DSP的皮带传输伺服控制系统改进计划书

DSP的皮带传输伺服控制系统改进计划书1．系统指标的详细描述
1）总体描述：
本系统是一个基于DSP的皮带传输伺服控制系统，与采用硬接线方式的继电器控制系统的传统皮带传输机相比具有诸多优点，如体积小、故障率低、调速精度高、动态响应好。

可以实现不同载荷的速度控制和位置控制，并可以通过优化PID参数提高载荷突增或突减时的稳定性，缩短响应时间。

考虑到实验室所提供的设备，本装置定位是轻型皮带传输控制，可用于电子、机械、包装等行业的小型物料传输系统。

本系统通过采用磁场定向的控制原理和坐标变换，实现矢量控制，并结合正弦波脉宽调制控制技术还有包括位置反馈、速度反馈和电流反馈的三闭环系统实现对电机的控制。

伺服驱动器的DSP控制模块还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，PWM信号会被DSP立即封锁，使电机处于制动状态，从而实现保护功能。

2）系统组成：
本系统硬件结构主要由触摸屏、伺服驱动器、伺服电机和编码器组成，如图所示。

外围电路还有：通信模块电路、辅助电源模块电路等，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。

图1 装置总体布局
本装置主要采用伟创电气SD600系列交流伺服电机驱动系统；人机模块采
用VI10触摸屏。

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
配套电源线及信号线等
3）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。

其中位置精度是指系统指令目标值与最终定位点之间的静态误差；速度超调量是指速度在响应的过程中所产生的速度最大值和额定速度之比，速度控制范围是指电机最高转速和最低转速之比。

编码器线数是每转的脉冲数，编码器线数越高，分辨率越高，定位角度越小，定位精度也就越高。

以下是具体参数：
位置精度：o
±（1圈）
360
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：2500P/R
（带宽：0.2m 长度：1.0m 倾斜角度：ɑ<10°输送量：不大于100kg/h
安装海拔：低于1000m，高于1000m应降额使用。

环境要求：室内，无腐蚀性气体，0~45℃）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。

单相交流永磁同步电机伺服驱动器主要规格参数：
单相交流永磁同步电机主要规格参数：
4）伺服驱动器内部主电路及其控制回路：
如图2所示，主电路采用传统的AC-DC-AC（交直交）结构，控制回路采用三闭环位置控制。

在主电路中：整流部分是单向不控整流；直流部分包括启动电阻、滤波电容；逆变部分采用单相PWM电压型逆变器，如图2。

其中，启动电阻是为了在首次启动时防止电容的充电电流过大，正常运行后就自动将其旁路。

滤波电容起到一个稳定直流侧电压的作用。

图2 驱动器主电路
控制部分分为两种模式，速度控制和位置控制。

如前所述，这样是为了实现不同形式的皮带传动。

速度控制框图如图3所示。

触摸屏给定的速度参考值与由编码信号处理器输出的速度反馈值做差获得速度控制器的控制量。

速度控制器的输出量作为电流控制器的参考值，电流控制器的反馈来自于检测到的逆变器输出电流。

电流控制器输出正弦信号给PWM调制器，PWM调制器利用SVPWM方式获得驱动信号，最终驱动逆变电路的IGBT。

为了快速性，一般速度控制器用P控制，电流控制器用PI控制。

逆变器逆变器输出电流电机转速
图3 速度控制框图
位置控制框图如图4所示。

伺服电机的位置控制是一个三闭环控制系统。

位置控制器的位置参考值由触摸屏手动给定，与编码处理器反馈的电机转角信号作差后获得位置控制器的控制量，位置控制器的输出成为速度控制器的参考值。

之后，位置控制系统和上述速度控制器的控制架构类似。

一般情况下，为了相应的快速性，位置控制器和速度控制器都用P控制，电流控制器用PI控制。

也有为了追求稳态精度而在速度控制器里也用PI控制。

本装置为了控制设计简单，暂定为选用前一种控制方式。

逆变器逆变器输出电流电机转角
图4 位置控制框图
2. 开发已有的经验和知识
1）软件部分
对仿真软件PSIM和MATLAB有一定的了解，会利用仿真软件对主电路和控制电路进行仿真，会使用CCS进行程序的编写和调试。

