长距离高精度定为工作台控制系统设计

长距离高精度定为工作台控制系统设计摘 要随着自动化的发展，直线轨道车在仓储、机械加工和化工等领域得到广泛应用。直线轨道车复合机械设备按照生产工艺的要求，需要在轨道上处于一种“行走对正停车操作”的自动往复运行状态，在实际生产过程中由于轨道车的结构庞大、行走惯性大，造成定位精度不高，严重影响生产效率。本课题以轨道车精确定位，实现设备的自动化控制为主要研究内容。 本文对国内外的现有的定位技术文献和专利进行了对比及分析，借鉴了它们的优点，将激光测距仪应用于系统的定位环节。该定位系统以西门子 PLC S7-200 为控制器、通过继电器控制电机行走、以激光测距仪为位置反馈元件组成闭环控制结构，结合滑动平均值数据滤波法与“行走停车点动对位”控制电机的方法，实现轨道车的准确定位。并利用位移显示器实时显示轨道车位移，方便调试和操作人员手动操作。 通过现场的运行表明，本文设计的基于激光测距的轨道车定位系统在 100m的直线行程，其定位精度达到了3mm，稳定性能完全满足工艺要求。轨道车定位系统采用激光测距与 PLC 控制系统连接，提高了系统的可靠性和智能性；实时准确获得当前所处的位置，是实现自动化控制的关键问题，使机轨道车的操作动作时间缩短，效率提高；没有采用调速控制系统，使结构变得简单可靠，提高系统的性价比；在外部环境发生改变时，系统能够及时的做出调整以实现准确定位。 关键词：定位，激光测距仪，PLC，闭环控制 ABSTRACTWith development of automation, Linear track vehicle has been widely applied in thefield of storage, mechanical processing and chemical. Linear track vehicle could run in thestate of automatic reciprocating motions as run- alignment -operation. The track vehicleloction technology internationally and domestically and design the loction system based onlaser ranging technology. This loction technology adopt controller of Siemens Corp.S7-200 series, control the action of motor by the relay and laser rangefinder as the positionfeedback elements to form the closed loop control structure. Combined digital filter baseon sliding average method for and run-stop-inching alignment motor control method toachieve accurate positioning. Vehicle displacement reflect through the displacementdisplay that can help the operator to know where the track car is.This article briefly introduce structure and function of automatic operation system.System collect liquid level signal through analog extension module EM231, get the watersend the field data to DCS monitoring center through Modbus communication protocol.The loction technology in this article has been applied in Movable Trash Racked BarScreen project in Hengli petrochemical