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论文摘要

随着科技的发展,人民生活水平的提高,物流传输系统正在被越来越广泛地应用于各种民用和工业现场,如邮政分拣系统、机场行李传送线、矿场输送带等。过去,由旋转电机驱动的物流传输系统,机械磨损和噪音较大,设备的效率不高,使用年限不长,无法保诳系统长期运行的可靠性。

本论文研究了一种新型的适用于物件直线输送场合的悬式推挂物流传输系统。它采用直线电机直接驱动,由逻辑控制器(PLC)控制。由于它不需要中间传动装置,因而在机械磨损和噪音的性能方面要明显优于由传统的旋转电机驱动的物流传输系统。对直线电视的控制采用SPWM、DSC等控制技术,使得控制系统的性能得到了极大的提高。同时由于系统采用模块化设计,使得系统的功能容易扩展或简化。

论文首先宏观介绍虚线电机和相关控制技术的基本原理、发展历史及其分类方法,然后整体介绍悬式推挂物流传输控制系统的整体机械结构和电气工作原理。接着由上而下,分层详细阐述了组成系统的逻辑控制部分和电机驱动部分两个子系统。在系统的逻辑控制部分,主要阐述了系统的功能、结构的划分以及整体的逻辑控制软件的实现。在电机驱动部分主要说明了电机的控制策略、变频驱动技术的原理和在本系统的实现。本系统与传统物料推挂系统相比,具有噪音小,工作效率高,控制方便、灵活,且可智能化运行的优点;与国外类似功能的产品相比,造价低。在国内外市场具有强的竞争力。

论文还就直接转矩控制技术,变频技术产生的电磁污染的控制问题进行了讨论。并进行了实验和基于MATLAB/SIMULINK的仿真研究,取得了合理的理论成果。论文的最后是对本文工作的总结总结和展望。

关键词:直线电机、悬式推挂的物流传输系统、逻辑控制器(PLC)、直接转矩控制(DSC)

ABSTRACT

With the development of modern technology and the improvement of standard of living,convey system is applied in business and industrial fields,such as the luggage transportation line of the aerodrome,the sorting machine system in post,and the transportation line in mine,etc.Convey system was driven by rotary motor in the past.The shortage of this kind of system is that the mechanical frictional waste and noises cannot neglect.This results in the low efficiency and the short life of the equipment.And for that,it can’t guarantee the reliability of the system for long term running.

This paper will introduce you a new convey system for suspend which is of push type and applied in linear motion occasions。The new system is driven by linear motor and controlled by logical programmable controller (PLC)and the microprocessor(PLC).Because there isn’t middle transmission equipment in the system,in its performance in the noises and the mechanical frictional waste,it is a more superior way than the traditional one,which is driven by rotary motor.The system was designed in module.And this make the performance of the control system improved prominently and the function of the system can be extended or reduced conveniently.

Based on the introduced of the main structure of the

1inear-motor-driven suspending push-type convey system,this paper expatiate the logical control subsystem and driven control subsystem of this convey system.

First,this paper introduces the basic principle,the development,the category of linear motor and its control technology.Second,the mechanical structure and the electrical principle of the convey system.Third,the principle and realize of the technique used in the logical control subsystem and the driven control subsystem is expatiated.The technique include the variable frequency technology,the direct self-control technology,the EMI,etc,Finally,this paper summarizes the research course and advances the prospect of the project.Keywords:linear motor,suspending push-type convey system,PLC,DCS

第一章绪论

在科学技术日渐发达的今天,物流传输系统广泛应用于各种场合,如邮政分拣系统、机场行李传送线、物流推挂系统、矿场传输带等等。

随着自动化程度的提高,智能化物流传输系统得到了越来越广泛的应用。目前,我国的物流传输还处在一个较为落后的状态,设备比较陈旧,对物件的传送处理还基本上是手工操作,劳动强度大,生产效率低。一般的物流传送线都采用旋转电机驱动,配合齿轮、蜗杆、链条等部件来传动,驱动输送线作直线运动。在多数场合,传输系统处于不间断的工作状态下,机械部件的磨损及产生的噪音

都相当大,在伏在速度加快时就更加严重。这就使得设备的效率低下,使用年限不长,无法保证系统运行的可靠性。随着自动化程度的提高,对物流传输系统的驱动性能和灵活性提出了更高的要求。在欧美和一些发达国家(如美国、日本、德国、法国、意大利、丹麦等),都是大规模地采用了机械化和自动化的物流传输设备,这些设备传输速度快,生产效率高。一些高性能的物流传输系统中,已开始采用直线电机驱动系统来替代常规的旋转电机齿轮链条驱动系统。这些新型的物流传输线由计算机智能化控制,传输速度快,生产效率高,并可实现对传输物流的自动分检、归类、选择,适应了大规模物流传输和多批量灵活安排的需求。