对Altium Designer 有一定的了解，会用Altium Designer设计并画出PCB板。

对DGUS图形应用服务软件有一定的了解，可进行人机交互界面的设计。

2）控制部分
熟悉SVPWM的原理，能够利用SVPWM产生正确的驱动信号，掌握PID控制，可以通过优化PID参数提高载荷突变时系统的稳定性，缩短响应时间。

能
够正确的使用TMS320F28335 DSP控制芯片对本系统进行控制。

3）硬件部分
能够通过平台指标选择主电路元件的参数和相应的型号（其中包括电感值及其型号，电容值及其型号，开关元件的额定电流、额定电压及其型号），能够利用已知开关元件的型号选择合适的驱动芯片、合适的散热器和电源模块。

能够搭建硬件平台，进行元器件的焊接和电路板的测试。

会对软、硬件电路进行联合调试，使系统能正常的运行。

3. 项目开发计划
开发计划说明：按照项目需求，将组员根据擅长进行分组。

进行系统的电路设计及仿真，控制策略制定和程序编写，人机交互界面设计，以及最终的联合调试。

由于本次设计的目的是相互学习，因此组员们在做好各自任务之余应一起多交流、相互帮助。

具体的项目开发计划如表1所示：
表1 项目开发计划
4.风险评估
该部分分别就时间、成本、安全性和投入市场过程中可能出现的超预算、损失和其他问题进行了分析，并设想了相关的解决办法。

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
本系统的硬件部分都是采用的已有的产品，在开发过程中所要做的工作就是硬件设备的连接、伺服驱动器中程序的编译、控制参数的整定以及整体性能的调试。

由于本组开发人员对伺服系统及其控制不太了解，在程序编译和参数整定的过程中可能会耗费大量时间，影响任务进度，从而使得产品进入市场较晚，效益产生也比较晚。

解决办法：使本组开发人员对相关知识进行深入学习，提高工作效率，尽快熟悉系统开发所需要的知识，尽量缩短开发时间。

2) 硬件成本的超预算分析
在调试的过程中可能会出现烧毁硬件的情况，或是在反复试验控制性能的过程中会出现硬件老化、磨损等，这样就使得系统开发成本进一步增加。

解决办法：在实际调试过程中谨慎细心，尽量少出差错，把损失降到最小。

3) 产品知识产权的安全保密性分析
由于本系统的控制程序是烧写在伺服驱动器控制板上的DSP中，所以在进入市场之后，可能会出现程序被盗的情况。

这样也是变相地降低本产品的市场竞争力。

解决办法目前还没有，唯一的办法就是自主研发一套硬件电路，将程序中的关键部分存入更加保密的芯片中，如FPGA。

然而这也增加了开发成本、延长了开发周期。

4）投入市场过程中的风险分析
本系统基于皮带传送应用背景虽然有创新点，但由于本组人员刚刚着手开发，对相关领域的市场调研还不充足，所以并不能确定将来投放到市场里就有很强的竞争力。

如果将来真的没有市场，那么本组将面临颗粒无收的重大损失。

解决方案如下。

开发初期就致力于开发一套比较通用的“基于永磁同步电机的交流伺服控制系统”。

开发这样的“原型机”目的主要着重于其本体的控制性能的设计与把握，使各个方面的控制指标都有调整和伸缩的可能性。

比如：不仅可以实现位置控制、也可实现速度控制，而且能够应用于诸如食品生产流水线、矿井运输、文字图像打印等各个领域。

在需要应用到具体领域的时候再做相关方面的优化和提升，以便可以在不同领域内竞争。

5.系统（或装置）开发的目的
皮带传输机是一种连续，快速，高效的物料传输设备，广泛使用于煤炭，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。

