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1、1 引言1.1 课题研究的背景随着工业控制要求的不断发展，对电机速度控制的要求也越来越高，一般都需进行闭环控制。交流电机调速的方法很多，调压、串级、滑差、变频等方式都不同程度地应用于各种各样的工控领域。随着变频技术的发展，变频器越来越多地被应用于调速场合。在传统的可调速电气传动系统中，直流电动机调速系统占绝对优势。但是直流电动机结构复杂，价格高，又有换向器和电刷，在运行中常出故障。与此相反，鼠笼式异步电动机具有结构简单，运行可靠，价格便宜等优点,但是交流电动机调速困难。自从上世纪80年代初交流变频技术出现以来，使用变频调速器和调节器来进行交流电动机无级调速成为可能。它具有调速范围宽，稳速精度高
2、，动态响应快，运行可靠等技术性能，已逐步取代直流电动机调速系统。然而目前的变频器大部分都是线路复杂，价格昂贵，常用于大、中功率的电动机。对于国内占有率极大的中、小型电动机采用这类变频器无疑是难以普及的。交流电动机在1885年出现后，因其结构简单，运行可靠，价格低廉，维修方便，故而应用面很广，几乎所有的调速传动都采用交流电动机。尽管从1930年开始，人们就致力于交流调速系统的研究，然而主要局限于利用开关设备来切换主回路达到控制电动机启动，制动和有级调速的目的。变极对调速，电抗或自藕降压启动以及绕线式异步电动机转子回路串电阻的有级调速都还处于开发的阶段。交流调速缓慢的主要原因是决定电动机转速调节主
3、要因素的交流电源频率的改变和电动机的转距控制都是非常困难的，使交流调速的稳定性，可靠性，经济性以及效率均不能满足生产要求 。后来发展起来的调压，调频控制只控制了电动机的气隙磁通，而不能调节转距。随着电力电子技术，计算机技术的不断发展和电力电子器件的更新换代，变频调速技术得到了飞速的发展。据资料显示，现在有90%以上的动力来源来自电动机。我国生产的电能60%用于电动机，电动机与人们的生活息息相关，密不可分，所以要对电动机的调速有足够的重视。我们都知道，动力和运动是可以相互转化的，从这个意义上说电动机也是最常见的运动源，对运动控制的最有效方式是对运动源的控制。因此，常常通过对电动机的控制来实现运动
4、控制。实际上国外已将电动机的控制改名为运动控制。近十几年来，随着现代控制理论、新型大功率电力电子器件、新型变频技术以及微型计算机数字控制技术等在实际应用中相继取得了重大进展，使得交流调速技术有了很大发展。今后的交流调速技术将在以下几个方面得到进一步的发展。交流调速系统的高性能化；全控型大功率新型电力器件；脉宽调制技术；数字技术的应用。目前，交流调速系统的应用领域主要有下述三个方面：（1）一般性能的节能调速和按工艺要求调速在过去大量的所谓“不变速交流拖动”中，风机、水泵等通用机械的容量几乎占工业电力拖动总容量的一半以上，其中有不少场合并不是不需要调速，只是因为过去的交流拖动本身不能调速，不得不依
5、靠挡板和阀门来调节送风的供水的流量因而把许多电能白白地浪费了。如果换成交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台风机、水泵平均都可以节约20%30%的电能，效果是很可观的。而且风机、水泵对调速范围和动态性能的要求不高，只要有一般的调速性能就足够了。许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动，鉴于交流电动机比直流电动机结构简单、成本低廉、工作可靠、维修方便、惯量小、效率高，如果改为交流拖动，显然能够带来不少的效益。于是，一般按工艺要求需要调速的场合也纷纷采用交流调速。（2）高性能的交流调速系统和伺服系统由于交流电动机的电磁转矩难以像直流电动机那样通过电枢施行灵活的控制，交流调速系
6、统的控制性能在一段时期内还赶不上直流调速系统。直到20世纪70年代初发明了矢量控制技术（或称磁场定向控制技术），通过坐标变换，把交流电动机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，用来分别控制电动机的转矩和磁通，可以获得和直流电动机相仿的高动态性能，才使交流电动机的调速技术取得了突破性的进展。其后，又陆续提出了直接转矩控制、解耦控制等方法，形成一系列可以和直流调速系统媲美的高性能交流调速系统和交流伺服系统。（3）特大容量、极高转速的交流调速直流电动机的换向能力限制了它的容量转速积，否则其设计与制造就非常困难了。交流电动机没有换向问题，不受这种限制，因此特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等
