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1、河北科技大学继续教育学院毕业设计学生姓名： 宋瑞杰 学 号： 1310324院 站： 张家口函授站 学习形式： 成人函授 层 次：专升本 专 业： 电气工程及其自动化 题 目： 基于PLC的ITO生产线控制系统设计 指导教师： 白树森 评阅教师： 王丽琴 2015年4 月 30日毕业设计说明书(论文)中文摘要此设计基于显示行业制造面板公司，对Color Filter工厂ITO生产线的设计进行研究。本文设计的内容有以下几点：1、针对ITO生产线自动控制系统进行总体设计研究。通过分析生产工艺以及生产条件，分析该控制系统的原理，介绍相关硬件的选型。2、考虑到电机是生产线的一个重要组成，分析与介绍本产
2、线使用的所有电机型号与变频器控制和伺服控制，使用变频控制每个单元之间的平稳传送，伺服控制系统精确控制位置的定位系统3、ITO薄膜直接影响液晶电视的显示效果，因此本文利用PID控制器结合功率调节器实现对温度的平稳控制4、利用以太网实现工控机与PLC之间的通讯，实现设备控制、显示、报警等功能于一体的人机交互系统关键词：关键词:PLC，变频器，伺服，控制系统 29毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 3 页 共28 页 目 录第1章 绪论51.1液晶显示器发展概况51.1.1 Color Filter的概况51.1.2 ITO生产技术概况51.2 ITO控制系统的发展状况81.3 论文的主
3、要内容9第2章ITO生产工艺及控制方案设计92.1 ITO生产的工艺流程92.2 ITO生产线控制系统的要求及主要参数102.3 ITO Inline Network112.4 ITO设备控制系统的组成112.4.1现场总线介绍122.4.2现场总线结构介绍12第3章 生产线控制系统的硬件设计123.1 System overview133.1.1 ITO+RGB Module133.1.2 Heater equipment143.1.3 Pump system153.2基础配置选型163.2.1 工控机硬件配置163.2.2 PLC介绍和选型163.2.3 数字量模块选型173.2.4 PR
4、OFIBUS CP模块选型17第4章 生产线电机控制系统的设计174.1变频调速174.1.1变频调速原理174.1.2变频器的选型依据184.2 ITO生产线伺服控制系统的设计194.2.1 伺服电机介绍194.2.2 伺服电机控制系统的设计19毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 4 页 共28页 4.2.3 伺服电机软件实现20第5章 ITO温度控制系统的设计215.1 ITO生产温度控制的工艺要求215.2 温度控制系统的介绍22结论26致谢27参考文献.28毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 5 页 共28页 1 绪论1.1液晶显示器发展概况早在19世纪末，奥地
5、利植物学家就发现了液晶，即液态的晶体，也就是说一种物质同时具备了液体的流动性和类似晶体的某种排列特性。在电场的作用下，液晶分子的排列会产生变化。从而影响到它的光学性质，这种现象叫做电光效应。利用液晶的电光效应，英国科学家在本世纪制造了第一块液晶显示器即LCD。今天的液晶显示器中广泛采用的是定线状液晶，如果我们微观去看它，会发现它特像棉花棒。与传统的CRT相比，LCD不但体积小，厚度薄（目前14.1英寸的整机厚度可做到只有5厘米），重量轻、耗能少（1到10 微瓦/平方厘米）、工作电压低（1.5到6V）且无辐射，无闪烁并能直接与CMOS集成电路匹配。由于优点众多，LCD从1998年开始进入台式机应
6、用领域。1.1.1 Color Filter的概况彩色滤光片（Color filter）是一种表现颜色的光学滤光片，它可以精确选择欲通过的小范围波段光波，而反射掉其他不希望通过的波段。彩色滤光片通常安装在光源的前方， 使人眼可以接收到饱和的某个颜色光线。有红外滤光片，绿色，蓝色等。与UV滤光片，VD滤光片相比，凡是带色的滤光片之总称。如反差滤光片、分色用滤光片、LB滤光片等。彩色滤光片基本结构是由玻璃基板（Glass Substrate），黑色矩阵（Black Matrix），彩色层（Color Layer），保护层（Over Coat），ITO导电膜组成。1.1.2 ITO的发展状况及生产技
