第一篇：ups逆變器控制系統設計開題報告

青島大學

畢業論文(設計)開題報告

題目：UPS逆變器控制系統設計 學院:自動化工程學院 專業: 電氣工程及其自動化 姓名:張隆 指導教師: 王忻

2014年

月13日 課題研究意義

隨著現代工業的發展,供電網絡的負載越來越復雜,特別是大型用電負載的啟動和停止,大型可控電力電子設備的應用以及網絡內部噪聲會使交流正弦波發生畸變。另外,自然界的雷電,電網的接地不良等因素均影響到電網的供電質量。由于以上因素的影響,可能會導致接在電網上的計算機設備,包括通信、醫療等精密的工業儀器設備發生失控、丟失數據、停機、損壞等嚴重后果,直接影響到用戶的正常工作,造成經濟損失或其他嚴重事故。如何解決這些市電問題,正是UPS(Uninterruptible Power System)不間斷電源的責任。所以以單片機為控制核心的UPS電源可以為各種設備機器提供高質量的電源。

隨著社會經濟的發展，工業的各個領域對電源的可靠性，質量等有著越來越高的要求，一套好的UPS系統可以提高運行的穩定性，隨著單片機的應用，UPS已經可以實現全數字化和智能化。同時，電力電子器件的飛速發展也為主功率部分的簡化以及先進控制策略的應用提供了必要條件。IGBT作為MOSFET和GTR的復合器件已廣泛地應用到逆變器中。它有MOSFET的工作速度快、輸入阻抗高、驅動電路簡單、熱溫度性好的優點，又有GTR的載流量大、阻斷電壓高等優點。

因此，以IGBT為代表組成的逆變器，以單片機為控制核心的UPS電源已普遍應用于我國的各行各業，本課題就是以此展開研究和設計的。

2發展前景

隨著電子器件的發展，使UPS向小型化、高效率、高可靠性發展。而網絡智能化UPS技術和全數字化UPS技術的出現，不僅提供完全可靠的網絡電源管理，也為節能、環保提供了一種最佳的解決方案。所以UPS電源技術總的發展趨勢是逐步向小型網絡智能化和全數字方向發展。隨著科學的進步，UPS電源技術在不久的將來會開辟一個更新的領域。

高頻化：雖然傳統在線式UPS的技術已經非常成熟，由于它本身帶有許多無法突破的問題，使其發展前途受限。高頻化概念的引入，給UPS的發展帶來了許多新的思路和空間。隨著高頻技術和器件的發展，3KV及以下的高頻在線式UPS的技術和產品已經成熟，其功能和可靠性均應高于傳統UPS。高頻化對于減小體積、降低成本以及對非線性負載有更好的響應上起著重要的作用。

智能化：微處理器在UPS上的應用，過去只在大、中型UPS上采用，但近年來已逐漸向小型、微型UPS方面發展，其帶來的結果是UPS的智能化發展，包括控制、檢測和通信。UPS逐漸由計算機來進行管理，并且計算機及外設能“自主”應付一些可能預見到的問題，能進行自動管理和調整，如自動關閉宿主計算機的操作系統并關閉其電源，定時 開關UPS本身等，并能將有關信息通過網絡傳遞給操作系統或網絡管理員，便于進行遠程管理。

網絡化：把UPS做為網絡家庭一個成員的要求越來越迫切，因為它是網絡能正常運行的基礎。要求UPS擁有更大的蓄電量、可以同時為多臺計算機或其它外設服務，并能夠通過某種機制達成負載之間的動態配置。

大容量單機冗余化：由于網絡對UPS可靠性的要求越來越高，而解決可靠性的途徑除要求元器件本身高可靠外，就是用冗余的方法。小容量UPS的單機內冗余已出現。而大容量的UPS目前還必須通過并機的方法實現，但這樣作又使用戶投資太大。毫無疑問，使用Internet技術監控UPS系統將成為未來UPS技術的主流之一。

3各種方案的比較和課題所選用的方案

（1）預測控制：預測控制從七十年代中期提出至今，一直是控制界的一個研究熱點，不斷發展，先后出現了模型算法控制(MAC)、動態矩陣控制(DMC)和廣義預測控制(GPC)等幾十種，且在實際復雜工業過程控制中得到了成功應用。對于大滯后的被控過程，預測控制是一種非常有效的控制方法，因為預測控制不是根據被調量的當時值進行控制的，而是根據被調量在未來一段時間內的預測值進行控制的，因此，控制作用可以提前一段時間動作，這對大滯后被控過程的控制是至關重要的。

由于各類預測控制方法在預測模型假定或設計思想上存在某些差異，從而使相應的控制律各有不同的特點，但其主要思想仍是相似的，對于一個SISO系統可用圖1來簡單說明，其控制決策描述如下:

?(t),y?(t?1),?,y?(t?Np?1)}1)在“當前”t時刻對過程的未來輸出進行預測，預測值{y取決于過程t時刻的已知信息、動態預測模型以及所假定的未來控制序列{v(t), v(t+1), ?, v(t+Nu-1)}；