7、，以及高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。1.2 课题研究的目的为了把瓷砖顺利的，尽量少损坏的，发送给购买瓷砖的厂家，我们需要对瓷砖进行包装，而且还要尽最大可能的把瓷砖包装牢固。所以就要在打包装机设计的过程中把每个环节都搞清楚，设计精确，这样才能达到要求。本文所研究的是变频器在自动打包机中的典型应用。研究的是这样一个过程，初始时，需要用电机带动机械手把已放到打包机上的瓷砖放到包装纸箱上，在机械手要顺利的从启动到运行再到瓷砖放置的位置这个过程中，机械手要克服惯性使得到达指定的瓷砖位置时刚好能制动，这就要对电机进行调速。否则就会出现机械手抓不稳瓷砖、对机械本身有损害等等，这都
8、会使瓷砖不能完整顺利的打包好。2 方案论证2.1 方案一串级调速方法串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，其特点为： 1、可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高； 2、装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速7090的生产机械上； 3、调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产； 4、晶闸管串级调
9、速功率因数偏低，谐波影响较大。 5、本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。2.2 方案二变频调速方法变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器。其特点： 1、效率高，调速过程中没有附加损耗； 2、应用范围广，可用于笼型异步电动机； 3、调速范围大，特性硬，精度高； 4、技术复杂，造价高，维护检修困难。 5、本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。2.5 方案选择交流电动机的转速n公式为：n=60*f*(1-s)/p式中: f
10、频率;p极对数;s转差率(03%或06%)。由转速公式可见，改变三相异步电动机电源频率，可以改变旋转磁通势的同步转速，达到调速的目的。额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向上调(恒功率调 速)，也可以从基频向下调(恒转距调速)。因此变频调速方式，比改变极对数p和转差率s两个参数简单得多。同时还具有很好的性价比、操作方便、机械特性较 硬、静差率小、转速稳定性好、调速范围广等优点，而且在本次调速系统中要求精度不是很高，控制要求比较低，变频器性能稳定，基本符合控制要求，价格便宜。 3 控制系统框图及实现3.1 控制系统框图3.2 控制系统实现总设计图动作控制过程:机械手初始位置为后限位，及处于随
11、时取砖运送的位置。当有砖待抓信号到达时，液压阀1得电，机械手下降抓砖。到达极限位后，液压阀1失电同时液压阀2、3得电，机械手左右夹紧和前后夹紧，夹紧延时0.1s。夹紧结束后液压阀2、3失电同时液压阀1得电，机械手上升。上升到位后KA1、KA3得电，变频器控制运送电机正转同时对运送电机进行调速，开始运送前进，同时触发定时器T0计时，T0=t时变频器控制电机为第二段速正转运行至前限位然后制动停车。机械手将砖放到纸箱上后上升准备返回初始位置，此时KA2、KA3得电，变频器控制运送电机反转同时对运送电机进行调速，返回同时触发定时器T1定时，当T1=t时变频器控制电机为第二段速反转运行至后限位然后电磁制
12、动停车在初始位置。变频器频率设想图f1：第一段速度频率f2：第二段速度频率t：PLC设定的时间 4 变频器的基本原理、分类、控制方式和发展展望4.1 变频器的基本原理变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。4.2 变频器的分类从变频器主电路的结构形式上可分为交直交变频器和交交变频器。交直交变频器首先通过整