7、术概况氧化铟锡(Indium Tin Oxide简称ITO)是重掺杂、高简并n型半导体。从20世纪80年代ITO薄膜工业化生产以来,以其低地电阻率(可达710-5cm)、可见光透射率(90%)、良好的得、红外高反射比、玻璃结合牢固、抗擦伤及半导体特性等优点,被广泛应用于显示器、太阳能电池、气敏元件、抗静电涂层以及/绝缘体半导体/半导体(SIS)异质结、现代战机和巡航导弹的窗口等。近年来,由于ITO薄膜材料所具有的优异光电特性,其应用得到迅速发展,特别是在薄膜晶毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 6页 共28页体管(TFT)制造、平板液晶显示(LCD)、太阳能电池透明电极以及火车飞机
8、用玻璃除霜、红外辐射反射镜涂层、建筑物幕墙玻璃方面,其应用得到迅速推广。为使铟资源增值,合理利用铟锡资源的重要途径，是开发高质量ITO靶材、ITO薄膜,这样不仅可改变国内靠进口得局面,还可向世界市场提供ITO材料,形成自己地支柱产业。工业地发展，其生产技术得发展是密不可分的,因此了解ITO薄膜得生产技术概况,发展趋势是非常必要的。ITO导电薄膜的方法很多,根据生产原理得不同,ITO薄膜地生产技术主要有磁控溅射法、喷雾热分解法、真空蒸发法、以及近年来发展起来的可大面积成膜的溶胶2凝胶(Sol2Gel)技术等5种制膜工艺。本文对以上5种主要制膜工艺的特点进行了分析,并在此基础上探讨了ITO工业的发
9、展趋势。溶胶凝胶法 1971年德国人报道了通过金属纯盐水解得到溶胶, 经凝胶化后可制备出多组分玻璃后,溶胶凝胶法引起了材料界的极大兴趣和重视。20世纪80年代是溶胶2凝胶科学技术发展的高峰时期。大量文献纷纷涌现许多国际会议应运而生我国在1990年召开了第一届全国溶胶凝胶技术讨论会。 我国具有丰富的铟锡资源鉴于溶胶凝胶法具有可广泛成膜的特点,若能适时开展溶胶凝胶法制备ITO薄膜的研究,则很有可能在不久得将来形成ITO薄膜优势产业。采用溶胶凝胶法制备ITO薄膜的基本原理为:首先用金属无机盐或有机金属盐化合物溶于溶剂中加入掺杂剂,在低温下液相搅拌形成溶胶,然后将衬底(如玻璃衬底等)浸入溶胶,以一定速
10、度进行提拉或甩胶,使溶胶吸附在衬底上,经胶化过程成为凝胶,再经一定温度热处理后即可得到ITO薄膜,膜的厚度可通过提拉或甩胶得次数来控制。目前,国内外有关溶胶凝胶法，制备ITO薄膜得文献报道很多,如Yasutaka 等研究了退火温度、溶胶浓度、镀膜层数对电 阻的影响;采用溶胶-凝胶法制备出了电阻 直流磁控溅射法 直流磁控溅射法，已广泛应用于各种薄膜的制备,也是制备薄膜一种非常成熟得技术。其原理是在电场和交变磁场作用下,被加速的高能粒子轰击锡合金靶材或氧化铟锡靶材表面,经能量交换后，靶材表面的原子脱离原晶格而逸出并转毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 7页 共28页到衬底表面成膜。 直
11、流磁控溅射法是目前工业应用最成熟的工艺,与其它工艺相比较,其主要优点为: 1)成膜面积大,沉积速度高,可适用于大规模生产。2)获得的ITO薄膜密度高,而且薄膜的纯度较高,因为在 溅射过程不存在污染问题。3)由于通过控制靶电流可有效控制溅射速率,所以溅射镀 膜的膜厚可控性和多次溅射的膜厚再现性好,能够有效地镀制预定厚度的薄膜; 4)薄膜与衬底的附着性好。 5)工艺稳定性好,容易控制薄膜的厚度。 其主要缺点是所需设备非常复杂,需要高压或大功率直流电源,设备投资高其次该法的影响因素非常复杂,尤其是ITO靶材质量的影响,要获得高性能的ITO薄膜,必须首先制备出高质量的ITO靶材。 针对直流磁控溅射法的
12、合成机理、不同基底上的成膜工艺以及工艺参数，对薄膜性能的影响规律等,科学家们进行了广泛 研究。化学沉淀法(CVD) 化学气相沉淀方法指：利用两相或多相反应气体在加热的基片表面上或接近该表面的位置上发生化学反应,并使化学产物同时沉积，在基片表面上而形成薄膜。如果CVD法中的铟、锡来源均为有机金属化合物,则称为MOCVD法,该法可使反应温度大幅度降低。比如以In(C5H7O2)3(乙酰丙酮铟)和 (CH3)4Sn(四甲基锡)为原材料,在300下通过化学气相沉积 热分解和原位氧化制取ITO薄膜 ,主要原因是它提供了一种在相对较低温度下沉积大量的各种元素及化合物的方法。而且,用这种方法既能制备玻璃态物
