整理NEW基于LabVIEW的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量與控制虛擬儀器設(shè)計(jì)

1、精品文檔廣州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書基于LabVIEW的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量與控制虛擬儀器設(shè)計(jì)機(jī)械與電氣工程學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師基于 LabVIEW 的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量與控制虛擬儀器設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 專業(yè)指導(dǎo)老師摘要 本文先簡(jiǎn)述電機(jī)測(cè)速與控制的意義以及國內(nèi)外的電機(jī)發(fā)展概況，然后介紹傳 感器測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的相關(guān)方法以及幾種常用的轉(zhuǎn)速控制方法。 基于 LabVIEW 平臺(tái)和PID 控制NI 公司的 USB6008 采集卡，通過光電傳感器將采集到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)， 再經(jīng)過對(duì)脈沖信號(hào)的周期測(cè)量及數(shù)學(xué)運(yùn)算，從而得出電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。在調(diào)節(jié)電機(jī) 轉(zhuǎn)速方面，主要是通過調(diào)節(jié)電機(jī)電樞的電

2、壓，達(dá)到調(diào)速的效果，同時(shí)使用 理論，讓轉(zhuǎn)速能夠在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到用戶的需求。關(guān)鍵詞 LabVIEW ；轉(zhuǎn)速測(cè)量；電機(jī)控制； PID 控制ABSTRACT The thesis firstly outlines the significance of motor speed' s measurement and control as well as the development of motor at home and abroad.Besides, the related methods of sensor measuring motor speed and the other comm

3、only used methods are also introduced. Based on LabVIEW platform, the voltage signal collected by NI USB6008 capture card and photoelectric sensor can be transformed into the pulse one. And then, after the periodic measurement and mathematical calculation of the pulse signal, the real-time motor spe

4、ed can be worked out. As for the regulation of motor speed, the effect of speed control can be achieved mainly by adjusting the voltage of motor armature. At the same time, the speed can meet the demand of users in a short period of time in accordance with the PID control theory.KEY WORDS LabVIEW ；

5、Motor speed measuremen；t Motor control ；PID control精品文檔目錄1前 言1.1選題目的和意義1.2國內(nèi)外微電機(jī)發(fā)展概況1.2.1 我國微電機(jī)行業(yè)現(xiàn)狀1.2.2 國外微電機(jī)行業(yè)現(xiàn)狀1.3電機(jī)控制相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀1.4本課題設(shè)計(jì)要求2. 電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量與控制技術(shù)2.1常見的幾種測(cè)速轉(zhuǎn)速方法2.2霍爾效應(yīng)傳感器測(cè)速2.2.1 霍爾效應(yīng)原理2.2.2 霍爾傳感器使用原理2.3光電傳感器測(cè)速2.4本課題使用的測(cè)速方法2.5常見的電機(jī)種類2.6微特電機(jī)簡(jiǎn)介2.6.1 伺服電動(dòng)機(jī)122.6.2 測(cè)速發(fā)電機(jī)122.6.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)2.7本課題使用的電機(jī)132.

6、8電機(jī)轉(zhuǎn)速控制理論152.8.1 PID 控制理論152.8.2 其他控制理論173. 虛擬儀器的概述193.1 虛擬儀器的簡(jiǎn)介193.2 虛擬儀器的特點(diǎn)193.3 虛擬儀器的組成204. 轉(zhuǎn)速測(cè)量與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)205. 改進(jìn)方案5.15.34.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)思 214.2測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 214.2.1 光電傳感器 TLP-850. 224.2.2 數(shù)據(jù)采集卡 USB-6008 244.2.3 模擬輸入端口 264.2.4 模擬輸出端口 264.2.5 硬件設(shè)備的搭建 274.3測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 274.3.1 數(shù)據(jù)采集程序 284.3.2 數(shù)據(jù)測(cè)量程序 304.3.3 數(shù)據(jù)運(yùn)算程序 3

7、14.3.4 PID 控制程序 324.3.5 數(shù)據(jù)輸出程序 354.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 364.4.1 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果 364.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 37395.1.1 設(shè)計(jì)構(gòu)思 395.1.2 測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 395.1.3 測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 405.1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 40方案二 415.2.1 設(shè)計(jì)構(gòu)思 425.2.2 測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 425.2.3 測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 425.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 42方案一395.2方案三43445.3.1 設(shè)計(jì)構(gòu)思5.3.2 測(cè)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)445.3.3 測(cè)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)44445.3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析6. 結(jié)論44致謝47參考

