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硕士论文 喷漆设备高性能控制器的设计与开发 摘要 随着中国涂装行业环保化进程的不断推进，整个行业对涂装设备的控制水平提出了 更高的要求。目前国内大多数涂装设备制造企业均采用比较落后的控制技术，而国外进 口成套设备价格昂贵，并不能完全代替国内的控制设备，所以整个行业急需研发出一种 既符合中国国情，又具备较高工业控制水平的控制设备。 本项目以北京燕山石化机械厂与南京理工大学产学研合作为背景，以企业的r - 1 5 0 0 系列喷漆机产品为基础，开发配套的高性能喷漆机控制器，使其产品的节能性和可控性 得到较大地提高，从而提升r - 1 5 0 0 系列喷漆机产品的市场竞争力。本设计在分析原有 喷漆机产品控制技术不足和对多种电机控制方案进行分析比较的基础上，针对喷头无法 精确控制的问题，提出采用a t m e g a 系列a v r 单片机和台安变频器等器件集成控制电 机的方案，其中建立双闭环智能控制系统模型，对喷头的运动轨迹和运动速度进行精确 控制。 本文在对新型控制器的功能需求分析的基础上，完成了对系统的总体设计、系统硬 件及软件的详细设计与开发工作，然后将控制器与喷漆机机械设备结合，经过多次实际 现场调试和试运行，结果表明：该控制器操作简单，与变频器之间通讯稳定性好，达到 了预期的功能及性能要求，实现了对喷漆机喷头精确控制。本文的研究和设计工作对于 机电设备小型智能控制器设计和开发具有一定参考价值。 关键词：喷漆机闭环控制精确控制a v r 单片机变频器 a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ep r o c e s so fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o no ft h ec h i n a sc o a t i n gi n d u s t r yc o n t i n u e st o a d v a n c e ，a saw h o l e ，t h ei n d u s t r yn e e d st op u tt h ec o a t i n ge q u i p m e n tt oah i g h e rd e m a n dl e v e l a tp r e s e n t , t h em a j o r i t yo fd o m e s t i cc o a t i n gp l a n tm a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n ti su s i n gt h el o w - l e v e lc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y , a n dt h ei m p o r t e dc o m p l e t es e t so fe q u i p m e n ti sa l s oe x p e n s i v e ， t h e r e f o r ei ti sn o tap e r f e c ts u b s t i t u t ef o ri n t e m a lc o n t r o lo f e q u i p m e n t 。s oi ti si m p o r t a n tt o d e s i g nt h em o r ea d v a n c e dc o n t r o le q u i p m e n t ，u s i n g am u c h - h i g h e ri n d u s t r i a lc o n t r o l t e c h n o l o g ya n dp u t t i n gt h ew h o l ei n d u s t r yi nl i n e 、历t l lc h i n a sn a t i o n a lc o n d i t i o n s t h ed e s i g ni sb a s e do nt h eg r o u n dt h a tt h es u b s i d i a r ym a c h i n e r yo fb e i j i n gy a n s h a n p e t r o c h e m i c a lc o r p o r a t i o nc o o p e r a t i o nw i t ht h en a n j i n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y f o rt h er - 1 5 0 0s e r i e ss p r a ym a c h i n e ，w ed e s i g nt h em o r ea d v a n c e dc o n t r o l e q u i p m e n t ，d e v e l o p i n gt h eh i g h p e r f o r m a n c es p r a ym a c h i n ec o n t r o l l e rt or e a l i z et h ef u n c t i o n t h