13、质,又能制备高度完整和高纯的晶态物质。此外,CVD法还有一个超越其它成膜方法的优点,即用该方法较容易地制备范围广泛的可准确控制化学成分及薄膜结构的材料。由于化学气相沉积法必须先制备高蒸发速率得铟锡前驱体物质, 有关采用CVD法制备ITO薄膜得报道较多,比如Byabova和Maruyama等人20221分别采用CVD法在玻璃衬底上制备ITO透明导电膜。Akinwunmi和Eleruja22等则采用MOCVD法制备出光透射率为80%,电阻为7.210-4 的ITO薄膜。喷雾热分解法 喷雾热解法用于玻璃基板镀功能薄膜得有效方,其过程是将含金属离子得溶液，经雾化喷向热玻璃基板随着溶剂挥发溶质在基板上进
14、行热分解反应形成薄膜。SP法可以用于氧化物陶瓷粉末合成纤维合成薄膜制备。用该法制备地薄膜毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 8 页 共28页地电导率高,对可见光得透过率90%以上,与其它方法相比较,SP法的优点在于: 1) 原料的选择范围广,并且成分、组成便于调整。 2)对真空、气氛等实验条件要求不高。 3) 设备简单,反应易于控制。4)所镀膜层与基板结合牢固性能良好;5)适用于大面积镀膜,尤其适合玻璃在线镀膜，其不足之处是制得的ITO薄膜精度不高,性能不稳定这是由于盐类喷雾热分解过程很复杂。Viguie23等根据基体表面的反应类型，将喷雾热分解过程分为四个步骤,分别为溶液配制、雾
15、化、蒸发干燥、热分解;其次是由于喷雾热分解过程得影响参数很多,其中最重要地是基板温度、喷雾气流速度、溶液浓度、液滴尺寸、喷嘴2基体距离24。 目前,还没有有关喷雾热分解法制备ITO薄膜实现工业化生产的报道,仍处于实验室研究阶段。Vasu25等用喷雾热分解法制取了ITO薄膜,并研究了ITO薄膜地光电性质与锡掺杂浓度、基体温度、喷嘴2基体距离的关系,以及薄膜形成得反应动力学。Benamar26等采用SP法在350500的玻璃基体上制备出了电阻率为410-4cm,可见光区透射率85%90%地 ITO薄膜。真空蒸发法 真空蒸发法是指：在真空室中加热蒸发容器中形成薄膜得原材料,使其原子或分子从表面气化逸
16、出形成蒸汽流入至衬底表面凝结形成固态薄膜方法。按照蒸发源加热部件不同,蒸发镀膜法可分为电阻蒸发、高频感应蒸发、电子束蒸发、电弧蒸发法,激光蒸发法等。 真空蒸发法具有如下优点: 1)所用设备简单、2)成膜纯度高、; 3)可以比较准确得控制膜的厚度; 4)膜的生长机制比较单纯,成膜速度较好效率高， 但真空蒸发法也有其缺点:不易获得具有良好结晶结构得薄膜,薄膜与衬底的附着力较小,工艺重复性不够好,且由于铟锡的饱和蒸气压远远大于锡的饱和蒸气压二者的蒸发速率有显著差异,这必然造成在沉淀过程中ITO膜的组分偏离源,从而影响膜的性质，解决此问题的方法是采用多源同步蒸发,有很多文献专门针对这一问题进行了讨论,
17、。1.2 ITO控制系统的发展状况任何产品地生产设备都将经过人工手动到机械自动化的发展过程，任何工艺都在不断随着产品的更新而改进，ITO产线也经历了几个阶段。在液晶产品问世初期，产线工艺还处于半自动化阶段，需要人工搬送Glass毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 9 页 共28页在每个工艺设备之间。随着产品尺寸与厚度不断变大和减小，要求设备的精度与自动化程度的也不断的提高，目前生产线均采用现场总线控制，生产效率高，其可靠性好，这正实现了自动化，大大降低了生产线的人工需求量。1.3 论文的主要内容本文在我国ITO生产线得现状基础上对ITO生产线的自动化控制系统进行检讨，其主要内容包括
18、以及几个方面。1.控制系统总体方案得设计根据ITO成膜工艺及结合目前生产工艺，对ITO生产线的控制系统进行详细分析，主要包括ITO生产工艺各个关键工艺得相关生产参数，总结以往生产经验得不足，提出改善。2.控制系统的硬件选择根据控制系统得组成、对各部分得硬件设备进行选型、同时介绍各部分的功能。3.电机控制技术得研究电机控制是ITO生产线控制得重点之一，本文详细介绍变频器、伺服驱动器在本系统中的应用4温度控制技术得研究介绍ITO得温度工艺结合控制理论PID控制方法，通过理论分析结合PID控制在PLC软件上的实现完成ITO生产线得温度控制工艺。2 ITO膜生产工艺及控制方案设计 本章介绍ITO得生产