company in Dalian. In this article, the design of thetrack vehicle loction system based on laser ranging in the 100m straight stroke, itsIIIimprove work efficiency. Abandon the speed control system can simplify the structure toenhances the performance-to-price ratio. When an external environment changes, controlsystem can adjust accordingly for accuracy positioning. Key Words：loction, laser rangefinder, PLC, closed-loop control system 目 录摘 要1ABSTRACT2第一章 绪论41.1 课题研究背景41.2 课题的国内外研究现状41.3 本论文主要研究内容42.1 轨道车一般定位方法分析62.2 控制方法概述72.2.1 控制系统的基本结构72.2.3 控制系统的性能要求92.3 调节的理论分析10第三章 基于激光测距的定位系统设计113.1 激光测距定位系统硬件构成及原理113.2 定位系统分析设计123.2.1 定位系统方案设计123.2.2 定位系统流程133.3 激光测距仪143.4 本章小结15第四章 交流电机驱动设计164.1 交流电机调速原理164.2 系统主电路方案的确定174.2.1 主电路结构的选择174.3触发控制电路框图184.4 SPWM的工作生成原理184.5 MA818结构及工作原理20第五章 结论22参考文献23致 谢26 第一章 绪论1.1 课题研究背景 四轮轨道小车是一种能够在固定轨道上运动的一种多功能小车，随着我国工业化的发展，人口红利逐渐消失，能源成本的上涨，中国制造业将经历由粗放型、低附加值模式向集约型、高附加值模式的历史性转变。作为高端制造业的“基石”，工业自动化装备面临着传统产业改造提升、新兴产业发展需求双重机遇。在轨道交通高速发展的今天，高铁、动车渐渐成为人们中长距离出行的首选交通工具，而在铺设铁路设施时，人工铺设显然是一种效率落后的铺设方式，这时就需要一些特殊的轨道作业车辆来实现作业，但目前的轨道车大多由人工操控，作业质量可控性地、作业分散性，尤其是工程单位所属的轨道车经常是远距离作业，在工作繁忙的情况下，人工控制轨道小车的工作效率会大打折扣，尤其是人工操作带来的安全隐患是作业中不可忽视的一项突出结症，所以本文在原有四轮轨道小车的基础之上，增加了自动控制系统，提高四轮轨道小车的自动化水平，不仅减少了人工干预带来的安全隐患，同时在繁忙的作业时段，通过智能系统的合理安排，增加四轮小车的工作效率。但是不仅减少工人的体力劳动，而且提高工作效率，同时高精度轨道作业车辆的作业质量可控性更高。1.2 课题的国内外研究现状 1、日本东京大学精密及智能实验室研制的超精密定位系统采用气浮导轨导向，定位行程可达400mm。控制系统采用的是带前馈补偿的PID控制器。反馈测量系统采用分辨率达0.3mm的激光干涉仪。此系统定位精度可达2mm。2、法国Samir Mekid所研制的摩擦驱动工作台，质量100KG，可在220mm的定位行程内达到精度为16nm的高精度地位，并且其工作台的运动速度可达10mm/s。3、在国内也有众多的科研机构和高等院校正在对长距离高精度定位系统做着较为深入的研究。其中，哈尔滨工业大学研制了一个采用宏动台与微动台两级驱动的工作台，这个工作台的行程可达500mm，同时它的定位精度可以达到20nm。该工作台在大行程驱动方面采用的是直线电机，而精定位方面采用的是电致伸缩微位移器。采用单频激光干涉仪来实现闭环的位置反馈，控制算法采用的是PID控制。1.3 本论文主要研究内容 研究的主要内容包括： （1）对控制系统的组成及控制调节进行了研究，结合闭环控制原理对本定位控制系统进行设计。 （2）根据现场条件，搭建定位系统的硬件工作平台。完成定位系统硬件电路部分的连接，包括电机驱动、位置检测等工作。 （3）根据课题定位精度要求，编写软件程序并调试整个定位控制系统。通过优化电机控制方法，提高控制系统的稳定性能和动态性能。 （4）将本文设计的定位技术在清污机运行系统中进行应用，检验其定位精度及稳定性能。简述清污机运行系统硬件组成及功能。 第二章 实现轨道车定位控制的一般方法2.1 轨道车一般定位方法分析 随着近几年来轨道车的发展，国内外学者提出了多种轨道车定位技术，现小结如下，并加以分析。【需要成品毕业设计，联系QQ380615448】 （1）基于里程计累加测距的定位技术 里程计是一种根据随车轮一起转动而输出固定脉冲的传感器，控制器通过连续记录其脉冲数可以计算出车行驶过的距离。由于一般的轨道车直线行走，因此可根据车在轨道上行驶过的距离，确定车的具体位置 该技术采用旋转编码器，将旋转编码器安装在车轮轴上，这样编码器可以与车轮同步旋转，通过脉冲数及车轮周长计算车辆行走距离。控制器通过检测旋转编码器输出的两路脉冲分辨出轨道车的行走方向。使用该技术定位时的误差主要包括计数误差与轮径磨耗两个方面。根据以上误差来源一般的解决方案是在铁轨旁安装齿条，用齿轮带动旋转编码器同步运转，根据脉冲数及齿轮的周长进行计算。可以根据精度要求增加编码器的每周输出脉冲数。实验数据表明该方法定位精度可以达到1mm。 （2）基于测速的定位技术 由于轨道车线路的直线性，通过检测轨道车的实时行驶速度，通过计算分析得出轨道车的实时位移。可以通过多普勒雷达测速、旋转测速等方式测量多普勒雷达法是利用多普勒效应测量轨道车行驶速度的一种方法。多普勒雷达安装在轨道车上，接收设备安装在地面上，雷达定时向地面发送一定频率的微波信号，并检测其反射信号。由位于轨道车上的控制器根据反射波与入射波的夹角、入射时间与发射时间及雷达距地面的距离计算出轨道车行驶速度，从而得出轨道车的位置。德国某公司研制的测速雷达的测速范围在 0.2-600km/h 之间，当车速低于 100km/h 时绝对误差不超过 0.4km/h，车速在 100-600km/h 之间时相对误差小于 0.4%（3）基于电磁波测距的定位技术 第二章 实现轨道车定位控制的一般方法 在空气中传输的电磁波根据频谱可将其分为无线电波、微波、红外线、激光等，由于电磁波在空气的速度是固定的，一般将调制信号加载在电磁波上进行传输，通过测量比较其发射波与接收波的时间差或相位差得出行走距离。定位精度与调制信号频率有关，调制信号频率越高则测量精度越高。 红外定位技术是该技术的应用之一主要分车载部分及地面站部分。其基本原理为：编码红外线经过高频调制通过地面站发出。车载活动标尺为红外接收设备，将接收到的高频波在标尺上进行分析，判断出轨道车所处位置。由于采用调制后的高频波有很强的抗干扰性，因而对精准定位有了保证。目前此项红外定位技术已经在我国很多钢铁厂有了很多实践项目，测量精度可达到 1cm。 （4）基于卫星系统的定位技术 这种定位方式采用全球定位系统（GPS）。全球定位系统由卫星和 GPS 接收机组成。轨道车通过使用 GPS 接收机，接收多颗定位卫星发送来的定位信息，就可以通过计算分析出所在位置。GPS 卫星定位属于相对运动状态下工作，限制了定位的精度。有些地方比如山区，森林等，GPS 信号容易受到周围环境的影响，需慎重考虑使用这种方法。 （5）基于感应回线的定位技术 感应回线定位技术是将两条电缆交叉的平铺在轨道上，并在轨道车装配一感应线圈，当感应线圈每经过一个电缆交叉点时，车载设备检测到感应线圈内信号的极性发生一次变化，记录极性变化的次数从而确定轨道车行驶过的距离；当然也可以将感应线圈的信号极性固定，通过检测电缆极性的变化，达到轨道车定位的目的。交叉感应回线定位方式只能实现轨道车的相对定位。 感应回线定位方式采用编码电缆位置检测方式，该方式特点有：通过安装在轨道车上的感应线圈与铺设在地面上的编码电缆之间的电磁耦合来检测轨道车的位置，可以准确地测量出所在位置。编码电缆是多对电缆以一定规律交叉组合而成，对于外部电平干扰具有很强的抑制能力。通过检测各电缆极性变化，利用各对地址线接收到的信号的相位和基准线接收到的信号的相位相比较，相位相同时为“0”，相位相反时为“1”，一般采用格雷码进行组合排列从而得出轨道车的绝对距离。现在邯钢，宝钢使用编码电缆定位技术的定位精度中可以达到 10mm，而国内通过建立模型沈阳工业大学硕士学位论文试验可以使定位精度达到 2mm。 除了上述技术外，还包括基于查询/应答器的定位技术、基于无线扩频定位技术等，这里不多做介绍了。