a tt h ep r o d u c ti se n e r g y - s a v i n ga n dt h ec o n t r o ll e v e li sg r e a t l yi m p r o v e d ，s oa st oe n h a n c e t h er 一15 0 0s e r i e ss p r a ym a c h i n ep r o d u c t sm o r ec o m p e t i t i v ei nt h em a r k e t p l a c e n ed e s i g ni s b a s e dt h eb a c k g r o u n dt h a ta n a l y s i st h eo r i g i n a lp a i n t i n gp r o d u c t so ft h ec o n t r o lt e c h n o l o g y a n dp u tav a r i e t yo fm o t o rc o n t r o lp r o g r a m sb yc o m p a r i s o n , f o rt h ep r o b l e mt h en o z z l ec a n n o tb ep r e c i s e l yc o n t r o l l e d ，w ep u tt h ei n t e g r a t e dd e v i c e sm o t o rc o n t r o lp r o g r a m ，u s i n g a t m e g as e r i e sa v rm c ua n dt a i a ni n v e r t e rt or e a l i z et h ee s t a b l i s h m e n to fd o u b l e l o o p i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mm o d e l ，t h em o v e m e n to ft h en o z z l ev e l o c i t yt r a j e c t o r ya n dp r e c i s e c o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r , w ea n a l y s i st h ef u n c t i o n so ft h en e wc o n t r o l l e r ，a n dc o m p l e t et h es y s t e m d e s i g n ，s y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fd e t a i l e dw o r k ，a n dt h e n s p r a ym a c h i n ec o n t r o l l e ra n dt h ec o m b i n a t i o no fm a c h i n e r ya n de q u i p m e n t ，t h r o u g has e r i e s o fd e b u g g i n gt h ea c t u a ls c e n ea n dt e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o l l e ri ss i m p l e ，a n ds t a b l e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ec o n v e r t e rt oa c h i e v et h ed e s i r e df u n c t i o na n dp e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t st oa c h i e v eap r e c i s ec o n t r o lo fs p r a yn o z z l em a c h i n e i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c h a n dd e s i g nw o r kf o rs m a l le l e c t r i c a la n dm e c h a n i c a le q u i p m e n td e s i g na n dd e v e l o p m e n to f i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rh a sac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u e k e yw o r d s ：s p r a y i n gm a c h i n e , c l o s e d l o o pc o n t r o l ，a c c u r a c yc o n t r o l ，a v r s e m i c o n d u c t o r , c o n v e r t e r i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：垄! 