南郵測(cè)控綜合實(shí)驗(yàn)第五次實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、南京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱：直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)課程名稱：測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)所在專業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器學(xué)生姓名：林若愚班級(jí)學(xué)號(hào)：B12050518任課教師：戎舟實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：42014/2015學(xué)年第二學(xué)期實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：教5-214摘要：本實(shí)驗(yàn)主要是以光電傳感器為核心的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。主要是通過對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)測(cè)量模塊的研究及其核心控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)主要包括硬件裝置和控制軟件兩部分。介紹了直流電機(jī)調(diào)速的相關(guān)知識(shí)，及PID調(diào)整的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法。采用的電子元器件簡(jiǎn)單普遍，線路連接簡(jiǎn)單，安裝調(diào)試容易，測(cè)量結(jié)果精確，具有較高的實(shí)用價(jià)值。簡(jiǎn)單實(shí)用，很方便，實(shí)用價(jià)值高。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)?/p>

2、的1、理解所用傳感器的工作原理，掌握傳感器的使用；2、掌握直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)試和控制電路的設(shè)計(jì)；3、掌握計(jì)算機(jī)測(cè)控的原理和方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基于ELVIS平臺(tái)設(shè)計(jì)電機(jī)速度測(cè)試電路，設(shè)定預(yù)計(jì)轉(zhuǎn)速，根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制算法，完成對(duì)馬達(dá)速度的閉環(huán)控制。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備(1)計(jì)算機(jī)1臺(tái)(2) ELVIS數(shù)據(jù)采集平臺(tái)1臺(tái)(3) EE-SX672研電傳感器模塊1個(gè)(4) 5V直流電機(jī)1個(gè)四、實(shí)驗(yàn)硬件原理1. 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)包括電機(jī)模塊、EE-SX672A光電傳感器模塊、NIELVIS平臺(tái)和計(jì)算機(jī)。由傳感器模塊、電機(jī)上的轉(zhuǎn)盤和數(shù)據(jù)采集卡對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)試，在計(jì)算機(jī)中由程序

3、計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速后采用PID算法得到對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的輸出直流電壓。(1)直流電機(jī)：電機(jī)是使機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的硬件，直流電機(jī)就是把直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。作為機(jī)電執(zhí)行元部件，直流電機(jī)內(nèi)部有一個(gè)閉合的主磁路。主磁通在主磁路中流動(dòng)，同時(shí)與兩個(gè)電路交聯(lián)，其中一個(gè)電路是用以產(chǎn)生磁通的，稱為激磁電路，另外一個(gè)是用來傳遞功率，稱為功率回路或者電樞回路?，F(xiàn)行的直流電動(dòng)機(jī)都是旋轉(zhuǎn)電樞式，也就是說激磁繞組及其所包圍的鐵芯組成的磁極為定子，帶換向單元的電樞繞組和電樞鐵芯結(jié)合構(gòu)成直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子。（2）光電傳感器光電傳感器一般由發(fā)送器、接收器和檢測(cè)電路三部分組成。發(fā)送器一般為半導(dǎo)體光源、發(fā)光二極管（LED、激光二極管

4、或及紅外發(fā)射二極管，對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，光束連續(xù)發(fā)射，或以脈沖方式發(fā)射，脈沖寬度可調(diào)。在接收器的前面，要裝有光學(xué)元件如光圈和透鏡等。接收器一般由光電二極管、光電三極管或光電池組成。接收器接收信號(hào)后通過檢測(cè)電路輸出有效信號(hào)。光電傳感器有凹槽形光電傳感器、對(duì)射型光電傳感器、反光型光電開關(guān)和擴(kuò)散反射型光電開關(guān)等幾種類型。以凹槽型光電傳感器為例，凹槽型光電傳感器把一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)接收器面對(duì)面地裝在一個(gè)槽的兩側(cè)。發(fā)光器能發(fā)出紅外線和可見光，在無阻的情況下光接收器能收到光。但當(dāng)被檢測(cè)物體從槽中通過時(shí)，光被遮擋，光電開關(guān)便動(dòng)作。輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)，切斷或接通負(fù)載電流，從而完成一個(gè)控制動(dòng)作，產(chǎn)生一個(gè)脈沖。采