19、工艺流程分析，该生产工艺过程然后针对工艺流程中的相关特点，对ITO生产线控制系统的设计，进行总体规划。2.1 ITO生产的工艺流程ITO生产线所有设备示意图如下图（2.1）所示毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 10页 共28页CV :1700Brush2 Fluid JetShower（纯水）A/KCV :1700BFBFBFCV :1700A/KShower（纯水）2 Fluid JetBrush（洗剂）APPCV :1700BFCV :1700LifterUnpackerOVENBFAOICV :2500CV :2500SputterSputterStockerStocker
20、TN Mode 入口 图（2.1） ITO生产线设备示意图生产线设备主要包括以下几个部分：分别是Feeder收发片机，Inline传送机构，INCL&PDCL清洗机构，Oven烘烤设备，Handling大气搬送机，Sputter为ITO成膜设备。具体生产工艺为：Glass从Index传出，经过Inline进入INCL进行镀膜前的清洗Glass上Particle，清洗干净Glass通过Handling进入Sputter设备通过真空磁控模式镀膜，镀膜后通过PDCL对镀膜后的Glass进行清洗表面杂质，清洗干净后进入Oven进行烘烤，退火后进入AOI微观进行品质检查，最终回到Feeder生产完成。2
21、.2 ITO生产线控制系统的要求及主要参数ITO生产线控制系统包含以下控制器回路：温度传感器和功率控制器组成的工艺控制回路、编码器、接触器组成距离测量回路。还有变频器、伺服驱动器控制得速度以及位置控制回路，及人机界面和仪表组成复杂得现场总线控制系统，该控制系统具有以下功能：系统有计算机控制，要求稳定可靠。人机操作界面要求简单易懂，便于查看信息与操作。能实时显示工艺流程中的重要参数，并显示各点击状态和传感器状态。只有具有修改权限的操作人员才可修改系统运行参数，同时当操作人员发生误操作时，系统会发出警告信息提醒操作人员。毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 11 页 共28页有可靠保护机
22、构和报警方式。出现故障时，能够及时的通知在线操作人员并在人机界面显示故障发生的位置，以便第一时间故障得到快速、妥当处理。报警信息具备Warning与Alarm之分，Warning报警为提示功能不会导致宕机，以提高设备生产效率。电机具有实时性好，反映准确灵敏，抗干扰能力强。生产线主要传送速度能够同步。Glass在各个设备交接传送时，两个设备间的传送速度要能同步以防止速度不同导致的Glass表面受到划伤。2.3 ITO Inline Network(1) Telecommunication SpecificationThe telecommunication method between the
23、PLC in the equipment and the PC is MELSECNET/G. However, the HOST telecommunication with the CIM follows the HOST specification.The basic specification of the MELSECNET/G telecommunication is as follows:Module Type : QJ71GP21-SX (PLC), Q80BD-J71GP21-SX(PC)Speed: 1GbpsCable Type : Optic (SI, H-PCF, b
24、roadband H-PCF, QSI)Link Range : LB0000 LB7FFF, LW0000 LW1FFFFFollowing the specification of the Melsec-net for other itemsSpecific information on Network No., Station No. and Memory, configuration related to telecommunication for devices in the Inline, are recorded in the Memory Map.(2) Network Cha
25、rt如图（2.2）This line is for Melsec-Net among devices and configured as below.图（2.2）Network Chart 2.4 ITO成膜设备控制系统的组成毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 12页 共28页2.4.1现场总线介绍现场总线(过程现场总线)是一个开放的现场总线系统,标准化的EN 50170,因此独立于制造商。 现场总线使用分散的外围,现场总线与通信节点,然后通过控制信号从现场总线组件。 现场总线是适合:快速、实时数据传输和广泛,复杂的通信任务。 现场总线应用:生产自动化、过程自动化和楼宇自动化。2.