巨砷年易月易7 日 | 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：壅! 隧z 加罗年石月2 户 硕士论文喷漆设备高性能控制器的设计与开发 1 绪论 1 1 课题研究应用背景 随着我国制造业技术和规模不断发展，我国已成为世界上最大的制造产品出口国， 其中，机电类产品的生产能力也在不断增强，根据海关总署发布的最新统计数据显示： 2 0 0 6 年我国机电产品总出口超过日本，上升到世界第三：进口超过德国上升到世界第二 【l 】。随着机电产品生产规模的不断扩大，其附属行业势必也会飞速发展，其中由于涂装 行业与机电产品关系密切，近几年来发展趋势十分迅猛。 据相关调查显示，我国粉末涂料年均增长速度达3 0 左右，远高于世界粉末涂料行 业7 8 的平均增长速度。目前我国产量已跃居世界首位，成为世界粉末涂料的龙头国 家【2 】。就整个涂装行业来看，未来几年发展潜力非常大，但是其中问题也不少，由于整 个涂装行业还没有相应的国家标准、行业标准，只有一些零星的其他行业的有关粉末涂 装的标准【3 】- f 4 1 ，所以导致这个行业竞争十分激烈，并且这种竞争多是一种自虐式恶性竞 争，其中不少厂家肆意降低质量水准，故意夸大粉末涂料的某些质量特征，加上更加激 烈的价格战，大大降低了高质量产品的生存空间，从而导致整个行业水平不高。 表面涂装作业几乎应用到所有的机电产品的制造过程中。对于传统机械行业( 如机 床、轻工机械、纺织机械、农业机械、起重机械、工程机械、矿山机械、冶金机械等) ， 以及电机电器行业如电机、变压器、配电盘、电控柜等、仪器仪表行业、家电行业、交 通运输行业等，其机电产品种类繁多，用户对其产品的外观质量都有很高的要求，产品 的外观质量甚至影响到该产品在市场上的竞争力，而表面涂装技术是达到这一要求的重 要环节。 表面涂装技术在国内的发展，由于起步较晚，与国外的涂装设备专业制造厂和涂装 工程机械厂相比，有较大的差距，并且就国内表面涂装行业在整个制造行业之间的发展 情况来说，也是是极其不平衡的，在其中一些领域中，比如汽车行业，由于其对零件表 面涂装的要求比较高，同时随着技术的不断发展，既有人对环境状态的快速反应和分析 判断能力，又有机器持续工作时间长、精确度高、抗恶劣环境的能力的机器入得到更广 泛的使用，其中机器人技术综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智 能、仿生学等多学科技术，并且其综合了人的特长和机器特长【5 】，是现代工业控制技术 中的高端技术，但由于喷漆机器人的经济成本是比较高的，以至于在其他的大部分制造 行业中不可能均完全使用工业喷漆机器人，所以，大部分表面涂装制造设备企业仍旧采 取比较落后的喷漆控制技术设备。 随着工业控制技术的不断发展，落后的喷漆控制技术已经越来越不能满足市场需 1 引言 硕上论文 求，而现代的工业控制技术随着计算机技术、通信技术和控制理论的不断发展，逐步向 着智能化、控制系统体积小型化、标准化和通用化的方向发展【6 1 。在工业控制技术发展 的过程中，随着各种控制技术之间的不断融合，某一种具体的控制应用技术将会被更加 成熟地运用到制造行业中，其相应的开发成本也会不断地被降低，这就能使这种控制技 术在广大多数中小企业运用开来，从而使整个行业的工业控制水平得到较大程度上的提 高。 1 2 国内外发展状况 随着时代的发展，涂装产品在现代工业产品中的比例越来越大，其中产品的涂装技 术也越来越得到重视，涂装技术主要是在一定的涂装生产环境中，将应用涂装所需要的 材料、设备，遵照涂装生产的工艺和管理方式而形成的知识体系【7 1 。就其具体内容来说， 涂装技术包括所用涂装设备及涂装环境等条件或涂装技术包括方法、工艺、涂装设备及 环境，而涂装设备是涂装技术知识体系中的最重要的硬件形式，对整个涂装技术的发展 起着重要的作用。 1 2 1 国外发展状况 就整个涂装设备发展情况来说，由于国外起步比较早，较早地将工业机器人引进了 涂装行业，就工业机器人的发展情况来说，从出现到现在较广泛地利用已有5 0 于年的 时间，早在1 9 5 4 年美国乔治德沃尔首次设计出第一台电子程序可编的工业机器人，标 志着第一代机器人诞生。由于工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重 复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊 接、涂装、朔料制品成形等工序上，工业机器人得到越来越广泛的应用【8 】。 喷漆( 或喷涂) 机器人是用于完成表面涂覆工作的机器人，它是机器人技术与表面喷 漆工艺相结合的产物，是工业机器人产品中的一个特殊品种【9 】。采用喷漆机器人的主要 优点是实现涂装生产作业的自动化，避免了人工喷漆时工人始终处于有毒环境而造成急 性或慢性中毒，提高产品质量和稳定性，同时减少漆料和能量的消耗，提高劳动生产效 率。 喷漆机器人与其它品种的工业机器人比较，其主要不同之处在于喷漆机器人用于在 封闭的喷漆车间内喷涂工件内外表面，并且其最显著的特点就是不受喷涂车间有害气体 环境的影响，可以重复进行相同的操作动作而不厌其烦，因此喷涂质量比较稳定：其次 机器人的操作动作是程序控制的，对于同样的零件控制程序是固定不变的，因此可以得 到均匀的表面涂层；第三，机器人的操作动作控制程序是可以重新编制的，不同的程序 针对不同的工件，所以可以适应多种喷涂对象在同一条喷涂线上进行喷漆。