）、電動機的額定轉速=1500r/min （2）、本倉庫貨物轉送車舉升平臺：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- 轉矩 （mN.m） 轉速 （r/min） 功率 （W） 電壓（V） 電流（A） 允許順逆轉速差 （r/min） 轉動慣量 不大于 （mN.m.s2） 附注 電樞 激磁 電樞 激磁 90SZ01 323 1500 50.0 110 110 0.66 0.200 100 0.180 90SZ02 323 1500 50.0 220 220 0.33 0.110 100 0.180 90SZ03 294 3000 92.0 110 110 1.20 0.200 200 0.180 90SZ04 294 3000 92.0 220 220 0.60 0.110 200 0.180 90SZ05 294 3000 92.0 24 24 6.10 0.800 200 0.180 90SZ10 294 3000 92.0 180 200 0.75 0.110 200 0.180 90SZ11 294 3000 92.0 36 36 4.00 0.520 200 0.180 90SZ12/H5 294 3300 100.0 27 27 6.10 0.900 220 0.180 90SZ13 323 1000 34.0 180 200 0.33 0.120 80 0.180 90SZ14 323 1500 50.0 180 200 0.44 0.120 100 0.180 90SZ15 294 2250 69.0 180 200 0.56 0.120 150 0.180 90SZ16 323 1500 50 48 1.5 90SZ51 510 1500 80.0 110 110 1.10 0.230 100 0.250 90SZ52 510 1500 80.0 220 220 0.55 0.130 100 0.250 90SZ53 480 3000 150.0 110 110 2.00 0.230 200 0.250 90SZ54 480 3000 150.0 220 220 1.00 0.130 200 0.250 90SZ55 510 1500 80.0 24 24 5.00 1.000 100 0.250 90SZ57 319 15000 500.0 220 220 3.70 0.130 700 0.250 短時，2min 90SZ58 319 15000 500.0 55 56 16.00 0.470 700 0.250 短時，2min 90SZ60 824 1500 130.0 60 60 4.00 0.520 100 0.250 短時，2min 90SZ61/H1 294 3000 92.0 48 48 2.90 0.490 200 0.250 90SZ62/H4 510 3000 160.0 36 36 6.70 0.620 200 0.250 90SZ64 510 1000 54.0 180 200 0.48 0.140 70 0.250 90SZ65 510 1500 80.0 180 200 0.68 0.140 100 0.250 90SZ66 480 2250 113.0 180 200 0.90 0.140 150 0.250 90SZ67 480 3000 150.0 180 200 1.25 0.140 200 0.250 90SZ68C/H7 176 13000 240.0 24 18.00 0.250 串勵，短時，1h 90SZ69 245 6000 150.0 220 220 1.10 0.130 300 0.250 90SZ71 480 3000 150.0 42 42 4.90 0.630 200 0.250 我們可以知道此次課程設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)設計 4.1位置、轉速雙環(huán)控制的位置隨動系統(tǒng) 本次課程設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，一般是在調速系統(tǒng)基礎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、旋轉變壓器或同步感應器等。它的工作原理與圖4-1的系統(tǒng)類似。 圖4-1 位置、轉速雙環(huán)控制的位置隨動系統(tǒng) APR-位置調節(jié)器 ASR-轉速調速器 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的轉動軸與手輪相連，作為轉角給定；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)。轉動軸通過機械連桿機構與負載部分相連，作為轉角反饋。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動伺服電動機SM的電壓。 （4） 執(zhí)行機構：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，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)一般結構圖 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，此次課程設計采用的檢測元件為伺服電位器。當我們用按鈕選擇2V時，舉升平臺上升第二層，當選擇3V時，舉升平臺上升第三層，如此類推，按鈕選擇不同的檔位，舉升平臺上升相應的層數(shù)。 2）、執(zhí)行機構 隨動系統(tǒng)的執(zhí)行機構通常由伺服電機和減速器構成，其作用是將控制電壓信號轉換成轉軸上的角位移或角速度（轉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，要求轉動慣量小，過載轉矩大以提高快速性。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。 就本設計用到的直流伺服電機作如下介紹： 直流伺服電機的結構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控制器設計 本設計的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脈寬調制型控制器 圖4-4 SG3225引腳圖 開關電源輸出電壓經(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制信號。 