8、文獻(xiàn)48附件 1 程序前面板49附件 2 程序后面板501 .前言1.1選題目的和意義電動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)，使電力代替蒸汽這種動(dòng)力成為了新能源，同時(shí)也促進(jìn)了第二次 工業(yè)革命的推進(jìn)。時(shí)至今日，大至生產(chǎn)行業(yè)的冶煉生產(chǎn)，小至生活用品的電工牙刷, 都離不開電機(jī)的使用。其中與我們的生活密切相關(guān)的電機(jī)應(yīng)該要算微特電機(jī)了，因 為在汽車電裝、音響影像、光學(xué)精密、家電等其他的領(lǐng)域，都會(huì)找到微型電機(jī)的身 影（如圖1-1所示）。好比家用電吹風(fēng)里的電機(jī)，要實(shí)現(xiàn)檔位的轉(zhuǎn)換，也就是要實(shí)現(xiàn) 對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)速；倘若是運(yùn)用在醫(yī)療設(shè)備中的電機(jī)，那么對(duì)電機(jī)的調(diào)速要求 則更加嚴(yán)格，因?yàn)槿绻姍C(jī)在調(diào)速過程中發(fā)生了過大的誤差，其后果是不堪設(shè)

9、想的。因此如何能快速精確調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速具有一定的研究意義。同時(shí)在一些大型設(shè)備中,將電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)解在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，也能起到節(jié)省能源，提高效率的效果。二 m蘭 JH:<»£(fl/圖1-1微型電機(jī)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用1.2 國內(nèi)外微電機(jī)發(fā)展概況1.2.1 我國微電機(jī)行業(yè)現(xiàn)狀自改革開放以來，我國對(duì)微型電機(jī)的需求日益遞增。過往曾經(jīng)大批量、大規(guī)模生產(chǎn)傳統(tǒng)規(guī)格的微型電機(jī)，其中有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，我國微特電機(jī)的生產(chǎn)量約為40 億 臺(tái)，占全世界的總產(chǎn)量的 59%?，F(xiàn)今用戶對(duì)電機(jī)的性能要求也不斷地提高，但是國內(nèi)對(duì)技術(shù)含量高的微特電機(jī)仍然沒有具備大規(guī)模生產(chǎn)產(chǎn)品的能力。1.2.2 國外微電機(jī)行業(yè)現(xiàn)

10、狀與國內(nèi)微電機(jī)的發(fā)展情況相比，國外的微電機(jī)正在向質(zhì)量好、厚度薄、噪聲小、 效率高等性能方面進(jìn)行了大量的研發(fā)工作。尤其日本在該方面一直處于領(lǐng)先的地位， 在 IT 產(chǎn)品領(lǐng)域的微電機(jī)， NIDEC 、JVC、PANASONIC、SAMSUNG 這四家國際企 業(yè)更是用了世界電子市場(chǎng)的 75%。其中全球最大的微電機(jī)制造廠商日本 Mabuchi 公 司，在我國各省也設(shè)有生產(chǎn)車間。1.3 電機(jī)控制相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀目前，在生產(chǎn)中，大多數(shù)的工廠對(duì)電機(jī)的控制所用的技術(shù)為異步電動(dòng)機(jī)的矢量 控制技術(shù)，更為先進(jìn)的是無傳感器的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)。伴隨著測(cè)控技術(shù)的不斷成 熟以及傳感器的測(cè)量精度范圍不斷提高，電機(jī)控制技術(shù)也上升

11、到了一個(gè)新的臺(tái)階。在往后的電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展中，對(duì)交流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制將是研發(fā)的重點(diǎn)。結(jié)合當(dāng) 前的數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及傳感器測(cè)量技術(shù)的發(fā)展情況，對(duì)解決異步電動(dòng)機(jī)非線性解藕 控制和參數(shù)選擇性問題有很大的幫助。1.4 本課題設(shè)計(jì)要求1. 設(shè)計(jì)一套電機(jī)測(cè)速的硬件系統(tǒng)2. 采用 LabVIEW 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)相關(guān)的軟件部分，要求能夠通過數(shù)值或圖形實(shí)時(shí) 顯示轉(zhuǎn)速的變化，用戶需求值。3. 掌握和運(yùn)用 PID 控制理論。4. 熟悉數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入、模擬輸出、計(jì)數(shù)器等功能的用法。5. 利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件進(jìn)行一定的模擬試驗(yàn)。2. 電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量與控制技術(shù)2.1常見的幾種測(cè)速轉(zhuǎn)速方法測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法一般分成兩種：一種是直