有鉴于此， 喷漆机器人在涂装行业中越来越受到重视，尤其是在汽车制造业中【1 0 】。 2 硕士论文 喷漆设备高性能控制器的设计与开发 同时随着技术的发展，就喷漆机器人发展趋势来说，主要有【l l 】： ( 1 ) 机器人性能不断提高( 高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修) ，而单机 价格不断下降。 ( 2 ) 机械结构向模块化可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测 系统三位一体化，有关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人。 ( 3 ) 机器人控制系统向基于p c 机的开放型控制器方向发展，便于标准化，网络化， 器件集成度提高，控制柜日渐小巧，采用模块化结构，大大提高了系统的可靠性、易操 作性和可维修性。 ( 4 ) 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器 外，视觉、力觉、声觉、触觉等多传感器的融合技术在产品化系统中已有成熟应用。 1 2 2 国内发展状况 涂装技术标准在国内工业企业的标准体系中，目前只是其中很小的一部分，有的企 业甚至还没有【1 2 】。随着市场经济竞争的加剧，众多企业对于产品表面外观质量的重视， 使涂装技术标准的地位和作用有了明显的提高，但是就其发展情况来说，是及其不平衡 的，大致可以分为以下几种情况【1 3 】： ( 1 ) 我国的涂装设备专业制造厂家规模小，小企业过多，在竞争中缺乏应有的实力。 ( 2 ) 具有研发能力的企业较少，可以独立自行设计涂装生产线的企业较少。不少企 业的生产线设计主要依靠国内专业的设计院和退休下来的工程技术人员来担任，基本上 没有固定的专业人才来进行设计和编制相应的设计文件，这就谈不上研发高质量、多功 能的涂装专用设备。我国目前不少运转较好的大型涂装生产线的涂装设备，基本上都是 国外品牌。 ( 3 ) 能参与国际竞争的企业较少。在国内涂装市场的竞争中，不少企业为了自身生 存，相互倾轧，过分压低竞标价格等，无序竞争的现象十分普遍。这种自相残杀、自我 消亡恶性案例的不断发生，给涂装市场带来了混乱。 同时，污染严重、能耗过高、资源浪费过大的产品和不适应市场需求，对人体安全 健康带来危害的中小型涂料和颜料生产厂家仍在市场占有大量分额， 随着技术之间地不断发展，多种控制技术地相互融合已经可以成熟运用于各个行 业，对涂装设备企业来说，将较先进的工控技术利用在喷漆设备已经成为现实，所以在 保证成本的基础上，研发出一种使用较先进的工控技术的控制设备对于整个行业发展来 说十分重要。 1 2 3 未来发展趋势 就整个涂装设备行业的发展情况来说，工业机器人是涂装控制设备发展的最终方 向，但是就现阶段的发展情况来说，使用过渡地产品还有很长一段时间，并且随着控制 3 1 引言 硕上论文 技术的发展逐步向如下三个方向发展【1 4 】： 一 ( 1 ) 整个控制系统趋向计算机化，即智能控制化。通过使用一些专门控制芯片实现 整个系统的智能控制。 ( 2 ) 控制设备体积小型化。随着控制设备系统内部各个组成模块集成化程度不断增 强，其体积会越来越小。 ( 3 ) 采用标准化、通用化的组合系统。采用现场总线标准或者一些通讯标准，实现 整个系统更加通用。 1 3 课题研究内容与目标 本课题以高校和地方企业合作进行科技创新为背景，通过与北京市燕山石化机械厂 的相关技术人员的密切交流和合作，力求研制出让企业满意的喷漆机控制设备。与国内 外同种产品相比较，该产品不仅功能上要比国外产品更加完善，同时其相应地维护更加 简单，同时希望通过这次合作，能够提高企业技术研发实力和产品的市场竞争力。 本课题以喷漆机控制器为研究对象，将其功能予以分解，独立分析其理论可行性、 硬件组成原理、软件程序设计，最后将硬件和软件予以集成形成样机，在实际的喷漆机 上进行联调并给予改进。根据设计工作的实际进展情况，将具体研究内容展开，本课题 主要研究内容分为以下几个部分： ( 1 ) 喷漆机控制系统的方案论证与总体设计 喷漆机控制系统需求( 功能、信息、性能等) 分析 喷漆机控制系统的总体方案设计 ( 2 ) 喷漆机控制系统的硬件设计与开发 电机、变频器等元件选型设计 喷漆机主控制器硬件电路设计与丌发 ( 3 ) 喷漆机控制系统的软件设计与丌发 喷漆机系统初始化参数设定模块设计与开发 喷漆机系统运行实时数据采集与处理模块设计与开发 喷漆机系统运行模式选择模块设计与开发 喷漆机系统运行监测、诊断与报警处理模块设计与开发 “) 系统综合集成、安装、调试与运行 机、电、传感器等硬软件综合集成 样机系统安装调试与试运行 1 4 本论文组织结构 本学位论文分为六章，各章内容安排如下： 4 硕士论文喷漆设备高性能控制器的设计与开发 一 第1 章：简要介绍了课题研究的背景和意义，分析了国内外喷漆及相关控制技术领 域的应用现状，确立了课题的研究内容和目的，阐述了论文的结构安排。 第2 章：对喷漆机总体控制要求进行了比较分析，进行了相关的方案论证并确定了 系统组成方案，接着针对控制方案进行了关键器件的选型并设计了系统总体架构。 