5、用光電傳感器對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)試，將電機(jī)轉(zhuǎn)盤插入到光電傳感器內(nèi)部，當(dāng)光線可以穿透轉(zhuǎn)盤時(shí)，傳感器上的紅燈不亮，輸出的是高電平；當(dāng)光線不可以穿透轉(zhuǎn)盤時(shí)，傳感器上的紅燈亮起，輸出的是低電平。所以當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)盤在傳感器內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出的是脈沖信號(hào)，測(cè)出脈沖信號(hào)的頻率，繼而可以求得轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。和平臺(tái)連接時(shí)，采用NIELVIS平臺(tái)的可調(diào)直流電源作為直流電機(jī)的輸入，傳感器的輸出脈沖信號(hào)，送至ELVIS平臺(tái)上的計(jì)數(shù)器進(jìn)行測(cè)頻。2. 電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量ELVIS平臺(tái)的計(jì)數(shù)器由四個(gè)部分組成：Countregister計(jì)數(shù)寄存器，該寄存器用來存儲(chǔ)當(dāng)前的計(jì)數(shù)值。它的存儲(chǔ)范圍跟計(jì)數(shù)器的分辨率有關(guān)，對(duì)于PXI-6259來

6、說，計(jì)數(shù)器的分辨率是32bit，所以寄存器的計(jì)數(shù)范圍是02A32-1,到達(dá)最大值后，又從0開始計(jì)數(shù)。Source一被計(jì)數(shù)的信號(hào)從source端引入。Gate確定計(jì)數(shù)是否啟動(dòng)的門控信號(hào)。Output一用于輸出單個(gè)脈沖或脈沖序列計(jì)數(shù)器通常被應(yīng)用在以下任務(wù)中：對(duì)數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)行邊沿計(jì)數(shù);生成單個(gè)數(shù)字脈沖或脈沖序列;對(duì)脈沖的高低電平寬度、周期、頻率等特性進(jìn)行測(cè)量;對(duì)編碼器返回的旋轉(zhuǎn)角度、線性位置等信息進(jìn)行測(cè)量。圖1計(jì)數(shù)器相關(guān)范例程序的位置(1)邊沿計(jì)數(shù)在邊沿計(jì)數(shù)應(yīng)用中，物理連接上只需將待計(jì)數(shù)的信號(hào)連入Source端即可。程序中可以設(shè)定為對(duì)信號(hào)的上升沿或是下降沿辿行計(jì)數(shù)。如果待計(jì)數(shù)的信號(hào)源是頻率已知的標(biāo)

7、準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)，我們還可以將計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換為時(shí)間值從而實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間的精確測(cè)量。如圖5-2所示。物理連線做法：在MAX中鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊6259,得到它的引腳定義圖。由于我們準(zhǔn)備使用6259中的計(jì)數(shù)器0,它的Source端為37pin,PFI8弓唧。所以，我們利用BNC-2120上的波形發(fā)生器生成TTL脈沖，并將它與PFI8引腳相連。接下來，看一下范例程序”簡(jiǎn)單邊沿計(jì)數(shù).vi"。計(jì)數(shù)器通道選擇6259/ctr0設(shè)置計(jì)數(shù)方向（向上遞增還是向下減?。?，待計(jì)數(shù)的脈沖邊沿（對(duì)上升沿計(jì)數(shù)還是下降沿計(jì)數(shù)），開始計(jì)數(shù)值（一般設(shè)為0）,然后運(yùn)行程序即可。圖2邊沿計(jì)數(shù)原理圖有時(shí)在計(jì)數(shù)應(yīng)用中會(huì)增加一個(gè)門控信號(hào)，當(dāng)門控信

8、號(hào)有效時(shí)，才對(duì)脈沖邊沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，門控信號(hào)無效，則計(jì)數(shù)不改變。參考范例“門控邊沿計(jì)數(shù).vi”：它使用了“DAd蟲發(fā)”屬性節(jié)點(diǎn)，如圖5-3所示。在該屬性節(jié)點(diǎn)中設(shè)置門控信號(hào)的輸入引腳（演示程序中為6259/PFI1）,以及停止計(jì)數(shù)的門控信號(hào)狀態(tài)（演示程序中為高電平）。經(jīng)過這樣的配置后，當(dāng)PFI引腳上的信號(hào)為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器0正常計(jì)數(shù)；如果PFI引腳上的信號(hào)為高電平，則計(jì)數(shù)器暫停計(jì)數(shù)。圖3門控邊沿計(jì)數(shù)通過屬性節(jié)點(diǎn)設(shè)置(2)脈沖生成計(jì)數(shù)器生成單個(gè)數(shù)字脈沖和脈沖序列，并且可以通過軟件設(shè)置脈沖的頻率和占空比。在物理連接上，輸入端不需要任何連線，DAQm居區(qū)動(dòng)底層會(huì)選擇計(jì)數(shù)器中適合的時(shí)基信號(hào)做為Source端

