北航自动化专业开题报告

毕业设计(论文)开题报告
题目：灌装车间数字生产线伺服控制系统方案研究
学生姓名：孙文彬学号：*********
专业：自动化
指导教师：**
2008年3月 20日
1 文献综述
1.1 本课题的意义
自1971年日本学者首次提出机电一体化(Mechatronics)这一概念以来，机电一体化技术经历了三十多年的发展，其内涵随科技的发展不断更新。

70年代，主要是指机械与电子的简单结合。

机电一体化产品也较简单。

主要涉及到高性能的伺服技术。

如自动售货机、自动相机等。

在80年代，高性能微处理器的出现立即在机电一体化产品中得到应用，大大提高了机电一体化产品的自动化、智能化程度改善了产品性能。

数控机床、工业机器人等是那个时代的典型机电一体化产品。

进入90年代，计算机网络和通讯技术的迅速发展，使机电一体化系统向着智能化和自动化方向发展。

此时机电一体化已不只是机械装置和电子装置的简单组合，而是机械、电子、控制、光学、信息和计算机等技术的相互交叉和融合。

机电一体化产品也更加多样化，应用更加广泛。

伺服系统用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统，又称随动系统。

在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角)伺服系统的结构组成。

伺服系统最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等。

没有任何一种驱动能像伺服驱动器一样体现现代科技的飞速发展。

它不仅拥有传统驱动器固有的驱动特性，而且正越来越多地参与系统的控制任务。

采用伺服系统主要是为了达到下面几个目的：①以小功率指令信号去控制大功率负载。

火炮控制和船舵控制就是典型的例子。

②在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距同步传动。

③使输出机械位移精确地跟踪电信号，如记录和指示仪表等。

现在伺服驱动器主要用于机床，精密机械，物流设备和工业机器人的定位控制。

现在，一些要求精确定位或多轴同步运转的系统，如印刷，输送装置和切割机中也越来越多地开始使用伺服驱动器。

在上述应用中，伺服驱动器，电机，和机械组件构成了一个紧凑的系统，并被认为是一个独立的整体。

随着工艺的日益复杂，以及现代工业对自动化设备生产效率要求的日益提高，高品质，高性能的伺服驱动控制器的应用也越来越广泛。

这种先进的驱动器将降低成本，提高效率产生深远的影响。

现代交流伺服系统，经历了从模拟到数字化的转变，数字控制环已经无处不在，比如换相、电流、速度和位置控制；采用新型功率半导体器件、高性能DSP加FPGA、以及伺服专用模块(比如IR推出的伺服控制专用引擎)也不足为奇。

国际厂商伺服产品每5年就会换代，新的功率器件或模块每2～2.5年就会更新一次，新的软件算法则日新月异，总之产品生命周期越来越短。

总结国内外伺服厂家的技术路线和产品路线，结合市场需求的变化，可以看到一些最新发展趋势。

交流伺服系统的市场范围不断扩大，越来越多取代机械传动、液压和气动传动系统；交流伺服不断取代直流伺服的市场份额，导致直流伺服在整个伺服市场的占有率从目前的不到15％每年大约下降0.5%；同时交流伺服成本和尺寸不断缩小，也在蚕食高端步进电机的市场，但是步进电机本身也在不断提高自己的竞争能力，不断延伸市场空间，因此在收到冲击的同时市场也在扩大，只是速度可能不如交流伺服这么快而已。

1.2国内外发展现状
1800年伏特发明电池，是电气出现的开端，电动机的诞生和发展在这之后可以分成几个阶段。

从1820年一直到整个19世纪末叶，发现了电磁现象以及相关的各种法则，诞生了交流电机的原型，并确立了电机的工业运用。

从20世纪开始一直到1970年代，是电动机的成长和成熟期，有刷直流电机、感应电动机、同步电动机和步进电动机等各种电机相继诞生，半导体驱动技术和电子控制概念引入，带来变频驱动的实用化。

从1970年代到20世纪末期，计算技术的飞跃发展为发展高性能驱动带来了机会，随着设计、评价、测量、控制、功率半导体、轴承、磁性材料、绝缘材料、制造加工技术的不断进步，电动机本体经历了轻量化、小型化、高效化、高力矩输出、低噪音振动、高可靠、低成本等一系列变革，相应的驱动和控制装置也更加智能化和程序化。

进入21世纪，在以多媒体和互联网为特征的信息时代，电动机和驱动装置继续发挥支撑作用，向节约资源、环境友好、高效节能运行的方
向发展。

交流伺服系统的相关技术，一直随着用户的需求而不断发展。

电动机、驱动、传感和控制技术等关联技术的不断变化、造就了各种各样的配置。

就电动机而言，可以采用盘式电机、无铁芯电机、直线电机、外转子电机等，驱动器可以采用各种功率电子元件，传感和反馈装置可以是不同精度、性能的编码器、旋变和霍尔元件甚至是无传感器技术，控制技术从采用单片机开始，一直到采用高性能DSP和各种可编程模块，以及现代控制理论的实用化等等。