第3 章：对喷漆机的硬件设计进行了详细的说明，对各功能模块的作用给予了介绍。 第4 章：对喷漆机的软件进行了总体方案设计的探讨，对各功能模块的作用给予了 介绍。详细介绍了喷漆机关键部分软件的设计与开发并对相关开发环境进行了详细的说 明。 第5 章：对喷漆机的系统硬件和软件进行了联调，同时介绍了相关的调试器的功能 和使用方法。 第6 章：简要概括了本课题研究所做的实际工作以及所取得的成果，同时基于对现 吖有成果的分析得出了需要进一步解决的问题并对今后的深入研究及改进提出了建议。 2 系统需求分析与总体方案设计 硕十论文 2 系统需求分析与总体方案设计 2 1 系统需求分析 2 1 1 系统性能指标 本项目合作企业结合自身的实际情况，采取通过与高校进行产学研结合的办法，依 托高校的科研实力，希望我们能够开发出操作简便、运行可靠、易维护、高性价比的喷 漆控制系统，新控制系统对于研发出完全能够替代进口、具有我国自主创新、自主知识 产权的、能耗低、自动化程度高、经济实用、市场竞争力强的工控自动化产品奠定了一 定的技术基础。 其主要指标如下： ( 1 ) 喷头上下移动位置的最高可达1 5 m ，即就是喷头上下位移最高可达1 5 m ，所以 要确保喷头在运动过程中，一旦越界，控制系统能够报警并及时停止喷头运动。 ( 2 ) 喷头具有稳定的起点，不管喷头在什么情况下停止运动，都必须先回到这个运 动起点。 ( 3 ) 喷头在运动过程中速度可调，具体技术指标为0 1 5 m r a i n 。 ( 4 ) 喷头振幅具有可调的性能，即喷头不管是在第一次运动过程中还是在喷漆运动 过程中，喷头往复运动的振幅均可以根据按键值来改变，但是均不能越过最大范围值。 2 1 2 经济指标 根据合作方要求，一套控制系统产品应该控制在成本1 5 万元以内，与相同型号的 国外喷漆机产品相比较，r 一1 5 0 0 系列喷漆机必须具备较大的成本优势。 2 2 方案论证 r 1 5 0 0 系列喷漆机主要由机械执行模块、电机传动模块和主控制模块三个模块组 成。机械执行模块主要是由齿轮链条传动结构、喷漆机机架和喷头三部分构成，如图2 2 1 所示，其中齿轮链条传动结构将电机传递过来的动力传递给喷头，然后带动喷头往复运 动；感应控制模块主要是在喷头运动过程中，不断接收运动数据并将数据传递到主控制 模块中的核心控制模块；核心控制模块就是对传递过来的数据进行相关处理，最终选用 不同的控制模式控制喷头运动。 6 硕士论文 喷漆设备高性能控制器的设计与开发 图2 2 1r 1 5 0 0 系列喷漆机系统模块图 对合作企业提出的具体功能要求及相应的技术指标分析如下： 由于在喷漆机运动时，操作者必须可以随时改变喷漆机的运动速度的功能，同时， 在喷漆机喷头运动过程中，控制器必须对喷漆机的喷头上下可移动的最大位置进行限 制，从而保证喷漆机在运动过程中喷头不会越界，所以在对喷漆机进行控制的过程中， 控制器不仅能够保证在运动过程中，随时能够对速度进行可调，同时能够根据喷头的运 动位置进行判断是否越界，并同时保证在喷头停止运动前，有足够的运动缓冲位置保证 喷头在停止运动前不会撞击到喷漆机机架的缓冲橡胶。 在喷漆机运动过程中，一旦喷头发生了越界现象，控制系统必须马上做出相关反应， 首先让电机停止转动，然后通过打开相关外设的报警提示灯通知操作者，其中当喷头的 运动速度比较高时，由于喷头的导轨长度是有限的，所以其往复运动周期值会相应的减 ：小，从而当喷漆机在高速的情况下运行一段时间，喷头往复运动次数将会增多，其发热 量将会增大，从而大大降低电机的性能，所以当喷漆机在高速段运行一段时间后，控制 系统应通过报警灯提示操作者降低喷头速度。 2 2 1 控制方案的选择与论证 目前在现代工业生产中最常用的是以定值控制和随动控制为代表的常规控制系统， 主要特征是以比例积分微分控制器为主的闭环负反馈控制系统。同时在工程中较常用 的还有选择性控制系统、程序控制系统等【l5 1 ，然后针对目前常用的几种控制系统来进一 步说明。 ( 1 ) 定值控制系统 定值控制系统及时简单的单回路控制系统，由控制器( 包括给定单元、比较单元和 比例积分微分运算单元) 、测量变送部分和执行机构组成。这种控制系统的特点就是直 接的负反馈，整个系统非常简单，所以适合对各种没有特殊要求的温度、压力、流量液 位等各种量进行定值控制。在实际使用中，给定值保持不变的。但是，如果需要变化时， 7 2 系统需求分析与总体方案设计硕士论文 操作者随时都可以调整给定值。其方框图如图2 2 1 1 所示。 图2 2 1 1 定值控制系统方框图 ( 2 ) 程序控制系统 程序控制系统可以看作是跟踪不断变化的已知给定值的控制系统，对控制系统要求 有很好的跟踪特性。简单的程序控制系统也是单回路控制系统，由控制器、测量变送部 分和执行机构组成，适合控制各种间歇式化学反应器的程序升温降温过程。方框图如图 2 2 1 2 所示： 图2 2 1 2 程序控制系统的方框图 ( 3 ) 选择性控制系统 选择性控制性系统主要有三种，第一种是被控参数的选择性控制系统：第二种是控 制参数的选择性控制系统；第三种是冗余配置的选择性控制系统。 被控参数的选择性控制系统要有两个或多个被控参数，对应的也要有两个或多个测 量变送单元和控制器，但是只有一个执行机构，这样执行器就要从两个或多个控制器的 输出信号中选出一个使用，通常这种选择是由超限相锁动作机构切换的，也可以由操作 员切换。