26、4.2现场总线结构FMS = FIELDBUS MESSAGE SPECIFICATIONDP= DEZENTRALIZED PERIPHERY PA = PROCESS AUTOMATION 结构如图（2.3）所示 图（2.3）现场总线结3 生产线控制系统的硬件设计毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 13页 共28页本章研究了ITO控制系统的硬件构成，前面介绍了ITO生产线的控制系统采用现场控制总线系统，将系统分为输出逻辑处理、输出和反馈监控四个部分。下面就针对ITO设备所应用的控制系统设计进行研究。 3.1 System overviewITO生产设备真空磁控溅射控制系统图如图
27、（3.1）图（3.1）真空磁控溅射系统图图中每个单元功能如下：VM：Vacuum Module FVP: Fore Vacuum Pump StationCr: Crane VGT：Venting gas tankEC：Electrical cabinet Tr：Transformer3.1.1 Vacuum Module超真空是ITO成膜的关键因素之一，如何能够保证Glass从大气进入设备后很短时间内达到成膜压力是本文主要的重点，下面就研究ITO成膜设备的真空腔室，如图（3.2）所示：毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 14 页 共28页图（3.2）Vacuum Module腔室
28、各功能配置如下：Sputtering equipment Heating elements, radiating plates and shieldings Water cooling equipment High vacuum pumps Connections for the pump system, pressure gauges and gas supply Flange openings for electrical and mechanical feedthroughs as well as viewing windows Lock valves and additional in
29、line module units can be connected on the side. 3.1.2 Heater equipment 电加热器用于保持Glass在生产中保持最佳温度，加热系统的结构如下图（3.3）所示：The heating elements are resistance wires made of steel, arranged meandering. They are mounted on heat reflecting sheets. To measure the temperatures, thermocouples are attached at the he
30、ating elements.毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 15页 共28页图（3.3）加热系统的结构3.1.3 Pump systemITO成膜设备的真空泵系统如下图（3.4）所示，其中包含的组件如下：Fore vacuum pumping station for the locking modules and separate station for the other vacuum modules Turbo molecular pumps resp. cry pumps (depending on system) for achieving high vacuum i
31、n the respective modules Venting device Pressure measurement system 毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 16页 共28页图（3.4）真空泵系统3.2逻辑处理部分 SIMATIC S7-400 PLC适用于中、高档性能范围的可编程序控制器。SIMATIC S7-400PLC的主要特色为：极高的处理速度、强大的通讯性能和卓越的CPU资源裕量，由于ITO制作工艺复杂，工作环境复杂，故本产线采用西门子S7-400的PLC。3.2.1 工控机硬件配置本生产线控制系统选用的是西门子的SIMATIC Rack PC 847B，基