众所周知，位置检测对轨道车定位精度起着关键性的作用，位置检测器是轨道车定位系统的主要组成部分之一，它的性能决定了系统的定位精度，对于本系统中轨道车能否准确的定位首先取决于对轨道车的当前位置的准确测量，本文中需要根据工程的精度要求及现场情况设计了一种新型的定位系统。 2.2 控制方法概述 轨道车的定位控制是一个比较典型的系统控制问题。它包含了系统控制的各个环节。 2.2.1 控制系统的基本结构 在完成控制系统的分析和设计时，首先必须明确了解控制对象和控制系统结构。控制的方案不外乎有三种：开环控制、半闭环控制、闭环控制。开环控制：所谓开环控制就是不将控制的结果反馈回来影响当前控制的系统，对于电机速度的精准控制，实现精准定位，开环控制显然不能够满足设计要求。半闭环控制：半闭环控制可以间接检测移动部件的位移，但是本次设计的精度要求在一百米内误差不能超过三毫米，显然半闭环控制在工作过程中对随机误差不能够有效的消除，所以精度很难达到设计要求。闭环控制：闭环控制是控制论的一个基本概念。指作为被控的输出以一定方式返回到作为控制的输入端，并对输入端施加控制影响的一种控制关系。在控制论中，闭环通常指输出端通过“旁链”方式回馈到输入，所谓闭环控制。输出端回馈到输入端并参与对输出端再控制，闭环控制能够有效的消除误差，设置提前预判误差的出现，有着很好的稳定性，能够满足本次设计的要求，所以本次设计采用闭环控制。 闭环控制系统相对与开环控制系统最大优点是根据偏差对被控对象进行修正。从闭环控制系统具有如下特点： 1）由于闭环环节的存在，提高了系统的控制精度。 2）可以抑制控制系统中外部产生的干扰和由于器件的使用时间长而产生的结构或性能的不稳定。 3）如果选择不恰当的反馈或者参数设定不准确，系统的动态性能没有得到改善，甚至使的原本稳定的控制系统变的不稳定。 2.2.2 控制系统的基本组成 如图 2.2 所示，一套完整的控制系统主要由控制器、执行机构、反馈元件、被控对象等组成（1）控制器 控制器的主要作用是分析计算偏差信号，以一定的控制规律输出控制信号。通常用的控制器：嵌入式微处理器、可编程逻辑控制器（PLC）等。 1）嵌入式微处理器 嵌入式微处理器的发展速度很快，嵌入式系统已经广泛地应用我们的生活的各领域，其主流产品包括单片机，FPGA，DSP 等，具有体积小、成本低、开发灵活等优点，由于其外围扩展电路较为复杂，编程周期长，一般适用于控制功能简单、较大批量的场合。 2）可编程逻辑控制器 在运动控制领域中，PLC 由于其产品成熟、可靠性高，抗干扰能力强多用于工业控制系统中，本定位控制系统中就是采用的西门子 PLC S7-200，在本文第三章有详细介绍，这里就不做描述。 （2）执行机构 执行机构直接作用于被控对象，完成被控对象的驱动，常用的有电动机、调节阀等。电动机根据控制方式，一般可分为简单控制电动机及复杂控制电动机。 简单控制是主要是控制电动机的启动、停止和正反转等。这一类控制可由开关、控制器和继电器来实现，简单控制电动机一般采用简单的不可调速的电机，价格便宜，结构简单，控制方便；复杂控制是对电动机的转角、电压、电流等物理量进行控制，在定位控制系统中常用的电机控制是调速控制，比较成熟的调速方法主要有变频调速、串电阻调速及变第二章 实现轨道车定位控制的一般方法 极调速等。复杂控制电动机一般采用步进电机、数字式交流伺服电机和直流伺服电机等，其优点是受控性能较好，精度高，但价格比较昂贵。 （3）反馈元件 位置反馈装置有旋转编码器、光栅及激光测距仪等。其作用是将检测到的位置信号反馈到控制器中，构成闭环控制。位置检测对轨道车定位精度起着决定性的作用，位置传感器是轨道车定位系统的主要组成部分之一，它的性能决定了系统的定位精度，对于本系统中轨道车能否准确的定位首先取决于对轨道车的当前位置的准确测量，而传感器的精度、稳定性等参数成为了系统的首选条件。 2.2.3 控制系统的性能要求 当控制系统受到各种扰动或给定量改变时，被控量就会偏离原来的值而产生偏差。通过控制系统的作用，被控制量趋近或恢复到稳态值，这时系统达到另一个平衡状态。把被控量处于变化状态的过程称为动态过程或暂态过程，而把被控量处于相对稳定的状态称为稳态或静态。自动控制系统动态品质和稳态性能可用相应的技术指标来衡量。自动控制系统的技术指标通常是指系统的稳定性、快速性和准确性。 （1）稳定性 一个自动控制系统最基本的要求是系统能稳定地工作，即当控制系统在某一工作状态下工作时，若由于扰动信号的作用、内部参数发生变化、环境条件的改变或初始条件不同时，仍能正常地进行工作。不稳定的系统是不能工作的。 （2）准确性 控制系统的稳态性能可用它的稳态误差来表明它指系统从暂时状态进入稳定状态后期望值与实际值之间的偏差。根据输入点的差异，一般可分为参考输入稳态误差和扰动输入稳态误差。对于随动系统系统，还应考虑动态误差。误差越小，准确性就越高。 （3）快速性 控制系统不仅要求有很高的准确性及稳定性，而且还要求系统的响应速度快。对于某些特定系统来说，这个性能指标非常重要。系统的快速性，一般用上升时间、调整时间和峰值时间等来表示。从理想角度出发，当然希望控制系统能平稳、快速、高精度地运行，但实际上对于同一系统，这些要求往往是相互制约的。对于实际的控制系统，对上述三方面的性能要求可能也各有侧重。如何通过系统参数的合理调整、选择适合的控制方式与控制器以解决这些矛盾，是本论文主要研究内容。 2.3 调节的理论分析 控制器是自动控制系统中重要的组成部分。它接收变送器或转换器送来的标准信号，并与给定值进行比较，得出偏差后，按预定的规律(称调节作用或调节规律)输出标准信号，推动执行器消除偏差，使被控值保持在给定值附近或按预定规律变化，实现对被控过程的自动控制。在工程实际中，PID 算法是最早发展起来的控制算法之一，由于其原理简单、抗干扰性好适应性强在各种过程控制或运动控制中得到应用。尤其是随着计算机控制技术的发展，数字 PID 控制被应用到了各种控制过程中，不同的PID 控制算法其控制效果也各有不同。 第三章 基于激光测距的定位系统设计应用激光测距、PLC、接触器和电机等组成轨道车定位系统，通过激光测距仪测量实时位置，采用“行走停车点动对位”控制电机的方法实现自动定位控制，在100m 的行程上，满足小于3mm 的定位精度要求。 3.1 激光测距定位系统硬件构成及原理 如图3.1激光测距仪安装在轨道车顶部，防止在行走过程有障碍物遮挡激光束，激光测距仪可随着轨道车一起移动，在轨道终点与激光测距仪正对处设置反射板，激光测距仪开启时发出激光射到反射板上，再反射回激光测距仪，激光测距仪的数据通过数据传输线输入控制器中。 图3.1激光测距系统示意图如图 3.2 定位系统控制回路所示中，激光测距仪通过 RS485 数据传输线，连接PLC 的 PORT0，PLC 分别连接位移显示器和交流接触器，交流接触器连接电机，电机为电磁式制动交流减速电机由交流电机和减速箱组成，PLC 通过控制交流接触器闭合，控制电机通过减速箱使轨道车行走。 采用的抱闸电机，单独控制抱闸和释放操作，轨道车行走时将抱闸释放，定位准确后抱闸，方便进行下一步动作。 图3.2定位系统控制回路图采用位移显示器显示相对位移与绝对位移，通过 485 信号线连接 PLC 的 PORT1，显示器分为两行，上行显示距离目标值的相对位移，下行显示离反射板（0 点）的绝对位移，方便操作人员更好的了解轨道车所在位置，通过数据显示器，实时显示测量的位移，为操作人员提供准确的运行参考数据。 3.2 定位系统分析设计 3.2.1 定位系统方案设计 本定位系统控制结构框图如图 3.3 所示。以 PLC 为控制器、电动机为执行结构、激光测距仪作为反馈元件组成闭环控制结构。 图 3.3 激光测距定位系统闭环控制结构框图如图 3.3 中所示，PLC 将接收到的实际位值结果经过滑动平均值法滤波，与指定值进行比较得出偏差，当轨道车需要到目标值进行工作时，即偏差不为零时，PLC输出量为“1”，控制继电器闭合。此时轨道车以恒定的速度向目标靠近，偏差随着行走逐渐缩小。此过程类似于比例调节规律，比例系数为轨道车的匀速度。通过测试计算得出该轨道车的匀速度为 50mm/s。 当到达停车位置时，PLC 输出量为“0”，控制继电器打开，轨道车向目标值减速滑行。停车位置的设定在下面章节具体讨论。 滑行停车后如果没有达到目标范围，即偏差大于规定值，PLC 通过定时闭合继电器控制电机点动行走到目标值中。 3.2.2 定位系统流程 本定位系统流程如下： （1）定位开始时，PLC 通过目标位置与现在停车位置的对比，判断轨道车正行还是逆行，控制电机启动加速到正常速度后，匀速向目标行驶，同时将激光测距仪开启，PLC 将接收到的数字量采用滑动平均值法进行滤波，使控制器每次扫描结果始终保留最新的采样结果。 （2）行走过程中 PLC 周期性的通过实时位移值与目标值进行对比，判断轨道车是否到达停车位置，当到达停车位置时，交流接触器释放，电机断电，轨道车从匀速到停止，由于惯性产生一段滑行距离，每次停车均存储更新正行程滑行距离或逆行程滑行距离。 （3）当轨道车滑行完毕后判断实际位置与定位位置差值是否大于点动位移，若大于时轨道车点动到目标值中。 （4）轨道车的实际停车位置与目标位置误差距离小于点动位移时停止操作，抱闸，进入下一步动作。采用的抱闸电源单独进行抱闸释放，轨道车行走时将抱闸释放，定位准确后抱闸，方便进行下一步动作。 控制流程如图 3.5 所示。 图 3.5 定位系统控制流程图3.3 激光测距仪 激光测距是利用激光的单色性优异、方向性稳定、亮度明晰、能量密度高等特点，以实现高精度测量。一个完整的激光测距系统应由发射部分、接收部分与处理部分构成。当系统工作时，发射电路将测距信号调制在激光发射器上，由激光发射器将激光发射出去，激光经过目标物的发射后由接收元件传送到接收电路中，通过处理器计算处理得到激光测距仪与反射板的距离，将激光测距仪放于目标物上可测出目标的距离来。激光测距仪工作原理如图 3.6 所示。 图 3.6 激光测距仪工作原理图 随着激光系统的不断发展，其越来越多的被应用于各种领域。激光测距仪应性强、简明、直观、快速、可靠性高、精度高、维护量很小的优点，被广泛用于地形测量，战场测量，以及测量云层、飞机、导弹、人造卫星的高度等。近年来由于激光测距仪价钱越来越便宜，工业领域中也逐渐开始应用激光测距仪。目前工业用激光测距仪系统已经比较成熟，它可测近距，也可测远距，精度高，在工业环境下，不间断工作，输出为 420mA 或 RS485/232 通信信息，相当可靠。一般用激光测距仪与其它设备组合，构成一套控制系统将会具有高性能及很广泛的应用前途。 本定位系统中采用激光传感器系统参数：最大量程为 200m；精度为 1mm；分辨率是 1mm/0.1mm；采样频率为 2Hz-15Hz，输出 RS485 信号，电源输入为 12V，实物如图 3.14 所示。 3.4 本章小结 本章主要介绍一种基于激光测距的直线轨道车定位系统及方法，详细介绍了该定位系统的硬件组成部分，分析并设计了该定位系统的闭环控制结构，运用位置数据处理法、停车位置修正法、点动调整法以达到精确的定位。第四章 交流电机驱动设计4.1 交流电机调速原理交流异步电动机调速系统种类繁多，常见的有：降压调速，电磁转差离合器调速，饶线转子异步电机串级调速，变极对数调速和变压变频调速。而由电机学可知，交流异步电机的转速公式如下： 公式（1-1）其中：n是异步电动机转速，p是异步电动机的极对数，s是异步电动机的转差率，f是供电电源的频率。改变极对数作几挡的有级调速，该种电机通用性差，并且结构复杂、价格高、维护性差。改变电动机，即在转子上串电阻，因饶线式电机的结构限制，通常为有级调速。（3） 当极对数不变时，电动机转子转速 n与定子电源频率f成正比。因此通过连续改变定子电压供电频率f就能平滑、无级地调节异步电动机的转速，这种调速方法称为变频调速。改变供电电源频率也称变频调速，这种方法能实现无级调速，并且能适用于各种异步电动机的调速需要，特别指出的是能适用我国现在普遍应用的鼠笼式三相交流异步电动机的调速需要。 变频调速的优点： 调速范围宽，可以使普通异步电动机实现无级调速： 启动电流小，而启动转矩大； 启动平滑，消除机械的冲击力，保护机械设备； 对电机具有保护功能，降低电机的维修费用： 具有显著的节电效果： 通过调节电压和频率的关系方便地实现恒转矩或者恒功率调速： 目前，变频调速己经成为异步电动机最主要的调速方式，在很多领域都得到了广泛的应用：而且随着一些新的交流电机调速理论（如：矢量控制和直接转矩控制）和现代电力电子技术（IGBT、IPM、PIC）以及高效的处理器（如：DSP）等相关技术的发展，它将在很长一段时间内主导电气传动领域，并向更高性能、更大容量以及智能化方向发展。 交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术。其发展的趋势大致为： 1、主控一体化将功率芯片和控制电路集成在一饮芯片上使逆变功率和控制电路达到一体化，智能化和高性能化的HV IC（高耐压IC）SOC（System on Chip）的概念已被用户接受，随着功率做大，此产品在市场上极具竞争力。 