9、的輸入。對(duì)于6259來說，它的內(nèi)部有三個(gè)時(shí)基信號(hào)，頻率分別為80M、20M和100kHz,計(jì)數(shù)器會(huì)自動(dòng)對(duì)這些時(shí)基信號(hào)辿行分頻處理，從而得到指定頻率的脈沖序列，并通過OUT端輸出。如圖5-4所示圖4 脈沖生成原理圖圖7周期/半周期測(cè)量原理圖在程序設(shè)計(jì)上，參考范例”連續(xù)脈沖生成.vi”。程序中，DAQmU建通道多態(tài)VI選擇“計(jì)數(shù)器輸出脈沖生成頻率”，并設(shè)置輸出脈沖的頻率和占空比，DAQmX寸鐘VI選擇“隱式計(jì)數(shù)器”模式。運(yùn)行程序，將計(jì)數(shù)器0的OUT端輸入的信號(hào)接入數(shù)字線p0.7,通過MAX中的測(cè)試面板觀察輸出脈沖序列的狀態(tài)。(3)脈沖測(cè)量脈沖測(cè)量又可以細(xì)分為脈沖寬度測(cè)量、周期半周期測(cè)量、以及頻率測(cè)

10、量。脈沖測(cè)量是使用已知頻率的時(shí)基信號(hào)對(duì)未知信號(hào)辿行測(cè)量，在物理連接上，頻率較高的時(shí)基信號(hào)接入Source端，而頻率較低的待測(cè)信號(hào)接入Gate端。如圖5-5所示。區(qū)eu案口曬率Miirr星伯母對(duì)土分佰耳t超心戒至西甲_rnr1a Source；4-題切nnnnnnnn1 .脈沖寬度測(cè)量首先來看脈沖寬度測(cè)量，它的原理是將待測(cè)脈沖的高電平或低電平置為有效的門控信號(hào)，在這段時(shí)間內(nèi)對(duì)Source端的時(shí)基信號(hào)辿行計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)值乘以時(shí)基信號(hào)的周期，就得到Gate端信號(hào)的脈沖寬度。如圖5-6所示Gate脈沖寬度=計(jì)數(shù)值x時(shí)基信號(hào)周期Armed hYesGateSourceArmed YesfNo-GateSo

11、urceCount圖6脈沖寬度測(cè)量原理圖程序設(shè)計(jì)上，參考范例”脈沖寬度測(cè)量.vi”。對(duì)于DAQmx創(chuàng)建通道多態(tài)VI,選擇“計(jì)數(shù)器輸入脈沖寬度”，同時(shí)需要設(shè)置開始邊沿，如果選擇上升沿，則對(duì)脈沖的高電平寬度辿行測(cè)量，如果選擇下降沿，則對(duì)低電平寬度辿行測(cè)量。同時(shí)，如果知道待測(cè)脈沖寬度的大致范圍，還可以設(shè)置一個(gè)最小和最大閾值，驅(qū)動(dòng)底層會(huì)根據(jù)這個(gè)值去自動(dòng)選擇合適的時(shí)基信號(hào)辿行更為精確的測(cè)量（范例設(shè)置下，驅(qū)動(dòng)將選擇6259的20M時(shí)基信號(hào)做為Source端的輸入信號(hào)）。2 .周期/半周期測(cè)量周期/半周期測(cè)量與脈沖寬度測(cè)量的物理連接和基本原理其實(shí)是一樣的。尤其半周期測(cè)量，它返回的是數(shù)字信號(hào)兩次狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)間

12、問隔，本質(zhì)就是脈沖寬度測(cè)量。如圖5-7所示。GEa脈沖周期半周期:二計(jì)數(shù)值x時(shí)基信號(hào)周期它們?cè)诔绦蛟O(shè)計(jì)上也非常相似，參考范例”周期測(cè)量.vi”“半周期測(cè)量.vi主要的區(qū)別就是“DAQm袍I建通道”多態(tài)VI的選擇不同。物理連接上只需要將待測(cè)信號(hào)連入計(jì)數(shù)器的Gate端，其余的工作LabVIEW程序和DAQmx驅(qū)動(dòng)會(huì)自動(dòng)完成，非常方便。運(yùn)行程序，得到周期和半周期數(shù)值，跟前面脈沖寬度測(cè)量的結(jié)果對(duì)比，說明測(cè)量值是準(zhǔn)確的。3 .頻率測(cè)量頻率測(cè)量有三種方法：周期取反法、平均法和分頻法。它們的適用情況不同，以下分別介紹。(1)周期取反法首先是周期取反法，它的原理和物理連接跟上期節(jié)目中介紹的脈沖周期測(cè)量是相同的