2)在所假設的不同的未來控制作用中，選擇“最優”控制序列{v*(t),v*(t?1),?,v*(t?Nu?1)}，?以“最好”的方式逼近參考軌跡yr。最優逼近可定義為使某一特定使過程的輸出預測值y的目標函數最小。對輸出誤差和控制增量加權的二次型性能指標(1)是目前采用最多的目標函數。

Np?(t?k)?yr(t?k))???k(?u(t?k?1))2(1.1)minJ??(y2k?1k?1Nu3)將“最優”控制序列中t時刻的控制信號u(t)?v*(t)作用于實際過程。在下一個采樣時刻重復進行上面的計算步驟。

可以實現很小的電流畸變，抗噪音能力強。但是這種算法要求知道精確的附在模型和電流參數，而且有數值計算造成的延時在實際應用中也是一個問題。（2）滯環控制：也叫做bang-bang控制或紋波調節器控制，即將輸出電壓維持在內部參考電壓為中心的滯環寬度內。具有快速的響應速度，較高的穩定性。但是，滯環控制的開關頻率不穩定，使電路工作可靠性下降，輸出電壓的頻譜變差，對系統性能不利。

（3）數字PID控制：就是把現場的控制變量的模擬信號和對現場受控變量的輸出信號均轉換成了數字信號，PID的實現也是通過數字信號的設定來完成的。現在大多在DCS、PLC系統內完成的。隨著處理器芯片的運算速度不斷提升，更多的PID采用數字控制。

可以方便的調整PID參數，具有很大的靈活性和很強的適應性。PID算法簡單明了，控制過程快速，準確，平穩。

本課題設計方案為：基于單片機控制的全數字UPS逆變器。它大大改善了產品的一致性，增加了控制的柔性，提高了整個系統的穩定性和可靠性。

4課題擬采用的方案和技術路線

本課題設計方案為：基于單片機的在線式UPS逆變器控制系統設計 擬采用的技術路線：

（1）使用IGBT作為功率器件，設計三相逆變電路；

（2）以AT89C51單片機為控制核心，設計控制電路來控制三相PWM波產生控制信號；（3）用AT89C51單片機來實現UPS電源的過電壓、過電流等監測；（4）設計的UPS電源能提供較好的交流電源，其輸出電源電壓：

220V/AC，頻率：50Hz 5 各階段時間安排

第1至2周 搜集資料,撰寫開題報告 第3至4周 主電路設計 第5至6周 控制電路設計 第7至8周 軟件設計 第9至10周 仿真調試 第11至12周 撰寫論文

第13至14周 修改論文，準備答辯

參考文獻：

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第二篇：開題報告-開關磁阻電機數字控制系統設計

開題報告

電氣工程及自動化

開關磁阻電機數字控制系統設計

一、前言

開關磁阻電機結構簡單、成本低、容錯性高、功率密度高能夠高速運行，并且它能方便地實現起動和發電雙功能，因此，目前越來越廣泛的應用于航空和汽車上的起動／發電系統。開關磁阻電機具有很大的發展潛力。

二、主題

（一）、開關磁阻電機的發展概述

“開關磁阻電機”一詞源于美國學者S.A.Nasar

1969年所撰論文，它描述了這種電機的兩個基本特征：開關性和磁阻性。20世紀80年代以來，越來越多的學者開始關注開關磁阻電機，并對此進行了大量的研究。美國空軍和GE公司聯合開發了航空發動機用SRD電機系統，有30KW、270V、最大轉速為52000r/min和250KW、270V最大轉速為23000r/min兩種規格。加拿大、前南斯拉夫在SR電機的運行理論電磁場分析上做了大量研究工作。一些學者還研究了盤式SRM/外轉子式SRM、直線式SRM和無位置傳感器SRM等新型結構的電機。

1984年開始，我國許多單位先后開展了SR

電機的研究工作且SRM被列入中小型電機“七五”科研規劃項目。在借鑒國外經驗技術的基礎上，我國的SR電機研究技術進展很快。近年來，中國在開關磁阻電機的研發方面取得了很大的進步例如南京航空航天大學開發了

3KW、6KW

及

7.5KW

三套原理樣機，電機采用的是風冷形式。但在大功率方面的研究還很少，僅有原理樣機方面的仿真。

（二）、開關磁阻電機的優缺點

開關磁阻電機結構簡單，性能優越，可靠性高，覆蓋功率范圍10W~5MW的各種高低速驅動調速系統。使得開關磁阻電機在各種需要調速和高效率的場合均能得到廣泛使用（電動車驅動、通用工業、家用電器、紡織機械、電力傳動系統等各個領域）。