2、小型化紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度，功率器件发热的改善和冷却技术的发展己成为重要原因。ABB公司将小型变频器定型为CompACTM，他向全球发布的全新概念是，小功率变频器应当像接触器、软起动器等电器元件一样使用简牢，安装方便，安全可靠。 3、低电磁噪音设计变频器要求在抗干扰和抑制高次谐波方面符合EMC国际标准，主要做法是在变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正电路，改善输入电流波形降低电网谐波以及逆变桥采取电流过零的开关技术。而控制电源用的开关电源将推崇半谐振方式，这种开关控制方式在3050MHZ。时的噪声可降低1520dB。 4、数字控制以高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各控制算法。4.2 系统主电路方案的确定在交流变频调速系统中，主回路作为直接执行机构，其可靠性和稳定性直接影响着系统的运转，因此，必须根据系统设计的要求选择合适的主电路。4.2.1 主电路结构的选择主电路是将三相交流电变换成频率、幅值可调的交流电压，能实现这一功能的电路有交-交电路和交-直-交电路。交-交变频电路有一个变换环节就可以把恒压恒频(CVCF)的交流电源变换成VVVF电源，常用的交-交变频电路输出的每一相都是一个两相功率器件整流装置可逆线路。当正向组工作在整流状态，反向组工作在逆变状态时，交流电机得到的是正电压；反之，电机绕组得到的是负电压。只要控制两相反并联的桥组不断的处于整流和逆变工作状态，就能将电网电压变成变频电源。但交-交变频电路有以下缺点：（1）输出上限频率 由于交-交变频电路的输出电压是由若干段电网电压拼凑而成，当输出频率升高时，输出电压在一个周期内电网电压的段数就减少，所含的谐波分量就增加。电网频率为50HZ时，交-交变频电路的输出上限频率为20HZ左右；（2）输出功率因数 交-交变频电路的输出是通过相控的方法的得到的，因此，在输入端需要提供所需的无功电流，随着负载功率因数的降低和电源幅值的减小，所需的无功电流增加，所以输出功率因数低；（3）接线复杂，使用的功率器件多。所以，交-交变频电路主要用于转速在600r/min以下的大功率交流调速装置中。交-直-交变频电路实现由整流器将电网中的交流电整流成直流电，经过滤波，然后由逆变器逆变成交流电供给负载。根据中间环节采用大电容或大电感滤波可分为交-直-交电压型和交-直-交电流型两类。当中间环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一种阻抗为零的恒压源，输出电压是矩形波或阶梯波；当中间环节采用大电感滤波时，直流电压波形比较平直，对负载来说是一个恒流源，输出电压也是矩形波或阶梯波。由于电压源型变频电路是作为电压源向交流电机提供电功率的，因此，其主要优点是运行几乎不受负载功率因数和换流的影响；缺点是当负载出现短路或过流时，必须采取保护措施。电压源型逆变器从水银整流器问世就开始使用，并随着功率器件的发展逐渐完善。如今，适合工业应用、体积小、大功率的电压源型逆变器制造技术大幅度提高，价格也降低了，并使交流电机调速性能一些应用场合超过直流电机调速系统。正是由于这个原因，电压源型逆变器得到了广泛的应用。因此，在变频调速系统中主电路选择了电压源型交-直-交变频电路。4.3触发控制电路框图控制电路和保护电路是整个系统的控制核心，主要是逆变器的控制电路设计（主要是SPWM的产生控制和IGBT驱动控制）。它作为交流电机变频调速系统的核心部分，在影响整个系统的性能方面占有极其重要的地位，它主要是向变频主电路提供各种控制信号，以使主电路安全、可靠的工作。触发控制电路框图图4.1触发控制电路结构框图4.4 SPWM的工作生成原理 以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角形作为载波，并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波，当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦波调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制，简称SPWM，这种序列的矩形波称作SPWM波。