如图2 2 1 3 所示。 8 硕士论文 喷漆设备高性能控制器的设计与开发 图2 2 1 3 定值控制系统被控参数方框图 控制参数的选择性控制系统则是只有一个被控参数，而有多个控制参数分别由不同 的执行机构控制。通常这种控制系统只有一个控制器，其输出是由选择器分配给不同的 执行机构。如图2 2 1 4 所示。 习 i _ j 图2 2 1 4 定值控制系统控制参数方框图 就本项目就控制模型而言，选择程序控制系统比较合适，利用程序对整个硬件系统 先初始化，然后在硬件系统运行过程中，利用程序对反馈的数据再次进行调整，最后实 现对硬件系统精确控制，其中电机的控制模块十分重要，而变频器控制方式是决定电机 变频调速系统性能的关键所在。 变频器的控制模式指的是针对频率、电压、磁通、电磁转矩等参数之间的配合控制 方式，在通用变频器中，目前比较常用的控制模式有u f 控制模式、矢量控制模式和直 接转矩控制模式3 大类【1 6 】。 ( 1 ) u f 控制异步电机的转速与定子电源频率f 和对数有关。u 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进行调速的同时，保证电动机磁通不变的思想 而提出的。改变f 可平滑地调节同步转速但f 上升或下降可能会引起磁路饱和转矩不足现 象。所以在改变f 的同时，需调节定子电压，使气隙磁通维持不变、电机效率不下降， 这就是u f 控制简单，通用性优良，但因是开环控制，调速精度低、范围小，只能用在 调速精度和动态响应要求不高的场、如、风机、泵机控制、流水线上的工作台转动。 ( 2 ) 矢量控制是在交流电动机上模拟直流电机控制转矩的规律，将定了电流分解成 相应于直流电机的电枢电流的量和励磁电流的量，并分别进行任意控制矢量控制能够对 转矩进行控制，获得和直流电机一样的优良性能。目前在变频器中应用的矢量控制方式 9 2 系统需求分析与总体方案设计 硕士论文 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。基于转差频 率控制的矢量控制方式经过坐标变换对定子电流的相位进行控制，能够消除转矩电流过 渡过程中造成的波动。基于无速度传感器的矢量控制方式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，然后通过控制电机绕组上的电压、电流来达到控制励磁电 流和转矩电流的目的。与前两种控制方式比较，该控制方式调速范围宽，起动力矩高， 精度高达0 1 ，响应快，它适用于要求快速响应或对起动、制动有严格要求的场合。 ( 3 ) 直接转矩控制直接转矩控韦j j ( d t c ) 的变频调速是目前正在发展的调速方式，它 无需像矢量控制那样进行复杂的矢量变换运算，它以异步电动机的转矩直接作为被控制 量，强调转矩的直接控制效果，并不极力追求理想正弦波，直接由定子空间矢量分析三 相电动机的数学模型，并决定其控制量。d t c f 皂够用开环方式对转速和转矩进行控制， 它的p w m 波形直接中转矩决定，其控制性能比p w m 磁通矢量控制方式更优越。 2 2 2 拖动电机的选择 在国民生产的各个领域，电机是许多电力拖动系统必不可少的动力源。由于可以通 过改变电枢输入电压以及调节励磁电流实现无极变速，长期以来，直流电机以其良好的 调速性能被广泛地应用于对调速精度和要求比较高的场合，然后直流电机需要外配整流 器，所以在特殊环境中使用的局限性加大【1 7 】。 三相异步电机是所有电动机中结构最为简单的一种，其主要由定子和转子构成。当 电机正常工作时，定子通入电流，部分磁通穿过短路环，并在其中产生感应电流。短路 环中的电流阻碍磁通的变化，致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位 差，从而形成旋转磁场。通电启动后，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动 势和电流，即旋转磁场与转子存在相对转速，并与磁场相互作用产生电磁转矩，使转子 转起来，实现能量变换【1 8 】。 当电机通入三相交流电后，载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力， 从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向 相同。 电机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流相互作用产生的，并且其中电机的定子 主磁通不是静止的，而是以一定的转速旋转着的，产生转子电流的必要条件是转子绕组 切割定子磁场的磁力线。因此，转子转速必须低于定子磁场的转速。一般情况下，电动 机的实际转速低于旋转磁场的转速不同步。异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速 为【1 9 】： 栉：竺堕 ( 2 1 ) p 。 式( 2 1 ) 中：n 为异步电机的同步速度；f l 为定子频率；p 为磁极对数。 1 n 硕上论文喷漆设备高性能控制器的设计与开发 当异步电机进行调速控制时，如果磁通太弱，铁心利用不充分，在同样的转子电流 下，电磁转矩小，电机负载能力下降；反之，如果磁通太强，则处于过励磁状态，励磁 电流变大，电机的铁损耗增加，负载能力要相应下载。