电拖动课设-物转送车举升系统.doc

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目录 第1章 设计任务分析 1 1.1 课题的内容与要求 1 1.2 系统概述与分析 1 第2章 电力拖动系统的性能指标分析 2 2.1 静态性能指标 2 2.2 动态性能指标 2 第3章 物转送车举升系统电机选型计算 3 3.1 电机容量的选择 3 第4章 控制系统设计 5 4.1位置、转速双环控制的位置随动系统 5 4.2 位置随动系统组成部件 5 4.3 PWM控制器设计 7 4.4 转速环节参数整定 8 4.5转速调节器的实现 11 4.6桥式可逆直流脉宽调速系统 12 第5章 设计总结 13 第6章 参考文献 13 第7章 原理图 14  第1章 设计任务分析 1.1 课题的内容与要求 设计题目：物转送车举升系统 设计要求：某立体物流仓库，绗架式货物转送车举升系统采用直流电动机驱动滑轮钢索减速机构。减速比1000：1（电动机旋转1000转，平台上升/下降1m），其传动效率0.9，飞轮惯量可忽略。举升平台自重15Kg，最大货物重185Kg，货架层高2m，共4层。试设计电力拖动自动控制系统，使平台最大层间运行时间小于100S。工作现场有三相四线制380V交流电源，100A空开保护，电网最大电压波动，通风良好，环境干燥，无粉尘，现场无防爆要求。 1.2 系统概述与分析 物转送车举升系统的主要部分有土建、机械和电气等组成，机械部分有动滑轮、臂杆、钢丝绳以及其他机械部分。。采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件，具有很高的运行可靠性和功能的多样性，采用SG3525芯片进行脉宽调制，可使曳引机在低噪声下运行，系统更加平稳。全面而完善的保护功能为系统提供了可靠而良好的保护性能，高性能的矢量控制技术，有多种控制方式灵活选用，适用不同的领域。拖动系统结构简图如图 货物 电机 1层 2层 3层 4层 图1-1 拖动系统结构简图 第2章 电力拖动系统的性能指标分析 电力拖动系统拖动的工艺设备总是对电力拖动系统提出一定的性能指标要求，包括技术性指标、可靠性指标、经济性指标等方面的指标。 2.1 静态性能指标 静态指标代表调速系统在稳定运行中的各种性能，主要指调速范围和静差率。 1. 调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母D表示，即D= 2. 静差率：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率s，即S= 调速范围和静差率不是彼此孤独的，必须同时提高才有意义。调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。 2.2 动态性能指标 1. 跟踪指标：调速系统对给定信号的跟随性能一般用阶跃给定信号下，系统响应的最大超调量、调整时间和振荡次数三个指标来衡量。 最大超调量：σ=n(max)-n(ref)∕n(ref)*100% 调节时间ts：给定量作用于系统开始到被调量进入稳定区域的时间。 振荡次数：被调量在稳定值上下摆动的次数。 2. 抗扰动指标：对扰动量作用的动态响应性能，一般用最大动态速降Δnmax、恢复时间Tf和振荡次数N来衡量。 最大动态速降Δnmax反映了系统抗干扰的能力和稳定性。 恢复时间Tf反映系统的抗扰能力。 振荡次数N定义同跟随特性，同样反映系统稳定性和抗扰能力。 1. 负载变化的扰动（使Id变化） 2. 交流电源电压波动的扰动（使Ks变化） 3. 电动机励磁的变化的扰动（使Ce变化） 4. 放大器输出电压漂移的扰动（使Kp变化） 5. 温度引起主电路电阻增大的扰动（使R变化） 6. 检测误差的扰动（使α变化） 以上这些动、稳态指标为设计电力拖动系统的结构方案、控制方案、调节器形式以及调节器参数校正提供了依据，为系统的调试、评价提供了标准。 第3章 物转送车举升系统电机选型计算 3.1 电机容量的选择 设计电力拖动系统首先要为生产机械的电力拖动系统选用电动机，主要内容包括确定电动机的种类、电动机的型号、电动机的电气参数等。选择电动机的基本原则如下： （1）电动机在工作过程中，其额定功率应得到充分利用。要求温升接近但不超过规定的允许数值。 （2）电动机应满足生产机械需要的有关机械特性的要求。保证一定负载下的转速稳定，有以定的调速范围及具有良好的起动和制动性能。 （3）电动机的结构型式应满足设计提出的安装要求和适应周期的工作环境。例如防止灰尘进入电动机内部，或者防止绕组绝缘受有害气体腐蚀等。 （1）、电动机的额定转速=1500r/min （2）、本仓库货物转送车举升平台：自重 最大货物重量 =185Kg 举升平台启动开始加速，然后稳速运行，最后制动，最大层间运行时间小于100s。运行过程图如下： 100s 图3-1 运行过程图 （3）、平台的等效线速度：=1.2m/min （4）、电动机的额定功率： 参照电动机选型表如下： 表3.1电机数据参数 型号 SDDM- 转矩 （mN.m） 转速 （r/min） 功率 （W） 电压（V） 电流（A） 允许顺逆转速差 （r/min） 转动惯量 不大于 （mN.m.s2） 附注 电枢 激磁 电枢 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 短时，2min 90SZ58 319 15000 500.0 55 56 16.00 0.470 700 0.250 短时，2min 90SZ60 824 1500 130.0 60 60 4.00 0.520 100 0.250 短时，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 串励，短时，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 我们可以知道此次课程设计所选的电机型号为： 90sz14型号：GD2=J*4g+365*（1/40）= =180V =1500r/min =50W =0.180 TL=323N/m 0.44A 第4章 控制系统设计 4.1位置、转速双环控制的位置随动系统 本次课程设计采用模拟式位置随动系统。典型的模拟式位置随动系统如图4-1所示，一般是在调速系统基础上再外加一个位置环组成。这类系统的各种参量都是连续变化的模拟量，其位置检测可采用伺服电位器、自整角机、旋转变压器或同步感应器等。它的工作原理与图4-1的系统类似。 图4-1 位置、转速双环控制的位置随动系统 APR-位置调节器 ASR-转速调速器 TG-测速发电机 4.2 位置随动系统组成部件 所谓位置随动系统就是实现执行机构对位置指令（给定量）的准确跟踪系统。 位置随动系统中的位置指令（给定量）和被控制量一样也是位移（或代表位移的电量），当然可以是角位移，也可以是直线位移，所以，位置随动系统必定是一个位置反馈控制系统。 一般这个系统由以下几个部分组成： （1） 位置检测器：由电位器RP1和RP2组成位置（角度）检测器，其中电位器RP1的转动轴与手轮相连，作为转角给定；通过电位器RP2选择不同的档位，可以实现控制不同的层数。转动轴通过机械连杆机构与负载部分相连，作为转角反馈。两个电位器由同一个直流电源Us供电，这样可将位置信号直接转换成电量输出。 （2） 电压比较放大器：由放大器1A、2A组成，其中放大器1A仅起倒相作用，2A则起电压比较和放大作用，其输出信号作为下一级功率放大器的控制信号，并具备鉴别电压极性（正反相位）的能力。 （3） 可逆功率放大器：为了推动随动系统的执行电动机，只有电压放大是不够的，还必须有功率放大。功率放大由晶闸管或大功率晶体管组成整流电路，由它输出一个足以驱动伺服电动机SM的电压。 （4） 执行机构：永磁式直流伺服电动机SM作为带动负载运动的执行机构，电动机到负载之间还需要通过减速器来匹配。 图4-2位置随动系统一般结构图 这四个部分是位置随动系统的基本组成中不可或缺的，只是在具体元件和装置上有所不同。 目前常用的角位移检测元件为伺服电位器、自整角机等等。下面简单介绍一下伺服电位器（RP） 1）、伺服电位器（RP）如图4-2为伺服电位器示意图，其中RPs为给定电位器，RPd为检测电位器，在图4-2所示的联接中，其输出电压即偏差点压U为 U=K（-）=K 式中-两电位器轴的角位移之差。 图4-3 伺服电位器输出 伺服电位器较一般电位器精度高，线性度好，摩擦转矩也小。伺服电位器的特点是线路简单，惯性小，消耗功率小，所需电源也简单。 若采用线绕电位器，虽然价格便宜，但有输出信号不平滑、接触不良和寿命短的缺点，故通常用于精度要求较低的场合。