我们从2005年11月在德国纽伦堡举办的SPS/IPC/Drives展览上可以看到世界范围内电气驱动、运动控制和相关软件的最新情况，其中交流伺服产品的亮点很多，代表了当前的国际水平。

根据ARC 2001年的报告，当年全球伺服驱动的市场规模是20.67亿美元，01年到06年的复合增长率在7％以上，预计全球伺服系统的市场规模在2006年会达到29亿美金左右(这个预测包括了交流伺服和步进电机)。

现在回过头来看，恐怕已经不止这个数据，这中间经历了911等因素造成的02、03年的市场衰退和04年之后的恢复性增长。

预计未来几年增长率会有所提高。

国内交流伺服的市场规模2006年估计在20亿人民币左右，市场规模近3年一直保持了大于25％的年复合增长率，在所有自动化产品中当属发展最快之列。

而且随着世界制造业加速向中国转移，国产数控装备在国家政策的扶持下快速向高性能、高附加值发展，国产交流伺服系统的性价比快速提高，交流伺服系统的市场会继续保持快速增长的势头，预计从2007到2010年，年平均增长率会维持在20％以上。

但是平均单价也将随着竞争加剧不断下降，每年大约下降10％。

中国伺服产品的用户区域主要分布在华东、华南和华北，其中华东市场(上海、江浙和山东)占45％，以广东为主的华南和以京津为主的华北各为15％左右。

华中和东北大约是10％。

华东市场是伺服最大的消费市场，而且这个趋势会持续下去。

国内交流伺服的市场规模2006年估计在20亿人民币左右，市场规模近3年一直保持了大于25％的年复合增长率，在所有自动化产品中当属发展最快之列。

而且随着世界制造业加速向中国转移，国产数控装备在国家政策的扶持下快速向高性能、高附加值发展，国产交流伺服系统的性价比快速提高，交流伺服系统的市场会继续保持快速增长的势头，预计从2007到2010年，年平均增长率会维持在20％以上。

但是平均单价也将随着竞争加剧不断下降，每年大约下降10％。

本设计选用德国LENZE技术，故特别说明：德国伦茨(Lenze)公司成立于1947年，自成立之日起，伦茨始终站在传动技术发展的前列，其产品的设计理念和技术水平始终处于同行业领先地位。

在传动产品的开发和制造过程中，伦茨始终遵循通用性、开放性、灵活性的原则。

现代化大规模生产手段和精湛的制造工艺造就了具有优异特性的伦茨传动产品。

精良的产品质量和完善的服务使伦茨深得各界用户之信赖。

经过半个多世纪的不懈努力，伦茨已跻身于世界知名的传动产品专业制造商行列，产品遍布世界各国。

其雇员总数已达3,000人，并在50多个国家设立了分公司或办事机构。

多年来，伦茨公司积累了丰富的工业传动专业技术应用经验，并擅长在此基础上为用户提供传动系统的交钥匙工程。

伦茨公司在中国的业务开始于20世纪60年代，时至今日，伦茨公司已在中国竖立了良好的品牌形象，成为在中国自动化传动领域占有相当市场份额的主流品牌之一。

其业务范围遍及纺织、包装、印刷、汽车、钢铁、矿山、烟草等几乎所有机器制造行业。

经过几年的努力，伦茨已在中国建立起一个结构严谨、高效运作的市场销售体系。

严格的市场管理和灵活的销售策略，将使客户的利益得到最强有力的保护。

高素质的人才和高质量的管理已使伦茨成长为一个高效运作的坚强集体，并已逐步建立起完善的市场服务体系，我们已相继组建了由专业技术人员组成的自动化工程设计队伍，客户服务中心，文档/信息中心，以及囊括了所有伦茨当前主流产品的传动技术实验室，同时，伦茨已在中国建成了现代化的集仓储、物流功能于一身的大型产品库，充足的货源、科学的管理将使用户得到比以往更加快捷的产品服务。