12、接法，也就是直接測(cè)出電機(jī)在固定的 時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)來得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速；另一種則是間接法，簡(jiǎn)單來說，就是電機(jī)主 軸在轉(zhuǎn)動(dòng)的每一瞬間，都會(huì)引起了另一種物理量也在變化，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速與該物理 量有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，那么通過測(cè)量其物理量的變化，從而換算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由 于要將電機(jī)的轉(zhuǎn)速與其他物理量建立一定的關(guān)系，所以這就涉及到傳感器的應(yīng)用。目前一般常用的電機(jī)測(cè)速方法有霍爾效應(yīng)傳感器測(cè)速、光電傳感器測(cè)速、轉(zhuǎn)矩測(cè)速、 離心式測(cè)速、磁漏測(cè)速、振動(dòng)測(cè)速等方法。2.2霍爾效應(yīng)傳感器測(cè)速2.2.1霍爾效應(yīng)原理將導(dǎo)線放在磁場(chǎng)里面，然后對(duì)導(dǎo)線通入電流，這是導(dǎo)線里流過的電子會(huì)受到一 個(gè)叫做洛倫茲力的作用力，此作用力是與電子的

13、移動(dòng)方向成垂直的角度，因此導(dǎo)線 間會(huì)形成電壓差。洛倫茲力為:(2.1)F =q(E + vXB)式中F是洛倫茲力q是帶電粒子的電荷量E是電場(chǎng)強(qiáng)度v是帶電粒子的速度B 是磁感應(yīng)強(qiáng)度。222霍爾傳感器使用原理若導(dǎo)線輸入的電流不變，變化導(dǎo)體附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生的霍爾感應(yīng)電壓也會(huì)隨之變化，那么可以依據(jù)這個(gè)原理，在電機(jī)主軸的轉(zhuǎn)盤邊緣上等距離安裝六塊永久磁鋼，如圖2-1所示。當(dāng)啟動(dòng)電機(jī)時(shí)，安裝在圓盤上的磁鋼也隨著電機(jī)主軸轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)在圓盤上的磁鋼旁邊放置一個(gè)霍爾傳感器，如圖2-2所示。圖2-1電機(jī)主軸圓盤磁鋼、圖2-2霍爾傳感器由于磁鋼間是有間隙的，因此在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，霍爾傳感器外的磁場(chǎng)也在不斷 地改變

14、，同時(shí)霍爾傳感器會(huì)因?yàn)榇艌?chǎng)的變化，在輸出端口會(huì)有脈沖信號(hào)的輸出，所 以只要測(cè)量出脈沖信號(hào)的周期或者頻率，就可以簡(jiǎn)單換算出電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。霍爾元件的連接電路如圖2-3所示。1）輸入端2）接地端 3）輸出端圖2-3霍爾元件連接電路電機(jī)轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)頻率關(guān)系:(2.2)式中 n電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)頻率2.3光電傳感器測(cè)速光電傳感器的工作原理就是光電效應(yīng)。當(dāng)光照射到物體的時(shí)候，即為光子跟物 體的能量交換過程，我們將這個(gè)過程稱之為光電效應(yīng)。每一個(gè)光子所具有的能量為 hv（V為光的頻率，h=6.62620 X 10-34J?s為普朗克常熟）。光電效應(yīng)也可以分為外光 電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏打效應(yīng)。2光電傳感

15、器是采集光信號(hào)，通過電子電路再 轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的傳感器。由于其裝置搭建簡(jiǎn)單，而且是非接觸的，不會(huì)對(duì)電機(jī)造成 損壞，因此在測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)能達(dá)到精度高、穩(wěn)定性好的效果，所以一般廣泛應(yīng)用 在各種測(cè)量轉(zhuǎn)速的系統(tǒng)中。使用時(shí)只需將電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化變換為光信號(hào)的變化。根據(jù)這個(gè)原理，先將待測(cè)轉(zhuǎn)速電機(jī)上的轉(zhuǎn)盤一半涂上反光的涂料，另一半作透光處理, 如圖2-4所示。> yr圖2-4光電效應(yīng)測(cè)速設(shè)備然后將光電耦合器架設(shè)在轉(zhuǎn)盤上。而光電耦合器是由發(fā)光器和接收器組成的，使 用方法是在光電耦合器的輸入端施加一個(gè)電壓，使得發(fā)光器發(fā)光，而實(shí)驗(yàn)室中的光 電開關(guān)為對(duì)射式紅外頭，當(dāng)轉(zhuǎn)盤不透明的一端處在開關(guān)位置的時(shí)候，輸出端會(huì)輸出