就是期望其输出电压是正弦波形，那么可以把一个正弦半波分作N等分，然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。这样由N个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦的半周等效。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。SPWM的生成原理如图5所示 图4.2 SPWM生成原理仍采用传统的三角波和正弦波叠加原理，且采用双极性规则采样法II，由于每个周期的采样时刻都是固定的（图中E点），根据脉冲电压对三角载波的对称性，假设A相电压瞬时电压表达示为U=Sin(wt)。可得脉宽时间：t=T/21+MSin(wt)t=T/21+MSin(wt-120) t=T/21+MSin(wt+120) 而间隙时间： t=t=(T-t)/2 t=t=(T-t)/2 t=t=(T-t)/24.5 MA818结构及工作原理1 MA818内部结构框图及工作特点图4.3MA818内部结构框图MA818 主要由三部分组成:第一部分为接收并储存微处理器命令的控制字部分。它主要由总线控制,总线译码,暂存器R0、R1、R2 ,虚拟寄存器R3、R4 及24 位初始化寄存器和24 位控制寄存器组成;第二部分为从EPROM 中读出正弦调制波形的数据部分。它由地址发生器和数据缓冲器组成; 第三部分为三相输出控制电路及输出脉冲锁存电路。每相输出控制电路又由脉冲删除电路和脉冲延迟电路组成。脉冲延迟电路能在同一相的两个开关器件进行开、关切换时, 提供一个较短的延迟时间, 以使导通信号滞后于关断信号, 从而避免同一相上的开关器件发生直通短路现象。脉冲删除电路能保证使最小输出脉冲大于器件的开关时间, 而将更窄的脉冲删除掉。2工作原理MA818 在工作之前, 两个24 位寄存器(初始化寄存器和控制寄存器) 要先从微机中输入命令字。MO TEL 总线的宽度为8 位,向24 位寄存器输送数据时, 要分三次分别送到R0、R1、R2 寄存器中,再通过向虚拟寄存器R3、R4 的写指令命令分别完成从R0、R1、R2 向控制寄存器和初始寄存器传送数据。MA818 采用规则采样法产生SPWM 波形。它内部具有一个地址发生器和一个输入数据缓冲器,能从外部微机系统PROM/ EPROM 中直接读取用户按要求定义的各种精确的、用于产生SPWM 脉冲序列的调制波形,并与三角载波比较,从而产生所需要的SPWM 波形。在调制波形的正半周(0180) , 波形被分割为768 个8 位采样值进行存储, 幅值范围为0255。768 个采样值从0180按线性增长, 其角度分辨率为0. 23。在调制波形的负半周(180360) , MA818 对0180内的768 个采样值取反,从而得到全360的调制波形。768 个采样值分成1536 个4 位采样值存储, 其中低4 位部分分别存储在0000H0300H 单元中, 高4 位部分分别存储在0400H0700H 单元中, MA818 自动地读取这两个部分,并在内部拼成一个8 位采样值。这样,MA818只需要4 根数据线既可完成从外部PROM/ E2PROM 中读取采样值。第五章 结论 本文设计的以 PLC 为控制器、电动机为执行结构、激光测距仪作为反馈元件组成的闭环控制结构的轨道车定位系统在100m的直线行程，其定位精度达到了2mm，方案是合理可行。 应用的滑动数据处理方法，既克服了算术平均法的延时，又使得控制器始终可以获得最新的采样结果。提前量的修正法，减少了系统的定位时间。采用“行走停车点动对位”控制电机的方法，使轨道车准确的到达目标位置，对抑制外部干扰很有效，使轨道车的全自动定位。移显示器主要功能是通过与 PLC 进行通讯，将接收到的位移数据通过 LED 显示屏显示，放置在操作台上方便操作人员更好的了解轨道车所在位置。根据对系统运行结果的分析和在实际的工程应用，个人认为系统存一些不足，希望能够在以后进行优化。参考文献1 陈志文，李红霞移动耙斗式清污机的特点及其使用情况介绍广东科技，2006，总第 151期：218220 2 张煜明清污机自控系统的研制起重运输机械，2006(9)：5051 3 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