其結構簡單，價格便宜，電機的轉子沒有繞阻和磁鐵。

（1）轉矩方向與電流方向無關，只需單方相繞阻電流，每相一個功率開關，功率電路簡單可靠，可降低系統成本。

（2）易于實現各種再生制動能力。

（3）定子線圈嵌裝容易，熱耗大部分在定子，易于冷卻，效率高，損耗小，允許有較大的溫升。

（4）轉子上沒有電刷，結構堅固，適用于危險環境，控制靈活。

（5）調速范圍寬，控制靈活并且輸出效率很高。

（6）電機的繞組電流方向為單方向，控制電路簡單，具有較高的經濟性和可靠性，轉子的轉動慣量小，有較高轉矩慣量比。

其主要缺點為轉矩脈動大、需要根據轉子與定子相對位置投勵、必須與控制器一同使用才能穩速運行、主接線數隨著相數的增多而大量增多。

（三）、基本內容

功率變化器在SRD中占的比重非常的大，因此合理的設計功率變換器是提高SRD性能跟價格的關鍵之一。從功率變換器與電動機結構匹配、效率高，控制方便，結構簡單、成本低的要求出發，一個理想的功率變換器應該具備如下條件：

（1）最少數量的主開關器件；

（2）基數相和偶數相的SR電機都適合用；

（3）所有的電源電壓都可以加到相繞阻上；

（4）主開關器件的額定電壓接近電動機額定電壓；

（5）相繞阻電流變化速度快；

（6）通過主開關器件調制，能夠有效的控制相電流；

（7）繞阻磁鏈減少的同時能夠將能量回饋給電源。

具備以上條件的電路有很多。主要有每相只有一個主開關管的電路，據有最少數量主開關器件的功率變換電路。

3.1每相只有一個主開關管的電路

每相只有一個主開關管的電路包括雙繞阻功率變換器、采用分裂式直流電源的功率變換器、帶儲存電容的功率變換器和再生式SR電動機功率變換器。

雙繞阻功率變換器要求SR電動機每相有一個二次繞阻與一次繞阻完全耦合器主開關器件裝置的額定電壓至少是電機繞阻額定值的兩倍，因此未能用足主開關器件的額定電壓，另一缺點是銅線的利用率低。但是就逆變電路而言它是經濟的。

采用分裂式直流電源的功率變換器這種功率變換器中電容量和電源電壓的定額將顯著增加。為了保證三線電源兩側的負載相等，使上下臂各相工作電壓相等，采用這種功率變換器方案只適用于偶數相的SR電機，這種方案對蓄電池供電系統是十分合適的。

帶儲存電容的功率變換器根據能量回饋電源的方法不同可以有如下幾種方案：1、利用諧振回收能量2、利用阻尼回收能量3、利用斬波器回收能量。其各有優缺點。

3.2具有最少數量主開關器件的功率變換器

它是在不對稱半橋電路的基礎上發展起來的一種新的少主開關器件的功率變換電路它保留了橋式電路的所有優點但所用的每相主開關可以少于兩個。但是主開關的工作狀態必須根據與其連接的所有相繞阻的電流來決定，所以必須提出對所有相電流獨立控制的主開關器件策略，同時SR電機相繞阻接至功率變換器的方式必須加以限定。

電流檢測電路用來檢測定子繞組的電流大小，將其反饋到控制器中。四相電機可以采取A/C、B/D共用一套電流傳感器，SRM功率變化器輸出的相電流是單向的，可以用電阻采樣，直流電流互感器，霍爾元件采樣，磁敏電阻采樣。

位置檢測的目的是確定轉子定子的的相對位置，即要用絕對位置傳感器檢測定子的相對位置，然后將信號反饋到邏輯控制電路，以確定對應相繞阻。通過電機四相繞阻的不同位置可以判斷出轉子的相對位子，從而達到檢測轉子相對位置的目的。

數字控制電路完成象限控制軟起動等其他控制功能。通過單片機能實現非常多的控制功能，靈活性好、智能性好，但它也是有缺點的，就是系統響應速度受到單片機速度的影響。

（四）、開關磁阻電動機的數學模型

開關磁阻電動機控制參數多，數學模型十分復雜。為了降低難度，對開關磁阻電動機采用簡化、線性化或準線性化的分析方法，以便建立比較準確的開關磁阻電動機的數學模型。考慮了電動機的磁路飽和、渦流、磁滯效應等非線性的所有因素，可以列出一個很精確的數學模型，但是計算復雜很難用于仿真分析。因此，在建立開關磁阻電動機數學模型的時候，要在理論性和實用性上加以折中考慮。為了簡化分析，做出如下的假設:

(1)主電路電源的直流電壓Us恒定不變；

(2)主開關器件為理想開關，即導通壓降為零，關斷時流過的電流為零；

(3)忽略所有的功率消耗；

(4)電動機各相參數對稱，忽略相間互感；

(5)在一個電流脈動周期內，認為轉速恒定。

（五）、開關磁阻電機的應用

作為一種新型調速驅動系統，開關磁阻電機愈來愈得到人們的認可和應用。目前已成功應用于在電動車用驅動系統、家用電器、工業應用、伺服系統、高速驅動、航空航天等眾多領域中。下面介紹開關磁阻電機的一些應用實例。

5.1在電動車中的應用

電動車是解決世界能源危機，環境污染等重大難題的理想交通工具，是21世紀的高科技產品之一。目前電動摩托車和電動自行車的驅動電機主要有永磁有刷及永磁無刷兩種，然而采用開關磁阻電機驅動有其獨特的優勢。矩脈動大，噪聲大，相對永磁電機而言，功率密度和效率偏低；要使用位置傳感器，增加了結構復雜性，降低了可靠性這些是MRD的缺點。