16、高電平；當(dāng)轉(zhuǎn)盤透明的一端處在開關(guān)位置的時(shí)候，輸出端會(huì)輸出低電平。光電元件 的連接電路及電子特性分別如圖2-5所示。If圖2-5光電效應(yīng)連接電路Vcc = 5VoF0UT2.4本課題使用的測(cè)速方法由于實(shí)驗(yàn)室中對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量的裝置只有霍爾效應(yīng)測(cè)速系統(tǒng)和光電效應(yīng)測(cè)速系統(tǒng)，因此本設(shè)計(jì)先采用這兩套測(cè)速設(shè)備測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的比較，選出一個(gè)使用較方便，數(shù)據(jù)采集較可靠的系統(tǒng)進(jìn)行往后的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。1.霍爾效應(yīng)傳感器使用霍爾效應(yīng)傳感器測(cè)速時(shí)，將傳感器輸出端口直接連接到NI USB-6008采集卡的計(jì)數(shù)器端口，在軟件界面能看到數(shù)字顯示控件在不斷地累加，并不能直接得出電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速

17、。查閱NI USB-6008官方說明書，發(fā)現(xiàn)該款采集卡計(jì)數(shù)器只有輸入功能，而且只有邊沿計(jì)數(shù)的功能，因此不可以直接通過采集卡對(duì)輸入的脈沖進(jìn)行運(yùn)算得出脈沖頻率，從而換算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。另外由于霍爾效應(yīng)傳感器和電機(jī)的相對(duì)位置沒有固定，在電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)讓轉(zhuǎn)盤上的磁鋼與霍爾元件發(fā)生偏移,不利于數(shù)據(jù)的穩(wěn)定采集。2.光電效應(yīng)傳感器使用光電效應(yīng)傳感器測(cè)速時(shí)，將傳感器輸出端口直接連接到NI USB-6008采集卡的AI端口，由于采集的是電壓的脈沖，通過軟件自帶的波形測(cè)量工具能夠簡(jiǎn)單測(cè)出脈沖的頻率，從而換算出電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。同時(shí)光電效應(yīng)傳感器安裝簡(jiǎn)單、牢固,在速度測(cè)量工作中不易受其他外界因素的影響。綜上所

18、述，在測(cè)速的過程中，對(duì)兩個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行比較（如表 2-1），得出光電效應(yīng)傳感器更適合接下來的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。表2-1霍爾效應(yīng)傳感器與光電效應(yīng)傳感器對(duì)比穩(wěn)定性精確性可操作性霍爾效應(yīng)傳感器一般好一般光電效應(yīng)傳感器好好好2.5常見的電機(jī)種類在我們的生活中，電機(jī)可以說是隨處可見。在大型的車間里，最常用的就是三 相交流換向器電機(jī)；在一般的辦公室里，最常用的就是直流電動(dòng)機(jī)；在小朋友的電動(dòng)玩具里，最常用的就是微特電機(jī)。隨著電機(jī)應(yīng)用的場(chǎng)所不斷變化，很多的特殊電機(jī)也應(yīng)運(yùn)而生，例如應(yīng)用在煤礦、石油化工這些高危行業(yè)里的電機(jī)就是防爆電機(jī);對(duì)加工車間里要加工齒輪這類精度高的零件就要使用到伺服電機(jī)了。電機(jī)的種