13、。即將內(nèi)部時(shí)基信號(hào)或已知頻率的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)接入Source端，將待測(cè)信號(hào)接入Gate端。待測(cè)信號(hào)周期等于計(jì)數(shù)值乘以Source端信號(hào)周期。對(duì)周期取倒數(shù)，就得到待測(cè)信號(hào)的頻率。如圖5-8所示。怦則信號(hào)周期二計(jì)數(shù)值X時(shí)基信號(hào)周期GateSourcePros領(lǐng)率=1/周期>unt旗使用1個(gè)計(jì)數(shù)器軍當(dāng)于餞頻信號(hào)(/tmebase/tOO) dAJAA h mu可鹿產(chǎn)生物哂的I IV + - dbb圖8周期取反測(cè)頻率原理圖程序參考范例”頻率測(cè)量_1Ctr.vi"。跟周期測(cè)量的程序非常類似，唯一的區(qū)別就是將“DAQmXM建通道”多態(tài)VI設(shè)置為“計(jì)數(shù)器輸入頻率”。并且設(shè)置待測(cè)頻率的范圍，以便驅(qū)動(dòng)

14、底層去自動(dòng)選擇適合的內(nèi)部時(shí)基信號(hào)做為Source信號(hào)。周期取反這種測(cè)量方法的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單，且僅使用一個(gè)計(jì)數(shù)器，它適用于低頻信號(hào)的測(cè)量，即待測(cè)信號(hào)頻率應(yīng)該低于Source端時(shí)基信號(hào)頻率的百分一。如果待測(cè)信號(hào)頻率較高，將產(chǎn)生較大的同步誤差，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。在時(shí)基信號(hào)已定的情班下，待測(cè)信號(hào)頻率越高，越接近時(shí)基信號(hào)頻率，產(chǎn)生的測(cè)量誤差將越大。如圖5-9所示，如果時(shí)基信號(hào)頻率為20M,待測(cè)信號(hào)頻率為50k,則在Gate信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，應(yīng)該得到的時(shí)基信號(hào)脈沖計(jì)數(shù)值為400。但由于同步誤差的存在會(huì)產(chǎn)生+-1的計(jì)數(shù)偏差，所以實(shí)際得到的測(cè)量值為49.88k或50.13k。誤差相對(duì)比較小。但如果待測(cè)信號(hào)頻率為

15、5M,則在Gate信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，應(yīng)該得到的時(shí)基信號(hào)脈沖計(jì)數(shù)值為4,此時(shí)+-1的計(jì)數(shù)偏差將產(chǎn)生很大的誤差，實(shí)際測(cè)量的頻率值將為4M或6.67M。所以這種情班下，我們需要考慮使用另外的方法來辿行頻率測(cè)量。時(shí)基信號(hào)頻率為20MHzActualFrequencyNum*cfSOnsCyclesPleasure"TeT：Errorof+1Cyc：erJeasure'TeniErrorol-1C)xleFrequencyw;thErrorof+1CycleFrequencywithErrorof-1Cycle50kHz40：401399149,5850,13kHz5MH：4534MH

16、Z567kHz圖9同步誤差對(duì)比分析(2)平均法第一種適用于高頻信號(hào)測(cè)量的方法叫平均法。根據(jù)同步誤差產(chǎn)生的原理，在Gate信號(hào)有效的時(shí)間內(nèi)，Source信號(hào)的脈沖數(shù)量越多，同步誤差就越小。平均法就是根據(jù)這樣的原理，如圖5-10所示。在Source端信號(hào)頻率已定的情班下，延長(zhǎng)Gate端的有效時(shí)間來提高測(cè)量精度。與周期取反法不同的是，平均法需要2個(gè)計(jì)數(shù)器，將頻率較高的待測(cè)信號(hào)接入其中一個(gè)計(jì)數(shù)器的Source端,然后用另一個(gè)計(jì)數(shù)器，通過內(nèi)部時(shí)基信號(hào)生成指定時(shí)間長(zhǎng)度的Gate信號(hào)。物理連接上，我們只需將待測(cè)信號(hào)接入其中一個(gè)計(jì)數(shù)器的Source端，在程序中，這個(gè)計(jì)數(shù)器也就是我們應(yīng)該選擇的計(jì)數(shù)器通道。其它的