若采用导电塑料电位器或光点照射式的光电电位器，则精度、线性度和寿命便明显提高。 若将电位器做成圆形（如图4-2所示），则可测角位移；若做成直线形，则可测线位移。 根据分析，此次课程设计采用的检测元件为伺服电位器。当我们用按钮选择2V时，举升平台上升第二层，当选择3V时，举升平台上升第三层，如此类推，按钮选择不同的档位，举升平台上升相应的层数。 2）、执行机构 随动系统的执行机构通常由伺服电机和减速器构成，其作用是将控制电压信号转换成转轴上的角位移或角速度（转速对时间的积累便是角位移）。 伺服电动机是随动系统执行机构的主要组成部分，对系统精度和快速性影响较大。为此，伺服电机必需具有良好的低速性能，以提高定位精度，此外，要求转动惯量小，过载转矩大以提高快速性。伺服电动机分为：交流伺服电动机、直流伺服电动机、小惯量无槽直流电动机和宽速力矩电机等等。 就本设计用到的直流伺服电机作如下介绍： 直流伺服电机的结构基本上与普通的直流电动机相同。其中又分为他激式（如S系列）、并激式（如SZ系列）和永磁式（如SY系列）。永磁式功率较小。 直流伺服电机与交流伺服电机相比，体积小，效率高，控制性能好，功率范围较宽（几瓦到几千瓦）。但因它有电刷，有火花，易出故障，维护困难，滑动摩擦大、死区大。这种电机适用于要求不太高的中、大功率随动系统。 4.3 PWM控制器设计 本设计的PWM生成电路采用SG3525芯片及其IR2110芯片。下面对芯片简介如下： 1）SG3525脉宽调制型控制器 图4-4 SG3225引脚图 开关电源输出电压经取样后接至误差放大器的反相输入端,与同相端的基准电压进行比较后,产生误差电压Vr,送至PWM比较器的一个输入端,另一个则接锯齿波电压,由此可控制PWM比较器输出的脉宽调制信号。 2）IGBT驱动采用了集成芯片IR2110，IR2110采用14端DIP封装，引出端排列如图所示。 图4-5 IR2110引脚图 IR2110采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS工艺制作，具有独立的高端和低端输出通道；逻辑输入与标准的CMOS输出兼容；浮置电源采用自举电路，其工作电压可达500V，du/dt=50V/ns，在15V下的静态功耗仅有1.6mW；输出的栅极驱动电压范围为10～20V，逻辑电源电压范围为5～15V，逻辑电源地电压偏移范围为－5V～＋5V。IR2110采用CMOS施密特触发输入，两路具有滞后欠压锁定。推挽式驱动输出峰值电流≥2A，负载为1000pF时，开关时间典型值为25ns。两路匹配传输导通延时为120ns，关断延时为94ns。IR2110的脚10可以承受2A的反向电流。 图4-6 IGBT驱动电路 4.4 转速环节参数整定 （1）系统的组成：该系统给定电位器RP6由转速环节输出电压控制，用以保证转速给定信号的精度。 （2）系统的工作原理与静特性： 由系统的控制原理图我们可以看出，系统的转速调节是按给定量和反馈量的偏差进行调节。其偏差大小，该信号经过放大器放大后，去控制触发器的脉冲移相角，调节整流电压和电动机的转速变化。只要系统的被调量转速n产生偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用，也起到了稳速的作用。 通过定性的分析我们知道，开环系统中，当负载增大时，电枢压降也增大了，通过比较和放大，转速只能老老实实的降下来；闭环系统装有反馈装置，转速稍有降落，反馈电压就感觉出来了。通过比较和放大，提高晶闸管整流输出的电压，使系统工作在新的机械特性上，因而转速又有所回升，这就是转速闭环系统的基本机理。 要实现该转速系统的各个参数，要有放大器，而且放大器的倍数要足够大，才能保证一定的性能指标.因此在闭环系统中,引入转速反馈电压后，若要转速偏差小,就必须压得很低，所以必须设置放大器，才能获得足够的控制电压。 转速环节参数计算： 1 确定时间常数 （1）转速滤波时间常数 根据所用测速发电机纹波情况，取=0.01s （2）转速环小时间常数： 按小时间常数近似处理，取 2 选择转速调节器的结构 按典型二型系统设计转速环，故ASR选用PI调节器，其传递函数为： 式中 ：转速调节器的比例系数； ：转速调节器的超前时间常数。 