本设计采用的伺服驱动系统的主要选型器件及相关技术操作手册均来自德国LENZE传动技术公司，在此表示感谢。

参考文献
1 陈辉堂。

数字控制系统.西安：西安交通大学出版社，1986
2 金钰，胡佑德，李向春，伺服系统设计指导.北京：北京理工大学出版社，2000
3 刘胜，彭侠夫，叶瑰钧。

现代伺服系统设计.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2001
4 王成元，周姜文，郭庆鼎.矢量控制交流伺服驱动电动机.北京：机械工业出版社，1995
5 H Le-Huy,and LA Dessaint.An sdaptive current control scheme for PWM synchronous motor drives:Analysis and simulation.IEEE Trans.POWER electron..1989,4:486-495.
6 I Boldea,Z X Fu,S A Nasar.Performance evaluation of axially laminated anisotropic(ALA)rotor,reluctance,synehronous,motors.IEEE,Trans.Ind.Appliant ..1994,30:977~985
7 LENZE 操作手册 693013 CN 9300系列交流伺服驱动系统0.37-75KW
8 LENZE 操作手册 7AC032 CN
9 LENZE 操作手册 693P31 CN 9300EP位置型伺服控制器
10 LENZE Intelligent automation Evs9300U-PRUE 411 242-EDS 9300UE-PC 00411235-Manual part C.-Commissioning During operation.
11 LENZE-Variable speed Drives for Automation-Dr.-Ing.peter F.Brosch
2 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段及途径
2.1课题要求
数字伺服控制也称随动系统，是应用数字控制器来控制被控对象的某种状态，使其能自动地，连续地，精确地复现输入信号的变化规律，它通常是闭环控制系统。

在灌装生产线上，利用伺服控制系统。

过两轴联动控制实现无PLC的罐装控制，精确调节进给螺杆和传送带，控制定量给料单元来描述不同的灌装单元，真正实现不停滞灌装，大大提高了利用率和生产能力。

有效降低系统成本，提高系统的稳定性和动态响应性，实现方案简单易操作。

1、查阅相关论文（书籍），了解电气伺服控制系统的结构及工作原理；
2、根据FA机械传动系统的要求，确定控制策略的方案；
3、对工艺做简单介绍，实现方案介绍，硬件配置，控制器功能介绍，主电路图，控制电路图，控制逻辑和控制程序（包括个位置的计算），调试步骤，现场工作结论；
4、按照学校有关文件的要求完成毕业设计及前期材料。

2.2 拟采用的手段和方法
2.2.1系统构成
2.2.2系统流程设计及相关软件
(1) 研究手段
本课题的主要研究对永磁同步电机的结构及其数学模型进行了探讨，研究了空间矢量脉宽调制的实现方法；对控制器局域网(CAN)总线技术在伺服系统中的应用进行了研究。

包括通讯协议的研究及接口电路的硬件实现；基于电机控制专用伺服控制器，本文研制开发了一套带有CAN接口的全数字交流永磁伺服系统。

包括LENZE9300伺服控制器的软硬件的使用；对交流伺服控制系统的智能控制策略进行了研究。

联系实际对某工厂提出的设计要求，设计伺服控制系统。

图1 基本流程图
在设计框架方面本人拟采取2块9300EP伺服控制器分别控制两组电机，将研究重点放在参数的选型上，在安装环境，设计要求，国外标准，根据电机选择控制器，涉及到滤波，PTI保护。

总线在接口方面，分为AIF自动化接口和FIF功能模块接口，用到CAN，PROFIBUS，I/O模块，A/D输出输入等相关知识。

在流水线检测方面，本人考虑了相对速度，容器规格，位置量，流量等方面。

计划中要完成的问题还涉及到直流并联共母线的接法的选择，滤波器的选择，CAD绘制电气工程图。

参阅LENZE技术操作手册，掌握GDC，DSC等相关自动化软件的使用方法。

(2) 基于伺服控制系统的控制研究
在灌装生产线中，要求精确地确定每个灌装过程的灌装速度。

采用LENZE9400伺服驱动器（0，37-75KW）可以的到最佳灌装效果。

可将8种适应于不同瓶型的灌装曲线直接存储于伺服驱动器的内部；必要时，曲线功能可立即在线关闭；位置曲线可在线调整（曲线延展，压缩，偏置等）。

控制方式的研究：速度控制，转矩控制，位置控制，纠编控制等几个方面展开研究。

用到的伺服PLC支持多种工业总线：LECOM-A/B，LECOM-LI，INTERBUS，INTERBUS-LOOP，PROFIBUS-DP，DeviceNet,CANopen,LON.GDC软件系统支持5种通用的编程模式，无须从新学习编程语言。

图2 9400数字魔方
（3）控制器编程
PositionServo:PositionServo是一种可编程数字驱动器/运动控制器，可以配置为独立的可编程运动控制器或作为集中控制系统的高性能转矩和速度驱动器。

PositionServo系列驱动器包括940基于编码器的驱动器和941基于解析器的驱动器。

SimpleMotion编程语言（SML）是MOTIONVIEW软件平台使用的编程软件。

SML
软件为创建运动应用解决方案提供了非常灵活的开发环境。

使用该软件可以创建复杂且智能的运动，处理输入/输出，执行复杂的逻辑决策，进行程序转移，使用时间时间流程，以及PLC和高端运动控制器的许多其他功能。

例：I/O定义：I/O LIST
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