17、配置和物理連接，DAQm嗎區(qū)動(dòng)會(huì)自動(dòng)幫我們完成。HL-RLJ-1CTR 0：曬出指定時(shí)同光支CTR 1:煩率雙亙巨；則信號(hào)內(nèi)部rT3二得測(cè)信號(hào)頻率=計(jì)戮值/計(jì)數(shù)討回圖10 平均法測(cè)頻率原理圖GATESOURCE程序參考范例”頻率測(cè)量_2Ctr_一段時(shí)間內(nèi).vi”“DAQm袍I建通道”多態(tài)VI選擇“計(jì)數(shù)。器輸入頻率”，由于使用了兩個(gè)計(jì)數(shù)器，所以測(cè)量方法接線端選擇“HighFrequencywith2Counters”。但在“計(jì)數(shù)器”通道接線端，只需選擇Source端與待測(cè)信號(hào)相連的那一個(gè)計(jì)數(shù)器，另一個(gè)計(jì)數(shù)器驅(qū)動(dòng)會(huì)自動(dòng)地幫我們選擇。同時(shí)，需要指定測(cè)量時(shí)間。DAQm定時(shí)VI選擇隱式，表示采樣率由待測(cè)

18、信號(hào)本身的頻率決定。(3)分頻法另一種適用于高頻信號(hào)測(cè)量的方法叫分頻法。在周期取反法中，當(dāng)待測(cè)信號(hào)，也就是Gate端信號(hào)頻率接近Source端的時(shí)基信號(hào)頻率時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的同步誤差。所以分頻法中，先將待測(cè)信號(hào)做分頻處理，降低它的頻率，以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，然后將得到的頻率值乘以分頻系數(shù)，就可以還原出待測(cè)信號(hào)的真實(shí)頻率。所以，分頻法也需要使用2個(gè)計(jì)數(shù)器才能實(shí)現(xiàn)。物理連接上，同樣只需將待測(cè)信號(hào)接入一個(gè)計(jì)數(shù)器的Source端即可。其它的連接，驅(qū)動(dòng)會(huì)自動(dòng)幫我們完成。如圖5-11所示。Gmg信號(hào)頓率二時(shí)莖頻率/計(jì)數(shù)值待測(cè)信號(hào)頻率=Gate信號(hào)頻率X分頻不數(shù)CTR 0：對(duì)待越信號(hào)做分頻CTR 1：頻率測(cè)

19、量GateCTR1Source待測(cè)節(jié)：號(hào)程序參考范例”頻率測(cè)量_2Ctr_分頻.vi"?！癉AQm痢J建通道”多態(tài)VI同樣選擇“計(jì)數(shù)器輸入頻率”，測(cè)量方法選擇“LargeRangewith2Counters”。設(shè)置待測(cè)頻率的范圍，以便DAQmx選擇合適的時(shí)基信號(hào)。設(shè)置分頻系數(shù)，使得待測(cè)信號(hào)分頻后的頻率低于時(shí)基信號(hào)頻率的百分之一。具體針對(duì)實(shí)驗(yàn)要求，采用合適的測(cè)頻方法，測(cè)試直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。(5) PID轉(zhuǎn)速控制PID是當(dāng)前工業(yè)控制中應(yīng)用最廣泛的算法。被控制的系數(shù)參數(shù)叫做過程變量(ProcessVarable,PV),被控制的過程變量指定的理想值叫做設(shè)定點(diǎn)(SetPoint,SP)。PID控制器確定一個(gè)對(duì)被控系統(tǒng)的輸出量，驅(qū)動(dòng)過程變量接近設(shè)定點(diǎn)。具體原理參考自控原理教材?？刂浦绷麟姍C(jī)的轉(zhuǎn)速就是控制直流電機(jī)的電壓。直流電機(jī)的輸入電壓與轉(zhuǎn)速應(yīng)該成正比關(guān)系，在實(shí)驗(yàn)過程中，選擇05V之間不同的直流電壓輸入待直流電機(jī)，測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，擬合得到輸入和輸出的關(guān)系式。得到上述關(guān)系后,可根據(jù)將PID的輸出增量轉(zhuǎn)換成電壓增量值，調(diào)節(jié)ELVIS的直流