在调速过程中，为了使电机的气 隙磁通保持恒定，应当在变频的同时使定子的感应电动势与频率成正比例地变化。由电 机理论知道，三相异步电机定子每相电动势的有效值为： e l = 4 4 4 z n x 。 ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中e l 为定子每相电动势的有效值，f l 为定子频率，n 为定子绕组的有效匝数； 。为每极磁通【2 0 1 。 在对电机进行选取时，必须先根据公司提供的传动机构资料算出电机运行所需的额 定功率。如图2 2 2 1 所示，机械结构中的传动结构主要采用齿轮与链条之间的啮合传动， 然后将电机的动力传动在喷头件上。对方提供的具体的零件尺寸如下： 两个传动齿轮的尺寸差不多为2 8 r a m ，然后为2 级传动，中间传动比大约为l ：4 。 然后对链条工作中的受力情况进行分析，由于链条在工作过程中，紧边和松边的拉力是 不等的。在不计传动中的动载荷，链的紧边受到的拉力f l 主要是由链传递的有效圆周 力f c 、链的离心力所引起的拉力f 。以及由链条松边垂度引起的悬垂拉力f f 三部分组成。 链紧边收到的拉力【2 1 】【2 3 1 ，如式( 2 3 ) 所示： 互= e + c + 毋 ( 2 3 ) 链的松边所受拉力f 2 则由f 。及f f 两部分组成，如式( 2 4 ) 所示： 互= c + e ( 2 4 ) 链传递的有效圆周力f 。由传递的功率p 和运动速度v 来决定，其公式如式( 2 5 ) 所示： p e = 1 0 0 0 - - - - n( 2 5 ) v 链的离心力所引起的拉力f 。由单位长度链条的质量q 和链速v 来决定，其公式如式 ( 2 6 ) 所示： c = q v 2 n( 2 6 ) 悬垂拉力f f 的大小与链条的松边垂度及传动的布置方式有关，按照公式( 2 7 ) 和公式 ( 2 8 ) 计算，并在两者之间选用大者： f = k ：q a 1 0 吨n ( 2 7 ) e = ( k ，+ s i n a ) q a x l 0 。2 n ( 2 8 ) 式中：a 链传动的中心距，q 单位长度链条的质量，k f 垂度系数。 2 系统需求分析与总体方案设计 硕士论文 图2 2 2 i 机械传动结构示意图 作用在轴上的拉力q 可近似取为主动边和从动边拉力之和，离心拉力对它无影响不 计在内，可得 q t + 2 ，_ r ( 2 9 ) 又由于垂度拉力不大，故可近似取为 o 1 2 c ( 2 1 0 ) 将数据带入上述公式中计算可得，本项目选用1 5 k w 的三相异步电机比较合适。 2 2 3 变频器的选取 变频器的使用性能与使用环境条件、负载大小以及负载性质都有很大关系，所以在 选取具体型号变频器前，先根据不同的负载性质( 如图2 2 3 1 所示) 来对变频器大体功 硕f 墙克喷漆设蔷高性能托制船的世“+ _ x 能进行分析l ”。 额定转速 转速n 图2 23 1 不同负载的机械特性 图中曲线1 是恒功率负载低速时转矩增加，而变频器低于额定功率时电流被限 制，转矩不能增加，所以用变频调速在低于屯动机额定转速时有可能会造成电动机带不 动负载，选用时要根据减速造成转矩增加的比例，选用比原用电动机功率大的电动机和 变频器。 曲线2 为恒转矩负载，曲线3 为平方律负载，这两种负载在电动机低于额定频率以 下时，可以按电动机功率大小配置变频器功率。 就市场中常用的变频器品牌进行对比，然后结合本项目设计实际情况，最后选取台 安变频器，其实物图如图2 232 所示： 凹2 232 台安变频器实物图 根据电机所选取的容量以及相应的负载性质对变频器的具体型号选择，首先根据 运行状态的不同选择容量和电流其中变频器的容量一一般用k v a 表示，由额定输出电 j 不和额定输出电流进行计算”5 】：变频器的容量( k v a ) = - , 3 额定输出电压( v ) 额定输出 电流( a ) x 1 0 一。因为在本项目设计中变频器只驱动一台电动机，所以根据变频器技术手 册，当选用矢量控制方式时，当只用一台变频器驱动一台电动机，而且变频器的额定电 2 系统需求分析与总体方案设计硕士论文 流应等于或大于电动机额定电流，电动机的实际使用电流不能比额定电流太小( 不低于 变频器额定电流的1 8 ) ，即变频器的额定输出电流大于或者等于电动机额定电流的1 1 倍。 在本项目中，变频器除了对电机进行加速，同时还对电机来进行减速，所以用变频 器减速时，不可能提高输出转矩到电动机原有输出转矩以上，而对于既要减速而又要提 高输出转矩的场合，变频减速并不能胜任，只有减速而转矩维持电动机原有值时才可使 用变频器减速。 然后根据电机所需要的功率要求，选取的变频器型号为n 2 2 0 2 h 型，其中输出马 力( 1 马力等于7 4 5 7 瓦特) 数为2 ，适用电机功率为1 5 k w ，额定电流为7 5 a ，额定容 量为2 9 k v a ，其具体性能参照表2 2 3 1 。 