2）IGBT驅動采用了集成芯片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；輸出的柵極驅動電壓范圍為10～20V，邏輯電源電壓范圍為5～15V，邏輯電源地電壓偏移范圍為－5V～＋5V。IR2110采用CMOS施密特觸發(fā)輸入，兩路具有滯后欠壓鎖定。推挽式驅動輸出峰值電流≥2A，負載為1000pF時，開關時間典型值為25ns。兩路匹配傳輸導通延時為120ns，關斷延時為94ns。IR2110的腳10可以承受2A的反向電流。 圖4-6 IGBT驅動電路 4.4 轉速環(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由轉速環(huán)節(jié)輸出電壓控制，用以保證轉速給定信號的精度。 （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)的轉速調節(jié)是按給定量和反饋量的偏差進行調節(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，調節(jié)整流電壓和電動機的轉速變化。只要系統(tǒng)的被調量轉速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，當負載增大時，電樞壓降也增大了，通過比較和放大，轉速只能老老實實的降下來；閉環(huán)系統(tǒng)裝有反饋裝置，轉速稍有降落，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，因而轉速又有所回升，這就是轉速閉環(huán)系統(tǒng)的基本機理。 要實現(xiàn)該轉速系統(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,引入轉速反饋電壓后，若要轉速偏差小,就必須壓得很低，所以必須設置放大器，才能獲得足夠的控制電壓。 轉速環(huán)節(jié)參數(shù)計算： 1 確定時間常數(shù) （1）轉速濾波時間常數(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 選擇轉速調節(jié)器的結構 按典型二型系統(tǒng)設計轉速環(huán)，故ASR選用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： 式中 ：轉速調節(jié)器的比例系數(shù)； ：轉速調節(jié)器的超前時間常數(shù)。 電動機：=180V =1500r/min =50 0.44A 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 取轉速給定的最大值：10V 取轉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調節(jié)器，則其時間常數(shù)和開環(huán)增益應為： 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 轉速開環(huán)增益： =833.3 于是，ASR的比例系數(shù)為： 2 4.5轉速調節(jié)器的實現(xiàn) 模擬式轉速調節(jié)器的電路如下所示： 轉速調節(jié)器參數(shù)計算： 圖4-7 轉速調節(jié)器的電路 —為轉速給定電壓 —為轉速負反饋電壓， —調節(jié)器的輸出是電 流調節(jié)器的給定電壓 取，則 2*40=80 4.6橋式可逆直流脈寬調速系統(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速系統(tǒng)主電路 第5章 設計總結 我認為，在這學期的課設中，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，在課設中，我學會了很多學習的方法。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)，只有不斷的學習、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。當我快要完成設計的時候感覺全身心舒暢，眼前豁然開朗。通過這次課程設計我受益匪淺。 起初，我對課程設計的內容很模糊，感覺摸不著頭腦。通過這次設計以后，我收獲了很多。在一次又一次的搜集資料過程中，無形的我就把所學的專業(yè)知識梳理了一遍。 這次課程設計。我學會了如何尋找資料并運用找到的資料結合課設要求進行設計，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，提高了我的學習及實踐能力，在沒有做設計以前，我對知道的撐握都是思想上的，對一些細節(jié)不加重視，當我把自己想出來的思路運用到設計中，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，第四版.北京：機械工業(yè)出版社，2003 [2] 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，2003 [4] 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，1999 [5] 顧繩谷 電機及電力拖動基礎。重慶大學出版社，2005 [6] 孫亮等 自動控制原理。北京：北京工業(yè)大學出版社，2001 [7] 胡壽松等，自動控制原理.北京工業(yè)大學出版社 2001 [8] 陳伯時，陳敏遜.交流調速系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社，2006 [9] 林瑞光.電機與拖動基礎.浙江：浙江大學出版社，2002 [10] 朱仁初、萬伯任.電力拖動控制系統(tǒng)設計手冊.北京：機械工業(yè)出版社，1994 [13] 李明輝、 盧帆興 、鐘國梁.電力拖動綜合課程設計指導書.江西：江西理工大學應用科學學院，2010 [14]郭東棟 單片機控制的直流調速系統(tǒng) 可編程控制器與工廠自動化，2007 （03） 第5章 總體設計電路圖