5.2在食品加工機械中的應用

在食品加工機械中，開關磁阻電機顯現出其獨特的優勢：體積小、不燒電機、沒有或只有小的齒輪減速比、電機外形設計靈活，適應性好、能夠安全停機、速度離散可選或者連續可調、易實現特殊要求的機械特性。開關磁阻電機結構、體積、特性上的優勢非常明顯，降低了電機成本，提高了產品的可靠性。

5.3在龍門刨床中的應用

龍門刨床是機械行業的一種重要加工機械，其主傳動系統的作用是帶動工作臺實現往返運行。

實踐證明，開關磁阻電機的特性特別適合于頻繁起制動和換相運行，換相過程起動電流小，只有額定電流的0.5倍，起、制動轉矩可調，因而工藝符合要求。輕型龍門刨床以往之所以取較低的速度是由于傳動形式所限。當開關磁阻電機能滿足提升速度的條件下，再加上主機也允許，提升速度和切削能力是絕對合理的。實驗證明，將機床速度提高到40m/min以上，機床系統剛性滿足，這樣可以使刨床的生產效率提高一倍。

（六）、開關磁阻電機的發展趨勢展望

1、數學模型的研究

數學模型是控制理論應用的基礎。在以往的研過程中，人們已經提出了各種各樣的開關磁阻電機的數學模。近年來，多維系統辨識、小波模型、神經網建模等各種建模理論發展迅速。SRM數學模型的研究也必定會得到快速發展。我們相信在不久的將來結合各種現代建模理論的SRM非線性數學模型將被提出。

2、非線性控制理論、智能控制理論的應用。近年來雖然些學者已將非線性控制理論和智能控制理論應用在SRM制系統中，由于控制理論所結合的控制策略還不完善，控制效果并不理想。可以預見，未來一段時間各非線性控制理論、智能控制理論，將與控制策略的究同步進行，它們將以更加有效的途徑應用于SRM系統中。

3、高性能SRM驅動系統的研究

SRM具有體積小、重量輕、轉矩/慣量比小等優點。但是，SRM的線性特性和轉矩脈動難以抑制，使得以往SRM伺服驅動系統的研究進展較為緩慢。隨著轉矩脈動抑制研究的進一步發展以及人們對SRM非線性本質認識的加深SRM在伺服驅動系統中應用的研究必定會得到空前的發展。

三、小結

目前，人們已經提出線性、準線性、非線性等多SRM數學模型，在此基礎上結合各種各樣的消轉矩脈動的控制策略，將線性控制理論、非線性控理論和智能控制理論應用于SRM的控制器設計，已經取得了豐碩的成果。但是，在SRM控制領域研究還遠未到完善的程度，未來一段時間，SRM制技術將在數學模型、控制策略、控制理論應用以高性能驅動系統開發等方面，繼續得到發展。

四、參考文獻：

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第三篇：開題報告-基于PLC的電梯控制系統設計

開題報告

電氣工程及自動化

基于PLC的電梯控制系統設計

一、綜述本課題國內外研究動態，說明選題的依據和意義

1.本課題的研究背景及意義

（1）題目背景：隨著城市建設的不斷發展，樓群建筑不斷增多，電梯在當今社會的生活中有著廣泛的應用。電梯作為樓群建筑中垂直運行的交通工具已與人們的日常生活密不可分。實際上電梯是根據外部呼叫信號以及自身控制規律等運行的，而呼叫是隨機的，電梯實際上是一個人機交互式的控制系統，單純用順序控制或邏輯控制是不能滿足控制要求的，因此，大部分電梯控制系統都采用隨機邏輯方式控制。傳統的電梯運行邏輯控制系統采用繼電器邏輯控制線路。這種控制線路，存在易出故障、維護不便、運行壽命較短、占用空間大等缺點。從技術上發展來看，這種系統將逐漸被淘汰。如何解決電梯的可靠性、維護方便等問題已成為全社會關注的焦點和大眾的迫切心聲。

（2）題目研究的意義：目前，由可編程序控制器和微機組成的電梯運行邏輯控制系統，正以很快的速度發展著。采用PLC控制的電梯可靠性高、維護方便、開發周期短，這種電梯運行更加可靠，并具有很大的靈活性，可以完成更為復雜的控制任務，已成為電梯控制的發展方向，其許多功能是傳統的繼電器控制系統無法實現。

可編程控制系統是專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作電子系統。它采用一種可編程的存儲器，在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，通過數字式或模擬式的輸入輸出控制各種類型的機械設備或生產過程。通過可編程控制器可以實現由繼電器實現的邏輯控制功能，而且最主要的是可編程控制器的“可編程”功能，使得當改變電梯的控制功能時，只要更改程序即可，而不需要像繼電器控制系統那樣改變硬件和接線。

2．國內外電梯的情況

當今世界，電梯的生產情況與使用數量已經成為衡量一個國家工業現代化程度的標志之一。在一些發達的工業國家，電梯的使用相當普遍。

世界上有名的幾家電梯公司，諸如:美國奧梯斯公司、瑞士訊達公司、日本三菱和日立公司、芬蘭科恩等，其電梯的產量已占世界市場的51%。其中，奧梯斯公司和三菱公司是世界上最大的電梯生產企業。