13、流电路将电网的交流电整流成直流电，再由逆变电路将直流电逆变为频率和幅值均可变的交流电。交直交变频器主电路结构如下图。 交交变频器把一种频率的交流电直接变换为另一种频率的交流电，中间不经过直流环节，又称为周波变换器。它的基本结构如下图所示 常用的交交变频器输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路。正、反向两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压u 0。输出电压u 0的幅值决定于各组整流装置的控制角a，输出电压u 0的频率决定于两组整流装置的切换频率。如果控制角a一直不变，则输出平均电压是方波，要的到正弦波输出，就在每一组整流器导通期间不断改变其控制角。对于三相负载，交交
14、变频器其他两相也各用一套反并联的可逆线路，输出平均电压相位依次相差120。交交变频器由其控制方式决定了它的最高输出频率只能达到电源频率的1/31/2，不能高速运行，这是它的主要缺点。但由于没有中间环节，不需换流，提高了变频效率，并能实现四象限运行，因而多用于低速大功率系统中，如回转窑、轧钢机等。从变频电源的性质上看，可分为电压型变频器和电流型变频器。对交直交变频器，电压型变频器与电流型变频器的主要区别在于中间直流环节采用什么样的滤波器。电压型变频器的主电路典型形式如下图。在电路中中间直流环节采用大电容滤波，直流电压波形比较平直，使施加于负载上的电压值基本上不受负载的影响，而基本保持恒定，类似于
15、电压源，因而称之为电压型变频器。 电压型变频器逆变输出的交流电压为矩形波或阶梯波，而电流的波形经过电动机负载滤波后接近于正弦波，但有较大的谐波分量。由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率，所以主要优点是运行几乎不受负载的功率因素或换流的影响；缺点是当负载出现短路或在变频器运行状态下投入负载，都易出现过电流，必须在极短的时间内施加保护措施。电流型变频器与电压型变频器在主电路结构上基本相似，所不同的是电流型变频器的中间直流环节采用大电感滤波，见下图，直流电流波形比较平直，使施加于负载上的电流值稳定不变，基本不受负载的影响，其特性类似于电流源，所以称之为电流型变频器。 电流型变频器逆
16、变输出的交流电流为矩形波或阶梯波，当负载为异步电动机时，电压波形接近于正弦波。电流型变频器的整流部分一般采用相控整流，或直流斩波，通过改变直流电压来控制直流电流，构成可调的直流电源，达到控制输出的目的。电流型变频器由于电流的可控性较好，可以限制因逆变装置换流失败或负载短路等引起的过电流，保护的可靠性较高，所以多用于要求频繁加减速或四象限运行的场合。一般的交交变频器虽然没有滤波电容，但供电电源的低阻抗使它具有电压源的性质，也属于电压型变频器。也有的交交变频器用电抗器将输出电流强制变成矩形波或阶梯波，具有电流源的性质，属于电流型变频器。交直交变频器根据VVVF调制技术不同，分为PAM和PWM两种。
17、PAM是把VV和VF分开完成的，称为脉冲幅值调制（Pulse Amplitude Modulation）方式，简称PAM方式。PAM调制方式又有两种：一种是调压采用可控整流，即把交流电整流为直流电的同时进行相控整流调压，调频采用三相六拍逆变器，这种方式结构简单，控制方便，但由于输入环节采用晶闸管可控整流器，当电压调得较低时，电网端功率因素较低，而输出环节采用晶闸管组成的三相六拍逆变器，每周换相六次，输出的谐波较大。其基本结构见图a；另一种是采用不控整流、斩波调压，即整流环节采用二极管不控整流，只整流不调压，再单独设置PWM斩波器，用脉宽调压，调频仍采用三相六拍逆变器，这种方式虽然多了一个环节，
18、但调压时输入功率因素不变，克服了上面那种方式中输入功率因数低的缺点。而其输出逆变环节未变，仍有谐波较大的问题。其基本结构见图b。PWM是将VV与VF集中于逆变器一起来完成的，称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）方式，简称PWM方式。PWM调制方式采用不控整流，则输入功率因素不变，用PWM逆变同时进行调压和调频，则输出谐波可以减少。其基本结构见图c。 在VVVF调制技术发展的早期均采用PAM方式，这是由于当时的半导体器件是普通晶闸管等半控型器件，其开关频率不高，所以逆变器输出的交流电压波形只能是方波。而要使方波电压的有效值随输出频率的变化而改变，只能靠改变方波的幅值，
19、即只能靠前面的环节改变中间直流电压的大小。随着全控型快速半导体开关器件BJT、IGBT、GTO等的发展，才逐渐发展为PWM方式。由于PWM方式具有输入功率因数高、输出谐波少的优点，因此在中小功率的变频器中，几乎全部采用PWM方式，但由于大功率、高电压的全控型开关器件的价格还较昂贵，所以为降低成本，在数百千瓦以上的大功率变频器中，有时仍需要使用以普通晶闸管为开关器件的PAM方式。4.3 变频器的控制方式一. 非智能控制方式 在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。(1) V/f控制 ：V/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率