32、本配置如下：微处理器：Intel Core 2 Duo T7400 (2.16 GHz，667 MHz 前端总线，带扩展内存 64 (EM64) 技术的 4-Mbyte L2 缓存)基本主内存：256 Mbyte DDR2 677 SDRAM，可扩展至 4 Gbyte驱动器：80-Gbyte 串行 ATA 硬盘 (在内部的固定安装驱动框架中)磁盘驱动器：1.44 Mbyte，3.5“图形：板载的在 PCI-Express 总线上的 Intel GMA950 集成芯片组，最高可达 2048 x 1536 象素，75 Hz，16 位色 (可于 2007 年 6 月获得)接口：2 个 LAN 10/
33、100/1000 MBit/s 以太网口 (RJ45)4 个 USB 2.0 在后面，2 个 USB 2.0 在前面2 个 PS/2、COM1、COM2、LPT1、VGA音频：线路输出，麦克风自由的实际大小的插槽可用于扩展：7 个 PCI供电电源：110/230 VAC，50/60 Hz3.2.2 PLC介绍可编程控制器简称PC（Programmable Controller）,它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller）和可编程序控制器PC几个不同时期，为与个人计算机PC相区别，现在仍然沿用
34、可编程序逻辑控制器这个老名字。PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 17页 共28页统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。本产线采用的PLC型号为：CPU 416-2 DP 订货号：6ES7 416-2XN05-OABO/V5.3C
35、PU 416-2 中央处理单元，带： 5.6 MB 工作内存， （2.8 MB代码，2.8 MB数据）， 1个接口 MPI/DP 12 MBIT/S， ，2个接口 PROFIBUS DP，硬件扩展最大21，可连接OP 63，接口类型：集成，物理组成为RS485/PROFIBUS。3.2.3数字量模块数字量输出模块把 S7-400 的内部信号电平转换成过程所要求的外部信号电平。用于连接电磁阀、接触器、小功率电机、灯和电机启动器。本产线采用的输入输出模块型号为：输入模块 订货号：6ES7 421-1BL01-OAAO输出模块 订货号：6ES7 422-1BL00-OAAO3.2.4 PROFIBU
36、S CP模块本产线采用的Profibus CP模块型号为：CP 443-1 订货号：6GK7 443-1EX11-OXEO/V2.3 1个CP 443-5 订货号：6GK7 443-5DX04-OXEO/V6.1 4个从站分别对应：Profibus 1: ATM Interface Profibus 2: Vacuum ModulesProfibus 3: Vacuum Modules Carrier Drives, MoveMag Drives, Rotation Cathode DrivesProfibus 4: Process4 生产线电机控制系统的设计4.1变频调速4.1.1变频调速原
37、理变频调速技术基本原理是：根据电机转速与工作电源输入频率成正比得关系： n =60 f（1-s）/p=n2-n1，（式中n、f、s、p表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；式中，n2为同步转速，n1为转差损失的转速，p毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 18页 共28页为磁极对数，s为转差率，f为电源的频率。可见改变电源频率就可以改变同步转速和电机转速。频率得下降会导致磁通的增加造成磁路饱和、励磁电流增加、功率因数下降、铁心和线圈过热。这是不允许的。为此，要在降频的同时还要降压。实现变频调速的装置称为变频器，变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器（MCU