目前，國外除了以交流電梯取代直流電梯以外，在低層樓房越來越多的使用液壓電梯。此外，家用小型電梯將成為電梯家族中新的組成部分。

電梯是集機電一體的復雜系統，不僅涉及機械傳動、電氣控制和土建等工程領域，還要考慮可靠性、舒適感和美學等問題。而對現代電梯而言，應具有高度的安全性。事實上，在電梯上己經采用了多項安全保護措施。在設計電梯的時候，對機械零部件和電器元件都采取了很大的安全系數和保險系數。然而，只有電梯的制造，安裝調試、售后服務和維修保養都達到高質量，才能全面保證電梯的最終高質量、在國外，己“法規”實行電梯制造、安裝和維修一體化，實行由各制造企業認可的、法規認證的專業安裝隊和維修單位，承擔安裝調試、定期維修和檢查試驗，從而為電梯運行的可靠性和安全性提供了保證。因此，可以說乘坐電梯更安全。美國一家保險公司對電梯的安全性做過認真地調查和科學計算，其結論是:乘電梯比走樓梯安全5倍。據資料統計，在美國乘其他交通工具的人數每年約為80億人次，而乘電梯的人數每年卻有540億人次之多。

解放前，我國只有2000臺電梯，幾乎沒有電梯生產企業。解放后，隨著我國經濟建設的發展，電梯企業應運而生。我國的電梯企業由60年代開始起步，到了70年代己初具規模。

改革開放以來，我國電梯的需求量急劇上升。在我國通過引進國際電梯標準以及發達國家的先進產品和技術，產生了一支以中外合資企業為主體的外向型企業隊伍。如中國迅達公司、天津奧梯斯公司、上海三菱公司、蘇州迅達公司和廣州電梯工業公司等企業，就是通過合資和補償貿易方式，引進發達國家的先進管理和技術，不斷改善現有產品結構和管理體制，使企業素質和產品質量都提高到了一個新水平，推出一代電梯新產品。

目前，交流調壓調速電梯技術已趨成熟，一些企業都有成功的產品。微機控制電梯是電梯技術的方向，一些生產企業與科研單位相結合，相繼推出了微機控制的電梯新機型，使控制功能得到增強，電梯的性能得到改善，明顯提高了可靠性。除了合資企業外，也有其他廠家開發出了變頻調速電梯新產品。另外，用可編程序控制器取代繼電器控制系統的機型對單梯進行控制還是有前途的。有些生產企業開發了緊急供電裝置、放火廳們、地震控制、自檢測以及語言合成等電梯新功能;對機械系統采用了新結構、新材料、新技術和新工藝。總之，與國外先進技術水平相比，雖然還存在一定差距，但國內電梯技術正以迅猛的發展速度趕超世界先進水平。

近年來，為保證電梯最終質量，在建立全國性完整的電梯管理法規、落實檢查機構、壯大安裝調試隊伍、組建維修保養網絡和提高相關人員技術素質等方面，正在進行著一系列實質性的工作。我國電梯行業，正在走向法規化，加速步入世界先進行列。

二、研究的基本內容，擬解決的主要問題：

(1)查找相關資料，了解國內外電梯控制系統的發展狀況，熟悉現有電梯控制系統的發展方向。

(2)

闡述電梯的結構和可編程控制器的結構，了解PLC在電梯領域應用的優勢及其硬件組成。

(3)對電梯的硬件設計。

(4)對電梯PLC控制原理進行分析。

(5)對電梯的軟件設計。

這里我主要應用PLC原理對電梯的指層控制模塊、轎內指令和廳外召喚登記與消號模塊、電梯的選層和定向模塊、電梯運行控制模塊等進行設計。

三、研究步驟、方法及措施：

步驟及方法：

(1)了解現行電梯的結構和可編程控制器的結構。

(2)分析相關的PLC改造。

(3)基于PLC的電梯控制系統的設計。

(4)分析效果。

(5)得出結論。

措施：圖書館查找相關的書籍、期刊、雜志等，通過上網尋找相關的一些資料，查看當代對該技術的研究成果和最新的動態。然后通過對這些資料的學習和研究進一步的熟悉和理解設計所需的相關知識。在設計過程中及時與指導老師探討，對不了解的問題及時向老師請教。

四、參考文獻：

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張漢杰.現代電梯控制技術[M]

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第四篇：開題報告-船用小型UPS電源系統設計

開題報告

電氣工程及自動化

船用小型UPS電源系統設計

一、綜述本課題國內外研究動態，說明選題的依據和意義

有些小型船用應急電源一般采用沖放電板帶蓄電池來組成，當蓄電池處在浮充狀態時，能夠提供不間斷電源，但有一些缺點：

（1）

受電源的限制功率小，承擔的負荷太小，滿足不了要求

（2）

不能提供交流電源

（3）

電源品質不能保證，如波動問題、頻率問題等

因此，船上一些重要設備的備用電源不能直接由充放電板提供，需要更加穩定

UPS（Uninterrupted

Power

Supply）系統。

當船舶主電源發生故障時，在應急發電機啟動并正常運行前，為了確保通訊導航設備、無線電設備、檢測報警設備及維系生命安全的重要設備供電的連續性，應當采用更為保險的UPS系統。應急發電機正常運行后，所有的UPS負載均可轉移到應急配電板上。