20、进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。V/f控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。 (2) 转差频率控制 ：转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在V/f控制的基础上，按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。这种控制方式，在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制，因此，这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性，并对
21、急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。 (3) 矢量控制 ：矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到对电动机在d、q、0坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达到控制电动机转矩的目的。通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间，又可以形成各种PWM波，达到各种不同的控制目的。例如形成开关次数最少的PWM波以减少开关损耗。目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。 基于转差频率的矢量控制方式与转差频率控制方式两者的定常特性一致，但是基于转差频率的矢量控制还要经过坐标变换对电动机定子电流的相
22、位进行控制，使之满足一定的条件，以消除转矩电流过渡过程中的波动。因此，基于转差频率的矢量控制方式比转差频率控制方式在输出特性方面能得到很大的改善。但是，这种控制方式属于闭环控制方式，需要在电动机上安装速度传感器，因此，应用范围受到限制。 无速度传感器矢量控制是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进行控制，然后通过控制电动机定子绕组上的电压、电流辨识转速以达到控制励磁电流和转矩电流的目的。这种控制方式调速范围宽，启动转矩大，工作可靠，操作方便，但计算比较复杂，一般需要专门的处理器来进行计算，因此，实时性不是太理想，控制精度受到计算精度的影响。 (4) 直接转矩控制 ：直接转矩控制是利用空间矢
23、量坐标的概念，在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的，因此省去了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观、简洁，计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在开环的状态下，也能输出100%的额定转矩，对于多拖动具有负荷平衡功能。 (5) 最优控制 ：最优控制在实际中的应用根据要求的不同而有所不同，可以根据最优控制的理论对某一个控制要求进行个别参数的最优化。例如在高压变频器的控制应用中，就成功的采用了时间分段控制和相位平移控制两种策略，以实现一定条件下的电压最优波形。 (6) 其他非智能控制方式 ：在实际应用中，还有一些非智能控制方式在
24、变频器的控制中得以实现，例如自适应控制、滑模变结构控制、差频控制、环流控制、频率控制等。 二.智能控制方式 智能控制方式主要有神经网络控制、模糊控制、专家系统、学习控制等。在变频器的控制中采用智能控制方式在具体应用中有一些成功的范例。 (1) 神经网络控制 ：神经网络控制方式应用在变频器的控制中，一般是进行比较复杂的系统控制，这时对于系统的模型了解甚少，因此神经网络既要完成系统辨识的功能，又要进行控制。而且神经网络控制方式可以同时控制多个变频器，因此在多个变频器级联时进行控制比较适合。但是神经网络的层数太多或者算法过于复杂都会在具体应用中带来不少实际困难。 (2) 模糊控制 ：模糊控制算法用于