1.1物流传输系统

随着科技的发展,人民生活水平的提高,在物流传输领域依靠人力手工操作或是一些落后的传输设备已经跟不上时代的发展。就目前物流传输领域的基础设施、设备状况、人员素质而言,它与当前国家经济和科学技术的发展很不协调。因此研究开发新型智能化物流传输系统,实现我国在物流传输领域的机械化自动化,以填补我国在这方面的空白,具有十分重要的实际意义。

直流电动机越来越广泛地作为驱动源,应用于直流交流伺服系统中。直流交流伺服系统与传统的“旋转电动机+滚珠丝杠”传动方式相比,消除了机械传动链所带来的一些不良影响,极大地提高了系统的快速反应能力和运动精度,但出于系统的参数摄动、负载扰动等不确定因素的影响将直接反应到直线电动机的运动控制中,而没有任何中间的缓冲过程,因此增加了电气电子控制上的难度。这就是说,在传动链上机械方面的简化必将导致电气控制上的难度增加,也提高了对传感器分辨率和反应能力的要求。在高精度微给进的直流交流伺服驱动系统中,对控制的要求则更上了一个层次。

采用直线电机驱动以及方便简洁且强而有力的上层监控,实现智能控制是物流传输系统发展的必然趋势。

本文研究内容涉及一种新型的悬式推挂物流传输系统,它采用直线电机直接驱动。并且具有上位机管理、良好的现场操作界面,符合物流系统的发展方向。为了更好的剖析整个传输系统及其控制,下文将对直线电机以及控制理论的发展等内容做简要的介绍。

1.2 直线电机概述

直线电机也称线性电机,线性马达,直线马达。直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能,而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开,并展成平面而成。

1.2.1直线电机的发展历史与阶段进步

直线电机的雏形出现在1840年,时至今日直线电机已伴随着人类社会发展

共同进步了160多年,在这160多年里,直线电机不断创新不断完善,历经了三个不同的时期,才实现今天的形态和作用,它们分别为:直线电机的探索期、直线电机的开发应用期、直线电机的实用商品期

1.2.2直线电机的工作原理及特点

直线电机的原理并不复杂。设想把一台旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开,并且展平,这就成了一台直线感应电动机(如图1.1)。

直线电机的初子绕组通入三相电流后,产生沿纵向方向正弦分布的气隙磁场,当三相电流随时间变化时,气隙磁场将按交流电的相序沿直线定向移动,这个平移的磁场称为行波磁场。次级导体在行波磁场的切割下产生电动势并形成定向感应电流,次级中的感应电流和磁场的共同作用下产生纵向电磁推力,如果初级是固定不定的,那么次级就沿行波磁场的运动方向做直线运动,这就是直线电机工作的基本原理。

图1.1 由旋转电机变成直线电机的过程

在直线电机中,相当于旋转电机定子的,叫初级;相当于旋转电机转子的,叫次级。初级中通以交流,次级就在电磁力的作用下沿着初级做直线运动。这时初级要做得很长,延伸到运动所需要达到的位置,而次级则不需要那么长。实际上,直线电机既可以把初级做得很长,也可以把次级做得很长;既可以初级固定、次级移动,也可以次级固定、初级移动。

图1.2 直线电机的基本工作原理

1-初级 2-次级 3-行波磁场

直线电机是一种新型电机,近年来应用日益广泛。磁悬浮列车就是用直线电机来驱动的,而且还广泛地用于其他方面,例如用于传送系统、电气锤、电磁搅拌器等。

直线电机与旋转电机相比,主要有如下几个特点:一是结构简单,由于直线电机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置,因而使得系统本身的结构大为简化,重量和体积大大地下降;二是定位精度高,在需要直线运动的地方,直线电机可以实现直接传动,因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差,故定位精度高,如采用微机控制,则还可以大大地提高整个系统的定位精度;三是反应速度快、灵敏度高,随动性好。直线电机容易做到其动子用磁悬浮支撑,因而使得动子和定子之间始终保持一定的空气隙而不接触,这就消除了定、动子间的接触摩擦阻力,因而大大地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性;四是工作安全可靠、寿命长。直线电机可以实现无接触传递力,机械摩擦损耗几乎为零,所以故障少,免维修,因而工作安全可靠、寿命长。