电动机：=180V =1500r/min =50 0.44A 主回路：=0.3 =1.181H 全控桥式整流：m=3 负载及电动机：=0.18 固有参数计算： 电势系数：=0.098 转矩系数： 0.095 电磁时间常数： 机电时间常数：s 晶闸管整流器滞后时间常数： 取ASR限幅值：10V 取转速给定的最大值：10V 取转速反馈滤波时间常数： 一般速度环节校正为典系统，要求系统无静差时为PI调节器，则其时间常数和开环增益应为： 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为 转速开环增益： =833.3 于是，ASR的比例系数为： 2 4.5转速调节器的实现 模拟式转速调节器的电路如下所示： 转速调节器参数计算： 图4-7 转速调节器的电路 —为转速给定电压 —为转速负反馈电压， —调节器的输出是电 流调节器的给定电压 取，则 2*40=80 4.6桥式可逆直流脉宽调速系统 主电路的如图4所示。PWM变换器的直流电源由交流电网经不控的二极管整流器产生，并采用大电容滤波，以获得恒定的直流电压。由于电容容量较大，突加电源时相当于短路，势必产生很大的充电电流，容易损坏整流二极管，为了限制充电电流，在整流器和滤波电容之间传入电阻Rz，合上电源后，用延时开关将Rz短路，以免在运行中造成附加损耗。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电动机制动时只好对滤波电容充电，这式电容器两端电压升高称作“泵升电压”。为了限制泵升电压，用镇流电阻Rx消耗掉这些能量，在泵升电压达到允许值时接通。 图4-8 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路 第5章 设计总结 我认为，在这学期的课设中，不仅培养了独立思考能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在课设中，我学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践。这对于我的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。当我快要完成设计的时候感觉全身心舒畅，眼前豁然开朗。通过这次课程设计我受益匪浅。 起初，我对课程设计的内容很模糊，感觉摸不着头脑。通过这次设计以后，我收获了很多。在一次又一次的搜集资料过程中，无形的我就把所学的专业知识梳理了一遍。 这次课程设计。我学会了如何寻找资料并运用找到的资料结合课设要求进行设计，还对电力拖动自动控制系统知识的一些工作原理和方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我的学习及实践能力，在没有做设计以前，我对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我把自己想出来的思路运用到设计中，出现了很多问题，对其做了很多修改。之后我对电力拖动自动控制系统的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。 第6章 参考文献： [1] 王兆安，黄俊.电力电子技术，第四版.北京：机械工业出版社，2003 [2] 李正熙，白晶 .电力拖动自动控制系统，第二版北京：冶金工业出版社，2003 [3] 陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统，第三版.北京：机械工业出版社，2003 [4] 张东力、陈丽兰、仲伟峰.直流拖动控制系统.北京：机械工业出版社，1999 [5] 顾绳谷 电机及电力拖动基础。重庆大学出版社，2005 [6] 孙亮等 自动控制原理。北京：北京工业大学出版社，2001 [7] 胡寿松等，自动控制原理.北京工业大学出版社 2001 [8] 陈伯时，陈敏逊.交流调速系统.北京：机械工业出版社，2006 [9] 林瑞光.电机与拖动基础.浙江：浙江大学出版社，2002 [10] 朱仁初、万伯任.电力拖动控制系统设计手册.北京：机械工业出版社，1994 [13] 李明辉、 卢帆兴 、钟国梁.电力拖动综合课程设计指导书.江西：江西理工大学应用科学学院，2010 [14]郭东栋 单片机控制的直流调速系统 可编程控制器与工厂自动化，2007 （03） 第5章 总体设计电路图