25、控制变频器的电压和频率，使电动机的升速时间得到控制，以避免升速过快对电机使用寿命的影响以及升速过慢影响工作效率。模糊控制的关键在于论域、隶属度以及模糊级别的划分，这种控制方式尤其适用于多输入单输出的控制系统。 (3) 专家系统 ：专家系统是利用所谓“专家”的经验进行控制的一种控制方式，因此，专家系统中一般要建立一个专家库，存放一定的专家信息，另外还要有推理机制，以便于根据已知信息寻求理想的控制结果。专家库与推理机制的设计是尤为重要的，关系着专家系统控制的优劣。应用专家系统既可以控制变频器的电压，又可以控制其电流。 (4) 学习控制 ：学习控制主要是用于重复性的输入，而规则的PWM信号(例如中心
26、调制PWM)恰好满足这个条件，因此学习控制也可用于变频器的控制中。学习控制不需要了解太多的系统信息，但是需要12个学习周期，因此快速性相对较差，而且，学习控制的算法中有时需要实现超前环节，这用模拟器件是无法实现的，同时，学习控制还涉及到一个稳定性的问题，在应用时要特别注意。4.4 变频器的发展展望(1) 数字控制变频器的实现 ：现在，变频器的控制方式用数字处理器可以实现比较复杂的运算，变频器数字化将是一个重要的发展方向，目前进行变频器数字化主要采用单片机MCS51或80C196MC等，辅助以SLE4520或EPLD液晶显示器等来实现更加完善的控制性能。 (2) 多种控制方式的结合 ：单一的控制
27、方式有着各自的优缺点，并没有“万能”的控制方式，在有些控制场合，需要将一些控制方式结合起来，例如将学习控制与神经网络控制相结合，自适应控制与模糊控制相结合，直接转矩控制与神经网络控制相结合，或者称之为“混合控制”，这样取长补短，控制效果将会更好。 (3) 远程控制的实现 ：计算机网络的发展，使“天涯若咫尺”，依靠计算机网络对变频器进行远程控制也是一个发展方向。通过RS485接口及一些网络协议对变频器进行远程控制，这样在有些不适合于人类进行现场操作的场合，也可以很容易的实现控制目标。 (4) 绿色变频器 ：随着可持续发展战略的提出，对于环境的保护越来越受到人们的重视。变频器产生的高次谐波对电网会
28、带来污染，降低变频器工作时的噪声以及增强其工作的可靠性、安全性等等这些问题，都试图通过采取合适的控制方式来解决，设计出绿色变频器。5 变频器的电路设计 5.1 交-直变换部分1、VD1VD6组成三相整流桥，将交流变换为直流。 如三相线电压为UL，则整流后的直流电压UD为： UD1.35UL 2、滤波电容器CF作用： （1）滤除全波整流后的电压纹波； （2）当负载变化时，使直流电压保持平衡。因为受电容量和耐压的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容器组串联而成。如图中的CF1和CF2。由于两组电容特性不可能完全相同，在每组电容组上并联一个阻值相等的分压电阻RC1和RC2。 3、
29、限流电阻RL和开关SLRL作用：变频器刚合上闸瞬间冲击电流比较大，其作用就是在合上闸后的一段时间内，电流流经RL，限制冲击电流，将电容CF的充电电流限制在一定范围内。SL作用：当CF充电到一定电压，SL闭合，将RL短路。一些变频器使用晶闸管代替（如虚线所示）。4、电源指示HL作用：除作为变频器通电指示外，还作为变频器断电后，变频器是否有电的指示（灯灭后才能进行拆线等操作）。5.2 能耗电动部分1、制动电阻RB 变频器在频率下降的过程中，将处于再生制动状态，回馈的电能将存贮在电容CF中，使直流电压不断上升，甚至达到十分危险的程度。RB的作用就是将这部分回馈能量消耗掉。一些变频器此电阻是外接的，都
30、有外接端子（如DB，DB）。 2、制动单元VB 由GTR或IGBT及其驱动电路构成。其作用是为放电电流IB流经RB提供通路。5.3 直-交变换部分1、逆变管V1V6 组成逆变桥，把VD1VD6整流的直流电逆变为交流电。这是变频器的核心部分。常用的逆变管见：变频器常用的逆变管。2、续流二极管VD7VD12 作用：（1）电机是感性负载，其电流中有无功分量，为无功电流返回直流电源提供“通道”；（2）频率下降，电机处于再生制动状态时，再生电流通过VD7VD12整流后返回给直流电路；（3）V1V6逆变过程中，同一桥臂的两个逆变管不停地处于导通和截止状态。在这个换相过程中，也需要VD7VD12提供通路。5
31、.4 缓冲电路缓冲电路如图2所示：逆变管在导通和判断的瞬间，其电压和电流的变化率是比较大的，可能全逆变管受到损害。因此，每个逆变管旁边还就接入缓冲电路，其作用就是减缓电压和电流的变化率。1、C01C06 逆变管V1V6每次由导通到截止的判断瞬间，集电极C和发射极E间的电压将迅速地由0V上升为直流电压UD。过高的电压增长率将导致逆变管的损坏。C01C06的作用就是减小逆变管由导通到截止时过高的电压增长率，防止逆变损坏。 2、R01R06 逆变管V1V6由导通到截止的瞬间，C01C06所充的电压（等于UD）将V1V6放电。此放电电流的初值很大，并且叠加在负载电流上，导致逆变管的损坏。R01R06的