随着科学技术不断发展，伺服技术不断成熟，它被更多的应用到智能控制、自动控制领域，成为现代装备、自动化设备等不可缺少的一项重要技术。

伺服电机不但能够实现精准的速度控制，而且能够实现精准的角度（位置）控制，具有较强的动态特点。

作为生产企业需要采用先进的生产和建造控制系统，来满足人们对各个领域基础建设的高要求。

本次课程实践将以皮带传输为背景，对基于DSP的伺服电机控制系统进行设计，实验。

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控制算法，已成为交流伺服系统的发展趋势。

本系统既可以实现不同载荷时皮带的恒转速控制，也可以实现不同载荷时的精确位置控制。

并可以通过优化PID参数提高载荷突增或突减时的稳定性，缩短响应时间。

如果控制要求发生改变，这时不需要更换设备，只要改变控制程序即可，这样既可以节约资金又可以节约时间，具有较高的技术经济指标。

6.标准要求及文档（安规，文档，开发环境，品质数据）
安全规范：
该项目应该遵循以下国际标准或者国家标准来进行开发和管理。

（1）GB/T 2423.(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；
（2）GB/T 17626.14-2005 电磁兼容试验和测量技术电压波动抗扰度试验;
（3）IEC 60990-1999 接触电流和保护导体电流的测量方法；
（4）GB16179-1996 安全标志使用导则；
（5）GB 4208-2008 外壳防护等级（IP代码）；
（6）GB/T 12325-2008 电能质量；
（7）GBT 7345-2008 控制电机基本技术要求；
（8）GBT 7344-1997 交流伺服电动机通用技术条件；
（9）GB 14711-93 中小型旋转电机安全通用要求。

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。

开发环境：
仿真软件：Matlab/Simulink
程序调试软件：CCS6.0（Code Composer Studio）
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。

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：负载侧和直流侧的过电压、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
7. 成本分析
1）下表2为实验硬件平台搭建所需要的实验材料费用共3320元，具体如下：
表2 硬件平台实验材料费用清单
2）另外该项目除硬件平台费用外还包括以下研发经费费用：
(1) 测试、计算分析费：1000元
(2) 能源与动力，电费0.5元/度，该项目时间预计为1个月，每天做实验3小
时，每小时耗电4度算，共计电费180元
(3) 会议费、出版物/文献/有用信息、查阅文献等费用100元/人算总共600元 3）仪器设备费
购买相关的电流电压测试分析设备，示波器，万用表等，考虑消耗，5000元。

4）劳务费
50元/人.天计算，1个月劳务费为9000元。

以上费用合计共19100元。

8. 常用术语定义
1）整流器（rectifier）
整流器是一个整流装置，简单的说就是将交流（AC）转化为直流（DC）的装置。

它有两个主要功能：第一，将交流电（AC）变成直流电(DC)，经滤波后供给负载，或者供给逆变器；第二，给蓄电池提供充电电压。

因此，它同时又起到一个充电器的作用。

2）逆变器（inverter）
逆变器（inverter）是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成交流电（一般为220V 50Hz正弦或方波）。

通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。

它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。

3）伺服系统(servomechanism)
伺服系统(servomechanism)又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。

伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制系统。

它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制非常灵活方便。

4）伺服驱动器(servo drives)
伺服驱动器(servo drives)又称为"伺服控制器"、"伺服放大器"，是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。

一般是通过位置、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，目前是传动技术的高端产品。

5）永磁同步电机（PMSM）
永磁同步电机（PMSM）是绕线式同步电机发展而来的，它用永磁体代替了电励磁，从而省去了励磁线圈、滑环与电刷，其定子电流与绕线式同步电机基本相同，输入为对称正弦交流电，故称为交流永磁同步电机。

6）触摸屏(touch screen)
触摸屏(touch screen)又称为"触控屏"、"触控面板"，是一种可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连结装置，可用以取代机械式的按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。

触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。

7）矢量控制（vector control，VC）
矢量控制就是将磁链与转矩解耦，有利于分别设计两者的调节器，以实现对交流电机的高性能调速。

矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。

这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。

矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到
控制异步电动机转矩的目的。

8）SVPWM空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation) SVPWM是以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成PWM波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。

传统的SPWM方法从电源的角度出发，以生成一个可调频调压的正弦波电源，而SVPWM方法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。

9）PID控制
反馈理论的要素包括三个部分:测量、比较和执行。

测量关心的是被控变量的实际值，与期望值相比较，用这个偏差来纠正系统的响应，执行调节控制。

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

本工程主要利用PID进行速度控制、位置控制、和电流控制，实现对被传送物速度位置的控制。

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