那么到底什么是UPS呢？不間斷電源，從名稱上看，即保證一些重要負載供電的連續性，如報警設備、監控設備等。這些設備一旦出現供電間斷，可能會引起重大事故。UPS主要構成包括整流器、充電部分、蓄電池（組）、直流匯流排、逆變器。UPS的基本工作原理：外部電源經過整流后通過充電回路對蓄電池進行充電，旁通電路給負載供電；當外部電源因發生故障而停止供電時，由蓄電池作為電源，經逆變器逆變后對負載供電。好的UPS系統應滿足一下要求：輸出正弦電壓波形、電源波形畸變小、輸出頻率穩定、電壓波動小、效率高、損耗小、噪音低、操作簡單、維修方便。

陸用UPS技術相對成熟，主要是陸地穩定，干擾小，滿足以上要求更為簡單。但是，船舶交流電網的線路及供電質量遠不及陸上電網，且由于多種設備集中在船艙狹小的空間內，這對船用UPS電源的抗電磁干擾及可靠性提出了嚴格的要求，因此，作為船舶供電網絡的關鍵設備，船用UPS技術的研究具有重要的理論意義和實際意義。

我國在船用UPS的設計和制造方面已經取得了出不成績，但與陸用UPS產品相比還存在著一定的差距，目前我國船用UPS技術存在諸多局限性。

目前UPS主要向兩個方向發展，一是網絡智能化控制控制，二是全數字化技術。智能化，即采用并聯技術將多臺小功率UPS設備連接后實現并聯運行，這樣不但可以方便靈活地配置整個電源系統的容量，而且可以實現電源系統的冗余，大大提高系統的穩定性、可用性、可靠性，因此船用UPS的控制技術相應地向網絡智能化方向發展是勢在必行。采用微處理器、數字信號處理DSP構成的全數字式控制UPS有很明顯的優點：可以大大減少控制元件的數量，提高系統抗干擾能力，降低故障率及對工作溫度的要求；制作設計靈活，并聯的多臺UPS一致性好；可改進性好，一旦有更好的控制方法，只要修改程序即可，無需變動硬件電路，即硬件電路軟件化，大大縮短了設計周期；輸出電能質量好，可靠性高，便于實現網絡智能化管理；并聯多臺UPS，控制方法靈活，更有利于發揮冗余優勢。

船上使用UPS具有重要的作用和意義：一，應急作用，當船舶因為意外故障而斷電，比如電線老化、氣候影響等等，UPS可以防止突然斷電而影響船上重要儀器的工作，給船上各個供電系統造成損害；二，消除電源上的電涌、瞬間高電壓、瞬間低電壓、電線噪聲和頻率偏移等“電源污染”，可以極大的改善電源質量，為船舶供電系統提供高質量、不間斷的穩定電源。因此，在當前的形勢下，船用UPS電源的使用越來越廣泛，而對UPS的研究也是非常有必要的。

二、研究的基本內容，擬解決的主要問題：

設計一個為船舶中通訊設備，照明設備、控制設備、輔助機械設備等提供性能可靠的后備UPS電源系統。此UPS系統主電路結構如下框圖所示，三相逆變電路

LC濾波

負載

蓄電池組

要求選蓄電池組的電壓為168V，能獨立提供的線電壓為66V，最大輸出電流為20A，供電時間為30min，當輸出由空載變為滿載時輸出電壓下降不超過2.5%。

設計的基本內容：

（1）

根據要求設計出主電路的結構形式，畫出主電路的原理框圖。

（2）

主電路各個元件的參數計算和型號選擇。

（3）

研究UPS與常用電源的合理切換。

（4）

設計蓄電池組的充電回路。

（5）

對系統進行仿真和研究。

（6）

整理設計數據資料，設計總結，撰寫論文。

電路的基本框架圖已經給出如上圖，各元件的參數選擇需經過計算后才能得出。所謂合理切換，即船電正常時UPS系統不工作，當船電不正常時啟用UPS系統，保證供電的連續性。充電電路的設計是本文的一個重點，蓄電池電壓較高，有一定的設計難度。充電要求電壓必須大于蓄電池組電壓，還得保證不能過沖，即應該有電壓反饋、鎖定環節。當然，UPS中有一個很重要的環節----逆變，逆變技術的先進與否直接反映電源的質量。本次設計采用三相橋式電壓型逆變電路，原理圖如下：

開關器件采用全控型電力MOSFET，主要特點是驅動電路簡單，需要的驅動功率小。第二個特點是開關速度快，工作頻率高，熱穩定性能好。MOS管的驅動使用特定的驅動電路完成。直流電輸入，電路正常工作時，每個瞬時有三個橋臂導通，同一相的上下兩個橋臂要通斷互補。為了防止短路直通現象，可采取先斷后通策略。