19、類很多，一般可分為以下幾大類（如圖 2-6所示）。鑒于實(shí)驗(yàn)室可用電機(jī)為微特電機(jī)，因此本課題的電機(jī)測(cè)速與控制以微特電機(jī)為研究對(duì)象。圖2-6常見電機(jī)分類籠式異步電動(dòng)機(jī)*同步電機(jī)Af交疣電動(dòng)機(jī)*繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)卡直流電動(dòng)機(jī)P電磁亶流電動(dòng)機(jī)永磁直流電動(dòng)機(jī)卜無刷直流電動(dòng)機(jī)P三相交流換向器電動(dòng)機(jī)2交流換向器電動(dòng)機(jī)衛(wèi)單相交濟(jì)換向器電動(dòng)機(jī)2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)*微特電動(dòng)機(jī)-H無刷直流電動(dòng)機(jī)卄開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)*V,控制微電動(dòng)機(jī)討2.6微特電機(jī)簡(jiǎn)介在自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測(cè)和計(jì)算機(jī)中，廣泛采用各種特色的微型電機(jī)稱為微特電機(jī)。微特電機(jī)的款式很多，按工作范圍的不同，一般分為控制用微型電機(jī)、驅(qū)動(dòng)用 微型電機(jī)、信號(hào)檢測(cè)微型電機(jī)和信號(hào)變換

20、微型電機(jī)。而常用的有交、直流伺服電動(dòng) 機(jī)、測(cè)速發(fā)電機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。2.6.1伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)又叫做驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，工作原理是提供一個(gè)的電壓的控制信號(hào)，通過 硬件設(shè)備把信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出的角位移或者角速度，以此來達(dá)到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。伺服電動(dòng)機(jī)具有控制性能好、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，大多數(shù)的生產(chǎn)工作中都會(huì)使用此類電動(dòng) 機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件。伺服電動(dòng)機(jī)分為交流和直流兩種（如表 2-2所示）。交流伺服電動(dòng)機(jī)的容量一般為0.1至100W，頻率有50Hz、400Hz等多種。直流伺服電動(dòng)機(jī)的容量較大，一般可 達(dá)幾百瓦。分類結(jié)構(gòu)特點(diǎn)性能特點(diǎn)使用范圍鼠籠式與一般籠型轉(zhuǎn)子的異步電動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)類似。但是轉(zhuǎn)子細(xì)而 長，材料一般為鋁、紫

21、銅或黃銅體積和勵(lì)磁電流較 小,機(jī)械強(qiáng)度較高，低 速運(yùn)行不太穩(wěn)定小功率自動(dòng)控制系統(tǒng)非磁性 杯型有槽電 樞（電磁或 永磁）用非磁性金屬鋁、紫銅等制成 杯形轉(zhuǎn)子，杯的內(nèi)外由內(nèi)、外定 子構(gòu)成磁路與一般直流電動(dòng)機(jī)類似。 但是 電樞鐵心直接較大，氣隙較小體積和勵(lì)磁電流較 大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，運(yùn)行 穩(wěn)定有線性調(diào)節(jié)的特性以 及下降的機(jī)械特性，響 應(yīng)快速要求運(yùn)行穩(wěn)定 的系統(tǒng)一般直流伺服 系統(tǒng)無槽電 樞（電磁或 永磁）電樞鐵心光滑，繞組有耐熱環(huán) 氧樹脂固定在鐵心表面，氣隙大具有一般直流伺服電 機(jī)特性，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小， 換向良好，時(shí)間常數(shù)小快速動(dòng)作、大功 率的伺服系統(tǒng)空心杯 形電樞（永 磁式）印刷繞 組電樞（永 磁式）電樞

22、繞組由耐熱環(huán)氧樹脂注 成，電樞內(nèi)外都有鐵心構(gòu)成磁路磁極需軸向安裝，具有扇形面 的極靴。電樞是圓盤絕緣薄板， 上面印刷裸露的繞組時(shí)間常數(shù)小，低速性 能好時(shí)間常數(shù)小，低速性能好快速動(dòng)作的伺 服系統(tǒng)低速啟動(dòng)，正反轉(zhuǎn)頻繁的系統(tǒng)無刷電 樞（永磁式）多相繞組定子，永久磁轉(zhuǎn)子， 沒有電刷跟換向器壽命長，噪聲小，不產(chǎn)生無線電干擾1低噪聲要求，咼 真空對(duì)無線電不 產(chǎn)生干擾的系統(tǒng)表2-2伺服電動(dòng)機(jī)的分類直 流伺 服電 動(dòng)機(jī)交 流伺 服電 動(dòng)機(jī)1. 交流伺服電動(dòng)機(jī)此電機(jī)是由兩相繞組組成，其中一相繞組為勵(lì)磁繞組，另一相繞組為控制繞組,工作原理如圖2-7所示。勵(lì)磁繞組串聯(lián)電容后接到電源上，使得勵(lì)磁電壓Uf與電源CU電壓