1.3直线电机的分类

1.按结构形式分类

直线电机按结构形式分类主要可分为扁平型、圆筒形(或者管型)、圆盘形和圆弧形。

2.按功能用途分

直线电机按功能用途主要分为力电机、功电机和能电机。

3.按工作原理分

直线电机按工作原理主要可以分为交流直线感应电动机、交流直线同步发电机、直线直流电动机、直线步进电动机和混合式直线电动机。

1.4 调速系统的发展

1.5 课题的意义及主要研究工作

本研究项目是以直线电机作为驱动源,通过微机控制技术,从而使整个物流传输系统具有结构简单、灵活、智能化程度高、速度快、生产效率高的优点。本论文课题主要工作是根据整个项目规划的要求配合整个物流传输系统的机械部分及载体的设计,研究整个系统的控制方案,并完成控制系统的设计和调试。具体工作内容如下:

采用直线电机直接驱动,由逻辑控制器(PLC)控制。由于它不需要中间传动装置,因而在机械磨损和噪音的性能方面要明显优于由传统的旋转电机驱动的物流传输系统。对直线电视的控制采用SPWM、DSC等控制技术,使得控制系统的性能得到了极大的提高。同时由于系统采用模块化设计,使得系统的功能容易扩展

或简化。

论文首先宏观介绍虚线电机和相关控制技术的基本原理、发展历史及其分类方法,然后整体介绍悬式推挂物流传输控制系统的整体机械结构和电气工作原理。接着由上而下,分层详细阐述了组成系统的逻辑控制部分和电机驱动部分两个子系统。在系统的逻辑控制部分,主要阐述了系统的功能、结构的划分以及整体的逻辑控制软件的实现。在电机驱动部分主要说明了电机的控制策略、变频驱动技术的原理和在本系统的实现。

第二章智能型直线电机物流系统的原理及整体结构

2.1 传输系统的结构特点

长定子直线电机物流传输系统的总体机械结构示意图如下图2-1所示。它有悬挂式支架结构,长定子异步直线电机和次级板小车系统等几个部分。悬挂式支架机械结构主要起系统支撑作用,并承受移动载荷的重力。

图2-1 直线电机物流传输西汤尼盖的结构示意图

物流传输系统中直线电机驱动采用长定子短次级的方式,采用这种形式可使每个次级小车按所需的运动方式运行,这一点在物流配送系统中非常重要。如图2-1直线电机定子初级依次安装于机械结构的顶部,电机槽口向下,上部通过安装孔固定于机架上。机架中间有一横向导轨,小车可沿导轨滑动。小车是由上下二块钢板通过中间螺栓连接而成,上下钢板均安装有导滑轮,下部导滑轮的作用主要是为了防止气隙间电磁吸引力,横向导轨上有一侧向定位块,防止小车侧向位移。次级小车上部钢板有一层紫铜片,组成直线电机的复合次级。当直线电机的初级线圈通电后,小车在磁场力的作用下沿着轨道运动;改变初级的相序,可以改变小车的运动方向。小车下部钢板上有一挂钩,用于承载货物。轨道可以是环形的,也可以是长直形的,还可以带一定的坡度,视具体的应用场合而定。物件挂在悬钩上随着小车一起运动,从一个工位走到下一个工位。

智能物流传输系统中,交流直线感应电机工作于间接状态,分段供电的定子绕组,其平均工作时间取决于分段数与总的次级个数。因此在直线电机电磁参数选择时,需考虑这一因素。电磁设计时还应考虑直线电机端部引起的边端效应。

悬式推挂的物流传输系统所要达到的控制要求是使小车带随物件沿着轨道以某一恒定速度行进,并可根据要传输的物件量进行速度调档。本文对整个悬式推挂的物流传输系统作了一定的简化处理,只考虑单一环形、单一小车、轨道有一平缓坡度的情况。

2.2 物流传送系统的工作原理与电气构成

如下图2-2所示,系统电气部分包括位置传感器,PLC 智能控制器,PWM 电压调节单元,电气分配开关,操作控制显示面板等组成。沿试验系统的圆形闭合路轨上,共安装有63只直线异步电动机,在试验系统中这些典籍在电气连接上被分为7组(图下图2-2,2-3),每组9只电机,分别通过电气开关71~S S 与驱动电源相连。

当次级小车处于某一电机段时,控制系统使该段电机通电,使次级小车在定子移动磁场的驱动下向前运行。当小车进入下一电机段时,控制系统接通小车进入段中电机的电源,关闭前一段电机绕组的电源,使小车继续前行,直至运行到指定的位置。

图2-2 推挂系统控制原理图

图2-3 推挂系统驱动原理图

传送线上直线电机分段的原则取决于实际运行时工作位置的需要,但根据电机实际运行情况,若分段过长,会使得每段中电机数量增加,这样使得驱动电源的容量减少,但分段增加会增加电气开关、位置检测单元、PLC系统的输入输出接口的数量,使系统复杂化,同样会增加控制系统成本。因此在分段时应兼顾二者关系。