MOS管的通斷控制采用PWM控制方法，PWM波由芯產生，輸出PWM波形的占空比由軟件控制。有電壓閉環反饋環節，從輸出端進行電壓采樣，采樣值與設定值比較，形成偏差，再通過PI調節器自動調整，把調整信號輸入單片機，單片機控制PWM芯片波改變其輸出PWM的占空比。

三、研究步驟、方法及措施：

（1）查找相關資料，總體方案設計論證，作好開題報告。

（2）根據方案，設計所需要的逆變電路。

（3）計算所需電力電子器件的參數，挑選合適的型號。

（4）挑選合適的主芯片，設計控制電路。

（5）挑選適合的芯片，設計蓄電池好充電回路

（6）對所需的電路進行仿真。

（7）完成報告，總結設計過程。

四、參考文獻

[1]

王兆安,黃俊.電力電子技術[M].第4版.北京:機械工業出版社,2000.[2]

陳建業.電力電子電路的計算機仿真[M].北京:清華大學出版社,2003.[3]

閻石.數字電子技術基礎[M].第4版.北京:高等教育出版社,2005.[4]

康華光.陳大欽.電子技術基礎(模擬部分)[M].第4版.北京：高等教育出版社，2004.[5]

楊旭,裴云慶,王兆安.開關電源技術[M].北京:機械工業出版社,2003.[6]

顧繩谷.電機及拖動基礎[M].第3版.北京:機械工業出版社,2003.[7]

張穎超等.高精度三相PWM波形產生器SA4828在逆變器中的應用[J].國外電子元器件,2000,36(9):3~5.[8]

張春來,趙殿禮,文元全.船舶電氣[M].北京:人民交通出版社,2008.[9]

康華光.電子技術基礎(模擬部分)[M].第四版.北京:高等教育出版社,1999.[10]王兆安.電力電子變流技術[M].北京:機械工業出版社,2003.[11]夏德鈐,翁貽方.自動控制理論[M].第三版.北京:機械工業出版社,2007.

第五篇：畢業設計開題報告_四軸碼垛機器人控制系統設計（模版）

幻燈片1

畢業設計開題報告

——四自由度碼垛機器人控制系統設計

幻燈片2

四自由度碼垛機器人控制系統設計

? 背景

? 國內外發展現狀及趨勢 ? 控制系統

? 具體實現細節與技術要點 ? 實踐安排 ? 總結

幻燈片3 背景介紹

? 自從20世紀60年代初人類制造出第一臺工業機器人后，機器人就顯示出了強大的生命力。機器人的發展及應用水平已經成為了衡量一個國家制造水平和科技發展水平的重要標志。? 作為工業機器人的典型的一種，碼垛機器人在工業應用，尤其是包裝領域和物流領域正發揮著越來越大的作用。將機器人與包裝線相結合，既提高了生產線的工作效率，又增強了運行的可靠性，減少了人力資源的開支，更讓當代企業迅速適應不斷變化的市場要求，產生巨大的經濟效益。

幻燈片4 背景介紹

碼垛機器人能適應于紙箱、袋裝、罐裝、箱體、瓶裝等各種形狀的包裝成品碼垛作業。

1.從效率上說，碼垛機器人不僅能承擔高負重，而且速度和質量遠遠高于人工。

2.從精度上看，每一臺碼垛機器人都有獨立的控制系統，極大地保證了作業精度。

3.在成本控制方面，機器人雖然前期投入較高，但是卻能達到邊際成本效用最大化，且各家機器人都在為客戶的成本控制而在產品中不斷加入新的科技成果。

幻燈片5

四自由度碼垛機器人控制系統設計 ? 背景

? 國內外發展現狀及趨勢 ? 控制系統

? 具體實現細節與技術要點 ? 實踐安排 ? 總結

幻燈片6 國內外發展現狀及趨勢

? 目前歐、美、日的碼垛機器人在碼垛市場的占有率均超過了90％，絕大數碼垛作業由碼垛機器人完成。并且基本壟斷了全球市場。? 我國的工業機器人從上世紀80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家支持下，通過“七五”“八五”“九五”科技攻關，取得了長足的進步，涌現出了一大批代表企業和產品，國外碼垛機器人在我國市場一統天下的局面正在被打破。

?

幻燈片7 國內外發展現狀及趨勢 ? 但總的看來，我國的碼垛機器人技術及其應用水平和國外相比還有很大差距，如可靠性低于國外同類產品，起步較晚，運動速度和精度還有很大提升空間。生產線技術水平與國外相比仍有差距。和全球市場相比，碼垛機器人應用規模仍然很小，還未發展成專門的產業。并且當前我國的碼垛機器人生產品種規格多，批量小，零部件通用化程度低，供貨周期長、成本高，可靠性和穩定性不足。? 因此迫切需要對碼垛機器人及其相關物流、包裝自動化等產業進行全面規劃，整合資源優勢，積極推進產業化進程。同時立足實際，完善碼垛機器人相關的產品、系統及結構，努力提高我國的機器人發展水平。