32、作用就是限制逆变管在导通瞬间C01C06的放电电流。3、VD01VD06 R01R06的接入，又会影响到C01C06在V1V6关断时减小电压增长率的效果。VD01VD06接入后，在V1V6关断过程中，使R01R06不起作用；而在V1V6接通过程中，又迫使C01C06的放电电流流经R01R06。 5.5 参数计算和元件选择交直交电压型变频电路如图3所示 图3整流采用三相桥式不可控整流器，组成滤波电路，三个元件和 一起构成尖峰电压吸收电路（又称直流侧阻容吸收电路），用以削弱因逆变器换流而引起的尖峰电压，采用的是GRT三相桥式PWM逆变器。 （1）大功率开关管：SPWM正弦脉宽调制方法的直流利用率为
33、0.866，。为了使逆变器输出380V的线电压，要求直流侧的电源电压：，考虑到大功率的晶体管的管压降等，取，则大功率晶体管的参数为：，。选择GTR达林顿模块QCA50A100A三块，作为大功率开关管。QCA50A100A为两单元组件，c-e极带反向续流二极管，绝缘式结构，其极限参数为： ，它的内部结构图如图4所示。 图4 QCA50A100模块内部结构（2）整流桥输入侧电压为：，直流侧功率可估算如下： 取电动机的效率为0.82，则电动机的输入功率为 。取逆变器的效率为0.93，则 直流侧的功率为： ，故直流侧电流：。整流二极管最高反压：基于以上数据，选用MDS40型三相整流桥模块，其最大输出电
34、流为40A，最高耐压为1000V。（3）LC滤波器取，其最大耐压。选择两只2200uF，耐压在500V以上的电容器并联使用。滤波电感在这里主要用来限制电流脉动（PWM变频调速系统不存在电流不连续问题）和短路电流上升率，按照晶体管三相桥式整流电路限制电流脉动的电感量算式估计如下（取）考虑到电动机和整流变压器存在一定的电感量，取实际的串联电感为100mH。选择两台电感量各为50mH，额定电流不小于6.4A的电抗器串联。（4）直流侧阻容吸收电路按照晶体管三相桥式整流电路直流侧组容吸收电路参数式进行估算： 其中，选择系列纸电容。的额定功率取为2W，选择RJ系列金属膜电阻。选用2CP1G，额定电流0.5
35、A，最高耐压800V。（5）大功率晶体管阻容吸收电路 取电动机起制动电流为额定电流的3倍，即关断时间，升泵电压 ，则：，的耐压值与GRT相同，取为的电容，阻值取为100欧。6 变频器的选择汇丰MD280T07G输入电压：三相380V 范围 -15%20% 电源容量（KVA）：24 输入电流（A）：38.5 输出电流（A）：37 适配电机（KW）：18.5 变频器参数表功能码名称设定选择F0-00命令源选择1：端子命令通道F0-01频率源选择4：多段速F0-04最大频率100.00HZF0-08加减速时间单位0：S（秒）F0-09加速时间10.1F0-10减速时间10.1F1-00电机额定功率0
36、.75F1-01电机额定电压380F1-02电机额定电流2.1F1-03电机额定频率50F1-04V/f曲线设定0：直线V/F曲线F2-00DI1端子功能选择1：正转运行（FWD)F2-01DI2端子功能选择2:反转运行（REV）F2-02DI3端子功能选择13：多段速端子1F4-10停机方式0：减速停机F4-11停机直流制动起始频率100F4-12停机直流制动等待时间0F4-13停机直流制动电流1030%F4-14停机直流制动时间0.1F5-09反转控制0：允许反转F5-38散热风扇控制1：上电后散热风扇一直运转FA-00波特率5：9600BPSFA-01数据格式1：偶校验FA-02本机地址
37、07 PLC的选择OMRON CP1E是新一代小型PLC，具有超低价格，对应更多的全球竞争的设备控制。与CPM相比，CP1E提供了更高的性价比。CP1E多功能一体型PLC可选择多CPU型号。CP1E-E基本型或CP1E-N应用型，通过提高性价比，进一步实现降低成本。20/30/40点型CPU，完整的小型PLC产品线CP1E/CP1L/CP1H。标配USB口，N型内置RS232口且可扩展至2个串口。强大的定位功能，2轴高达100KHz的脉冲输出。控制规模10点160点。操作便利，一眼即知的I/O状态。浮点运算。安全密码功能 PLC I/0表输入输出急停O.00正转100.O0启动按钮0.01反转