表2 2 3 1 变频器性能表 项目规范 控制方式 正弦波p w m 控制 范围0 1 4 0 0 h z 频 精度 模拟式：0 4 ( 2 5 + 1 0 c ) 设定分辨率 模拟式：0 0 6 h z 6 0 h z 率 输出分辨率0 0 1 h z 面板设定方式可直接以面板控制键控制 控 外部信号外界可变电阻 制 以端子台的多功能接点做功能操作设定方式 其它功能频率上厂f 限、启动频率可个别设定 载波频率l 1 2 l ( h z 加减速控制 2 段加减速时间( 0 1 3 6 0 0 秒) v f 曲线1 8 条固定v f 曲线，1 条自定义曲线 般 转矩控制 可设定转矩提升位准 节能控制手动控制 控 多功能模拟输出有4 种功能 制 多功能输入有1 6 种功能，3 2 种选择 多功能输出有6 种功能，1 2 种选择 碗论i喷漆设备商性能控制# 的设计与开发 其他功能自动电压调整、转差补偿、减速停止或自然停止、 自动复归再启动、制动额率电压时问可由参数个别 设定 2 2 4 编码器的选取 编码器是当今工控用得比较多的元件，就其原理种类来说，主要包括旋转编码器和 光电编码器两种。其中旋转编码器是根据旋转脉冲数来测量转速的装置，而光电编码器 是通过光电转换成脉冲或数字量的传感器。 根据其刻度方法及信号输出方式来说，可以将编码器分为增量式、绝对式以及混合 式三种嘲，其中增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲a 相、b 相和 z 相，a 、b 两组脉冲相差9 0 0 ，从而可方便判断出旋转方向。绝对式编码器是直接输出 数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上有透光和不透光 的扇形区相问组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码道上的码道就是它的二进制数 码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件，当码盘出于不同 位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。其特点是 不要计数器，在转轴的任何位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。混合式绝 对值编码器输出两组信息，一组用于检测，带有绝对信息功能；另一组则完全同增量式 编码器的输出信息【卸。 根据项目需要，本项目采用增量式旋转编码器，然后就市场上常见的编码器品牌进 行比较，选用日本的光洋编码器，其实物图如图2 2 4 1 所示，具体型号采用t r d - n 2 0 0 - s ， 即当编码器转一圈引脚输出2 0 0 个脉冲。 图2 24 i 光洋编码器实物圈 2 2 5 单片机型号的选择 微控制器是在一块芯片上集成了中央处理单元、存储器、定时器、计数器和各种输 入输出接1 ：3 的综合处理单元其出现于上世纪8 0 年代，发展到现在已有3 0 多年的历史 其相关技术已经比较成熟，通过与外部专用电路和系统软件的结合，就可实现系统控制 。 现在世面上主要是m c s 、p i c 和a v r 三种单片机，结合设计的耍求，本项目采用 a v r 单片机，a v r 单片机是1 9 9 7 年由a t m e l 公州研发出的增强型内霄f l a s h 的 1 5 2 系统$ 求分析1j 总体方粜址h 顺l 论i r i s c ( r c d u c c di n s t r u c t i o ns e tc p u 】精简指令集高速8 位单片机，具有高可靠性、功能强、 高速度、低功耗和低价位的特征【卅。a v r 单片机高速度、低功耗，硬件应用h a r v a r d 结 构具有预取指令功能，使得指令可以在一个时钟周期内执行，相比较而言，p i c 要4 个时钟周期执行一条指令，m s c 一5 1 要1 2 个时钟周期执行一条指令。a v r 单片机还具 有超功能精简指令，具有3 2 个通用工作寄存器，有1 2 8 b i k bs r a m ，可灵活使用指令 运算。在操作方面，程序写入可以并行写入，也可用串行在线i s p 擦写。 就具体到a v r 单片机种类而言，其子系列是比较多的，包括a t 9 0 s 系列、a t t i n y 系列和a t m e g a 系列，结合设计需求，本设计采用a v p , 中a t m e g a 系列的a t m e g a l 6 l ， a t m e g a l 6 l 是高性能、低功耗的8 位a v r 微处理器，并具有先进的r i s c 结构和非易 失性程序和数据存储器。 2 2 6 单片机开发平台选择 a t m e g a 系列a v r 单h 机常用丌发平台主要包括i c c a v r 和g c c a v r ，其中i c c a v r 应用范围更广其帽关操作界面如图22 61 所示。其中，左侧窗u 为程序编辑窗 口，右侧窗口为项h 管理窗口，下侧窗口为编辑提示窗口。在编程窗口中，编程主要语 言采用的是c 语言，相比较通用的c 语言，i c c a v r 的c 语言语句主要是对单片机进 行位操作，其中相应的字符类型及所占用的字节数都有相应规定。 图 广一l 2 3 系统总体设计 圈2 2 6 1 i c c a v r 操作界面 本系统设计的核心器件是单片机，就月前常用的单片机控制电机手段柬说，主要有 两种，一种是直接利用单片机和些专用控制芯片构成电机控制模块o 。i ，其主要控制流 程图如图2 3 1 所示。 硕士论