23、U有了 90的相位差。而控制電壓Uc和電源電壓U頻率一致，相位相同或相反。要改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)，使勵(lì)磁電壓 Uf恒定，同時(shí)讓電壓Ific反相，造成磁場(chǎng)的方向 也隨之而改變，于是電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。圖2-7交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理若想改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過改變電樞電壓Uc來達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，在帶負(fù)荷轉(zhuǎn)矩一定的情況下，Uc為1時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最高，隨著Uc的減少，轉(zhuǎn)速也減少。電動(dòng)機(jī) 的機(jī)械特性如圖2-8所示。圖中可以看出，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性很軟，而且斜率隨著Uc 的改變而改變，不利于電機(jī)轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)調(diào)整。圖2-8交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性2. 直流伺服電動(dòng)機(jī)要想改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，一般采用的方法是改變電樞電壓Uc，從

24、而控制電機(jī)的精品文檔0轉(zhuǎn)速。當(dāng)勵(lì)磁繞組電壓Uf恒定時(shí)，即磁通保持不變，其等效電路如圖2-9所示。圖2-9直流伺服電動(dòng)機(jī)等效電路直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程為:Ke©Kt(2.3)式中n轉(zhuǎn)速Uc電樞電壓Ke、 Kt與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的發(fā)點(diǎn)常數(shù)和電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)艮電樞電路的電阻磁通T 電磁轉(zhuǎn)矩可以通過控制直流伺服電機(jī)的Uc來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)矩 T恒定的條件下,Uc的值越小，那么電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就越低，當(dāng) Uc=O的時(shí)候，電機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)，直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性如圖2-10所示。如果要改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向，可以通過改變電動(dòng)機(jī) 的電樞電壓極性來實(shí)現(xiàn)。精品文檔精品文檔圖2-10直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性2.6

25、.2測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)的功能是將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。由于發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓與自身的旋轉(zhuǎn)速率為正比例的關(guān)系，因此可以直接測(cè)出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。測(cè)速發(fā)電機(jī)一般分直流 和交流兩種。1.直流測(cè)速發(fā)電機(jī)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的整體構(gòu)造與直流發(fā)電機(jī)十分近似，其中按照類型可分為永磁式和電磁式。由于永磁式是由永久磁鋼勵(lì)磁制成的，因此即使在溫度變化程度比較 大時(shí)也不會(huì)受到太大的影響，而且有輸出誤差小、斜率高等特點(diǎn)。電磁式則采用的 是他勵(lì)式，這種結(jié)構(gòu)容易受到電源以及環(huán)境等其他因素的影響，導(dǎo)致輸出的電壓變 化較大，所以應(yīng)用得比較少。2.交流測(cè)速發(fā)電機(jī)交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的整體構(gòu)造與交流伺服電動(dòng)機(jī)十分近似，在定子上有相互垂直的兩組繞組，

26、一組繞組為勵(lì)磁繞組，另一組繞組為輸出繞組，測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子為 杯型。由于杯型的轉(zhuǎn)子在信號(hào)的輸出中起到?jīng)Q定性的作用，所以其質(zhì)量的合格與否 直接影響測(cè)速發(fā)電機(jī)的能否正常運(yùn)行。目前，其技術(shù)性能與其他的測(cè)速發(fā)電機(jī)相比, 有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪聲細(xì)小、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，所以是大多數(shù)商家的首選發(fā)電機(jī)。2.6.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種直接把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移或線位移參數(shù)的電器設(shè)備。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有運(yùn)行精確度高、同步運(yùn)行性能好、調(diào)速范圍廣、調(diào)速速度快、結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單等的優(yōu)點(diǎn)，因此非常適合用于數(shù)字控制系統(tǒng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角日角的計(jì)算公式為:(2.4)式中N運(yùn)行拍數(shù)Z轉(zhuǎn)子齒數(shù)若想改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，只需按相反順序