在直线电机分段驱动中,系统需要知道小车的位置信号。位置检测是通过安装于二段之间的无接触光电感应式位置传感器实现的。其原理框图如下图2-4所示。每当小车接近时,传感器向PLC控制器发回位置信号,PLC根据该信号来控制电气开关向各段电机正确馈电。

试验线中位置检测是以定点形式来完成的。只有当处在检测点时,位置信号才被反馈。因此次级小车在停止时均处于位置检测点上。在每段的中间位置,位置信号无反馈。这些位置点在实际应用时代表传送系统的工作节点。

图2-4 位置检测单元

无接触光电式传感器分为红外发射和红外接收两个部分。红外发射部分包括红外发射管、晶体管驱动器和高频载波振荡器。使用高频振荡器是为了消除外界

光照强度变化而形成的干扰。红外接收部分包括红外接收管、信号输入输出驱动和音频解调器(LM567)。当小车接近时,经过载波的红外光经过小车上表面的反光纸的反射,被红外接收管接收,经过驱动和解调,就得到电平信号。该电平信号可表示小车到位与否。

2.3物流传输系统的控制模式

智能物流传送系统功能控制部分可分为驱动控制级与调度控制级。驱动控制即是对直线电机的调速控制部分,驱动控制包括变频电源,位置检测,PID反馈环节,分段切换开关,制动系统。驱动系统的协调由PLC可编程逻辑控制器完成。整体结构见控制系统的原理框图。

PLC根据设定的运行速度与运行方式,控制分段馈电开关向各段轮流输入电能,控制次级小车按设定的速度运行指定距离,PID调节器主要完成系统的速度和电流反馈控制。PLC通过串行通信接口与PC机(上位机)相连,运行控制与工作方式的设置均在PC机内完成。目前试制的智能物流驱动系统是一闭合回路,路段中设置有一辆小车,车辆运行方式为点到点控制,可任意在各段中运行。这些运行方式包括:

正向运行至设定点:

反向运行至设定点:

连续正向运行;

连续反向运行;

分段步进运行(每点停留时间可设定);

任二点间往复运行;

PLC系统采用西门子STP--700系列的7200产品,该型号产品结构紧凑、抗干扰能力强,工作稳定可靠,适用于工业应用场合。7200系列产品为分散积木式结构,一个主CPU可扩展数字输入/输入和模拟量输入/输出单元。扩展单元由485现场总线相联系。PLC输出可与变频电源,PID调节器等外部接口相配合,组成一动作控制系统。在研制的物流控制系统中,PLC型号为CPU224,外扩一个数字量输入/输出单元EM1253,以及一个模拟量输入输出单元EM258,CPU224单元通过专用通信线STP/TL与计算机串行口相连。专用编程软件STP7--200完成系统控制功能的编程任务。系统编程方式可以采用融观的图形符号或采用程序语言来完成。

由于目前的集中控铡方式虽然结构简单,但要求主电路的容量较大。同时该结构使得各个小车之间的相互影响很大,各小车的活动范围受到极大的限制。下面介绍改进的分散控制模式。

较新的驱动方法是分散控制模式,其原理框图如图2-5,图中2-5中每一个电

机的定子段均分别单独由一个集成控制器加以控制,该控制器包括一个三相半导体开关,控制逻辑单元,感应式位置传感器和通信接口。设在初始时刻电机端A,B的电源开关导通,定子电流产生的行波磁场向左运动,驱动次级向左移动。当次级板离开A段定子面进入C段定子面时,位置传感器A变为低电平,此信号使得A 段定子电源开关关闭,断开A段电机的电源。同时C段位置传感器信号变为高电平,使C段电机的电源接通,驱动电机次级继续向前运动。如果三相驱动电源相序相反,则控制单元的控制开关次序相反。这样在运动路径的中间过程,主控制器可以不必进行控制。若希望在设定的点位使次级停止,反向运动等,则只要对此点位两侧的定子段控制器进行控制。主机对传输线各单元的下位控制器之间的控制信号是通过458串行通信线完成的。

图2-5 分散控制模式原理图

分散控制方式与上面集中分段控制相比较,具有下列特点:

由于在任何时候,每一次级对应的传输线中只有二个定子段通电,因此对驱动电源的功率容量要求就大大降低;

次级运动的速度调节由变频电源控制,通过检测每段定子位置传感器信号来实现速度的闭环控制:

传输线沿线只需一组三相电源线,这一点对于长距离输送线(总长可达几公里)是十分必要的。因为集中分段供电时,每段定子均需铺设单独的电源线,当线路很长分段较多时,其电源线和控制信号线的数量将十分可观;

分散控制时,输送线路长短的调整十分方便,由于每一段定子均单独实行控制,因此如果需要在线路中插入或去掉一些定子段就变得很方便。

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