幻燈片8

四自由度碼垛機器人控制系統設計 ? 背景

? 國內外發展現狀及趨勢 ? 控制系統

? 具體實現細節與技術要點 ? 實踐安排 ? 總結

幻燈片9 碼垛機器人控制系統 ? 機器人機械結構 ? 硬件控制系統 ? 抓手設計

? 軟件控制系統

幻燈片10

機器人機械結構

該機器人由四個關節組成，實現四個運動：

腰座旋轉（X軸）

水平前后運動（Y軸）

垂直上下運動（Z軸）

腕部回轉運動（U軸）

這4種運動全部由交流伺服電機驅動，可以滿足讀懂大慣性負載和快速精確定位的要求，可根據實際要求設計腕部抓手

幻燈片11 碼垛機器人控制系統

? 機器人機械結構 ? 硬件控制系統 ? 抓手設計

? 軟件控制系統

幻燈片12

硬件控制結構

系統采用模塊化設計、分布式控制結構

上位機為普通工控機，用于系統監控與作業管理，包括示教盒控制、坐標計算、顯示控制、I/O控制、機器人語言編譯、計算軌跡、發出運動命令、接收檢測返回值、判斷執行狀況和環境狀態。實現對個關節點的協調控制

下位機采用DSP控制器和PLC可編程邏輯控制器

DSP控制器即圖中PMAC運動控制卡，主要執行實時運動學計算、軌跡規劃、插補運算、伺服控制等，不斷讀取編碼器脈沖量與實時位置，并與給定比較，進行PID調節。PLC主要用于外圍設備控制，如機器人手爪氣動吸盤、設備監控等

伺服部分通過插補運算得到各部分坐標值，按一定原則，形成控制電機的電流指令值。

該過程對當前各關節角度值和角速度值檢測，用軟件與給定值相比較，對偏差進行PID調節，實現對各關節的控制

碼垛機器人控制系統 機器人機械結構

硬件控制系統

抓手設計

軟件控制系統

抓手設計

根據碼垛物品的不同，安裝相應的抓手實現抓取

主要完成以下動作： 待機—取箱—移箱—碼垛—復位

系統軟件設計

開放式通用機器人控制系統的軟件應在標準語言環境下開發，以實現可移植性、易修改、提供標準接口等，故應采用模塊化的工程設計方法

與硬件相對應，軟件也分為上下兩層，各模塊之間相互獨立，調用簡單。

為適應變化的對象，必須使伺服系統具有某種柔性，通過軟件實現，稱為軟伺服

示教盒軟件設計

示教盒與上位機通過串口進行通訊，將接收到的控制指令判斷類型，調用相應的控制電機子程序，實現對各軸參數的修改、運動方式控制和示教位置信息的存儲

四自由度碼垛機器人控制系統設計

背景

國內外發展現狀及趨勢

控制系統

具體實現細節與技術要點

實踐安排

總結

具體實現細節與技術要點

機器人機械結構合理性設計與分析

控制結構整體設計

綜合布線設計與連接

軟件設計

現場調試

實踐與進度安排..調研階段

其任務是對碼垛機器人系統及實現目標進行深入和全面的了解，分析需求的性質與特點，分析解決問題的途徑及技術關鍵，并對獲取的信息進行加工和整理。調查的方法主要有查閱文獻和考察現場等。

實踐安排在寒假放假之前。..開題

做畢業設計開題報告，對整個畢業設計階段進行任務規劃，明確完成目標及所要做的工作。時間集中在開學期一周。..具體技術環節實施

包括系統相關知識學習，系統結構設計，軟件設計，現場實施及調試等。該環節會一直持續到論文答辯前。其中會在第8周進行中期進度檢查，進行相關總結，明確下一步工作方向與安排。..畢業論文寫作

整理相關文獻資料，明確論文寫作內容與格式要求，進行畢業論文的撰寫，進行論文細節的修改，對論文打印裝訂等..時間安排在論文答辯前四周。..論文答辯

認真準備相關材料，準備答辯。對老師提出的相關問題進行回答。

時間安排在實習階段最后一周總結

碼垛機器人具有優良的工作特性，能夠滿足多行業的搬運碼垛需求，具有廣闊的市場前景。進行相關課題的研究，更能促進產學研結合，促進經濟發展與工業產業進步，進一步落實服務山東，服務全國的理念。

通過這一階段的實習設計達到以下目的：

進一步鞏固加深對所學的基礎理論、基本技能和專業知識的掌握，使之系統化、綜合化。

獲得從事科研工作的初步訓練，培養自身的獨立工作、獨立思考和綜合運用已學知識解決實際問題的能力，尤其是獨立獲取新知識的能力。

培養設計計算、工程繪圖、實驗方法、數據處理、文件編輯、文字表達、文獻查閱、計算機應用、工具書使用等基本工作實踐能力，使學生初步掌握科學研究的基本方法。樹立具有符合國情和生產實際的正確設計思想和觀點；樹立嚴謹、負責、實事求是、刻苦鉆研、勇于探索、具有創新意識、善于與他人合作的工作作風。

對碼垛機器人的原理與應用有一個更加深刻和清醒的認識，對相關行業有一個初步了解，對系統設計理念進一步加深。