38、DSP）等部分组成。首先将单相或三相交流电源通过整流器并经电容滤波后，形成幅值基本固定的直流电压加在逆变器上，利用逆变器功率元件的通断控制，使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。4.1.2变频器的选型依据变频器选型的容量应作如下考虑：对连续运行时所需变频器容量Po(kVA)必须满足如下几点： (1) 变频器容量必须大于负载所要求的输出(2) 变频器容量不能低于电机容量（3）变频器电流I0应大于电机电流，即I0kIM (4)起动时变频器容量应满足：Io为变频器电流；GD2为电机轴端换算；TA为加速时间，根据负载要求确定：k为电流波形补偿系数(PWM控制方式时取1.051.10)；TL为负载转
39、矩；为电动机效率(通常取0.85)；COS为电机功率因数(通常取0.75)；PM为负载所要求的电机轴输出；IM为电机额定电流；UM为电机额定电压；NM为电机额定转速。对于容量明显偏小变频器的解决措施，可采取增加变频器容量，减小电机容量或负载等改造措施来适应变频器的输出功率。 另外，用户在提供实际工况原始参数时，要保证其准确性，未使用过变频器的用户可请有经验的单位或变频器设计制造厂家做方案设计，提出具有建设性或指导性的意见，以保证变频器设计选型正确。变频器与电动机配套问题：变频器在实际应用中，要考虑与电动机相匹配的问题，如低速时的冷却问题，电动机的稳定性和频繁起动问题。对于调速范围比较宽，特别是
40、具有恒转矩和恒功率调速两个运行范围的电动机，由于在低速时的电流和磁通基本保持不变的恒转矩特性，使它散热困难，因此不能采用自带风扇冷却。这种方式对高速和低速运行的工况不利，低速时冷却效果差，高速时电动机效率严重下降。 通常情况下，如果采用自带风机冷却或管道通风时，冷却风量的选择原则是每20kW的电动机损耗需要1m2s的风量。除了尽可能减少各种损耗外，还要对空气的流场和温度进行认真地分析，减少温度分布的不均匀系数，提高电动机线圈端部的传热性能，加强电动机机座本身的散热能力。由于电动机动态稳定性与系统的状态有关，它在电源容量大的工频电源系统中可以稳定运行，在采用变频器供电时，系统运行则可能发生不稳定
41、性。在用户实际使用中，毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 19页 共28页当一台电动机专用一个变频电源时，运行稳定。而多台电动机共用一个变频电源组合传动时，就变得不稳定了。通过对这些现象的分析，发现有以下两个原因：即电动机固有的低频不稳定性和电动机与变频器相互影响造成的不稳定性。在低频时的这种不稳定性表现为持续的振荡，也就是转子转速在同步转速附近的摆动，另一方面，也可能超出变频器的换向能力而使其保护动作，导致不能正常工作。电动机和变频器之间相互影响造成的不稳定性，主要是由于电动机机械系统的惯性或变频器直流环节中滤波电感及电容之间发生能量交换造成的。由于变频器电源可以在很低的频率下起
42、动电动机，对于一些大容量的调速系统，不仅可以频繁起动，还可以频繁正反转，使交流电动机在四象限内运行。为了达到节能的效果，风机可以每天起动几十次，泵类可以起动几百次，对于可逆轧机的主传动和辅助传动电动机，则起动和正反转的次数会更多。因此使电动机经常处于循环交变应力的作用下，对电动机的机械部分和绝缘会带来疲劳和加速老化等问题。目前国内外电动机生产厂商均有与变频器配套的各种变频电动机，用户可采用配套的电动机，从而使调速系统性能更加完善，上述问题均是变频器在实际应用中值得认真考虑的。本文选择的是三菱系列的变频器，型号：FR-A7NC4.2 ITO生产线伺服控制系统的设计4.2.1 伺服电机介绍伺服电机
43、作为执行元件是机电一体化得重要产品之一广泛用于各类自动化设备中。伺服电机得工作原理是：伺服电机内部永磁铁转子在伺服驱动器控制的三相电源形成磁场作用下转动，编码器将信号反馈至伺服驱动器，电机轴转动带动电机内部自带的编码器转动，伺服驱动器根据编码器的反馈值与控制系统的设定值进行比较，单位距离内脉冲数量越大，则精度越高，反之，精度越低。来调整伺服电机的运动过程。伺服电机的精度决定于编码器在单位距离内所反馈的脉冲数，工业中常用的伺服电机有交流与直流之分。伺服电机主要有以下三种控制方法:转矩控制、位置控制和速度控制。定位是ITO生产中得一个重要环节，考虑到Glass位置对精度要求非常高，参照伺服电机得三种控制方式，在本系统中对伺服电机的控制方式则采用位置控制模式。4.2.2 伺服电机控制系统的设计毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 )