38、100.01手动/自动0.02多段速100.02整形光电0.03升降气缸100.03气缸上限0.04左右夹气缸100.04气缸下限0.05前后夹气缸100.05运送前限0.06运送后限0.078 控制电路图这部分电路主要是提供24V电源，显示工作状态，还有一些辅助电路，通讯作用。9 软件设计 多段速程序段LD 100.00 /运送前进时计时开始 AND P_0_02sLD 0.06 OR 10.01 CNT 080 D102LD 100.01 /运送回计时开始 AND P_0_02sLD 0.07 OR 100.00 CNT 081 D102LD 101.09OR 101.10AND 0.00
39、OUT 100.02 /多段速输出LD 100.00 DIFU(013) 17.00LD 100.00 LD 17.00ANDNOT 0.07 OR C080ANDLDOR 101.09AND 0.00ANDNOT 100.01 ANDNOT 0.06 OUT 101.09 /运送回多段速LD 100.07 DIFU(013) 17.01LD 100.07 LDNOT 0.06 AND 17.01OR C081ANDLDOR 101.10AND 0.00ANDNOT 100.00 ANDNOT 0.07 OUT 101.10 /运送前多段速 10变频器、PLC、触摸屏串口通信参数设置PLC分别
40、通过两个接口与变频器和触摸屏连接，整个系统采用Modbus RTU的传输模式。变频器通信参数设置要点：(1)各通信参数要与Twido PLC COM2口一致；(2)变频器要有自己唯一的地址；(3)变频器的通信跳线开关CN14设置在RS一485方向；(4)变频器延时应答设为(FF03)3050ms。 DOPA触摸屏通信参数的设置要与PLC COM 1口一致。具体的参数需要通过编程软件SCreenEditor设置，下载至触摸屏后生效。DOPA和PLC均支持Modbus协议，所以可以通过Modbus连接。在P L C 的通信程序中应编写一条赋值语句(例如：MW2999：=0)为DOPA触摸屏的系统控
41、制区和系统状态区开辟内存空间，否则将无法通信。Twid0 P L C中的内部位M0对应DOPA中的B1，内部字MW0对应W40001。11经济型分析生产机械是各式各样，种类繁多的，但负载类型主要有三类，它们与节能的关系见表1。表中的P（KW）、M（nm）、n（r/min）。表1 负载类型与节能关系变频器是通过减小电机的转速，来减少电机、泵等应用部件的输出功率的，它可以避免电机在高于所需转速的速度下运转。使用其他方法时，电机在全速状态下运转，如果输出的流体受到了阻碍。例如，流过管道的流体经过阀门会减速，而这就是一种浪费，因为电机不管在什么条件下，都是以额定转速运转的。通常电机只有一个速度，如果你
42、需要不同的速度，你必须买一个不同的电机。变频器通过控制供给电机的电源电压以及电流波形来工作。电机轴的运行可以被精确地调整，确保达到所需的性能要求。采用变频器控制将有以下诸多优点： (1)、采用变频器控制电机的转速，取消挡板调节，降低了设备的故障率，节电效果显著； (2)、采用变频器控制电机，实现了电机的软启动，延长了设备的使用寿命，避免了对电网的冲击； (3)、电机在低于额定转速的状态下运行，减少了噪声对环境的影响； (4)、具有过载、过压、过流、欠压、电源缺相等自动保护功能； (5)、提高产品质量及产量。每一种新产品的设计和开发，大部分是基于该产品能带来更大的收益。要获得更大的收益，就需要得
43、到购买者的认可，这就是性价比的问题，也就是说如何用最小的钱买到最好的产品。那么对于生产厂家而言，怎样使用最小的成本生产出最有市场价值的产品无疑是设计过程中非常重要的问题。所以，在设计中，如何通过设计来减少材料的使用和提高材料的利用率，并通过整体设计使产品的性能价格比最优化，是设计者必须重视的问题。本设计对机械手位置控制系统进行了设计研究。系统由一般同行所需要的硬件，以及一套可行性高的PLC程序组成。11.1 目标成本单位产品目标成本预测价格（税率目标利润率）此处税率8，目标利润率5011.2 初步计算成本根据本设计的系统所需的材料费用、工资、折旧等消耗，定价参考目前市场价格，得出了成本概算见表1表1：机械手位置控制系统成本概算表序号项目金额备注1原材料500.0单位产品各种元器件2PLC3000.0欧姆龙CQM、CPM 以及软件3固定费用500.0资产折旧,企业管理,销售费用,设备维修费用总计4000.011.3 经济分析及市场前景预算 一个好的应用方案，不仅要看技术含量，还要看它是否实用，性价比是否适当