27、為三相繞組通電即可。2.7本課題使用的電機(jī)本課題使用的電機(jī)為KYJZ-210檢測(cè)與轉(zhuǎn)換（傳感器）技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)里光電式傳感器中的微特電機(jī)，電機(jī)型號(hào)為萬寶至公司生產(chǎn)的EG-530AD 12v ccw 電機(jī)。精品文檔1. 電機(jī)構(gòu)造電機(jī)主要由大殼、軸承、回轉(zhuǎn)子、永久磁石、電刷、電樞、小殼組成，如圖 2-11所示。軸承回轉(zhuǎn)子永久磁石電刷電樞IITj圖2-11電機(jī)構(gòu)造2. EG-530AD 12v ccw 電機(jī)實(shí)物圖光電傳感器中EG-530AD 12v ccw電機(jī)實(shí)物圖如圖2-12所示。圖2-12電動(dòng)機(jī)實(shí)物圖3. EG-530AD 12v ccw電機(jī)外形尺寸EG-530AD 12v ccw電機(jī)外形尺寸如圖

28、2-13所示。/一jCI,7REr,_IJ MAxIr1.06M26XQ,45fd09.517IBcoOJ34,5 REF2-13 EG-530AD 12v ccw 電機(jī)外形尺寸4. EG-530AD 12v ccw電機(jī)參數(shù)EG-530AD 12v ccw電機(jī)參數(shù)如表 2-3所示。表 2-3 EG-530AD 12v ccw 電機(jī)參數(shù)型號(hào)MODEL電壓 VOLTAGE額定負(fù) 載RATEDLOAD額定轉(zhuǎn)速RATEDSPEED額定電流RATEDCURRENT負(fù)載波動(dòng)LOADFLUCTUATION起動(dòng)力矩STARTINGTORQUE使用范圍OP ERATINGRANGE額定值NOMINALVVg *

29、cmr/min 圭mA (TYP)rpm / g cmg YmEG-530AD-6F( 6B)4.27.56.08.024001329.038at4.2vEG-530AD-9F( 9B)8.011.09.08.02400929.050at6.0vEG-530AD-2F( 2B)8.415.012.08.02400739.060at8.4v5. EG-530AD 12v ccw電機(jī)機(jī)械特性EG-530AD 12v ccw電機(jī)機(jī)械特性如圖2-14所示。6V/OV/n.ftVTK：7 SVt. 3 MWe. GY*0T T *u轉(zhuǎn)矩H紳 ICC圖2-14 EG-530AD 12v ccw 電機(jī)機(jī)械特

30、性2.8電機(jī)轉(zhuǎn)速控制理論目前，控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速廣泛使用的方法是改變電機(jī)電樞電壓，通過增加電機(jī)電樞兩端電壓使得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速提高；相反，降低電機(jī)電樞電壓，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì) 相應(yīng)下降。但是要實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電樞電壓來讓電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠快速達(dá)到用戶的要求，就必 須要引入一種可操作性高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快的控制理論。隨著科學(xué)的不斷發(fā) 展，現(xiàn)代控制理論也在不斷完善，而且應(yīng)用的范圍也越來越廣。從早期的線性系統(tǒng) 理論、非線性系統(tǒng)理論以及 PID控制理論，到現(xiàn)今涌現(xiàn)出的智能控制理論、魯棒控制理論、模糊控制理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論和預(yù)測(cè)控制理論等。2.8.1 PID控制理論在自動(dòng)調(diào)節(jié)的發(fā)展歷史中，PID控制理論的出現(xiàn)是非常重要

31、的，因?yàn)闊o論在簡(jiǎn)單 的家用電器領(lǐng)域，還是復(fù)雜的航天航空領(lǐng)域，都可以看到它的身影。如此實(shí)用的控 制理論看似十分的復(fù)雜繁瑣，其實(shí)簡(jiǎn)單來說就是對(duì)輸入值和理論值先進(jìn)行減法運(yùn)算, 再對(duì)偏差進(jìn)行一系列的P、I、D的運(yùn)算，隨后將運(yùn)算的多次疊加結(jié)果再去控制執(zhí)行 機(jī)構(gòu)，其控制邏輯如圖2-15。R (t)S<t)c(t)圖2-15 PID控制邏輯1. 比例控制（P）比例控制，也稱作P控制，就是把實(shí)測(cè)值與期望值的差值eo的大小與控制的變 量成比例關(guān)系，如果只使用 P控制，那么系統(tǒng)輸出就會(huì)出現(xiàn)一定的穩(wěn)態(tài)誤差，不利于系統(tǒng)的控制。動(dòng)態(tài)方程和傳遞函數(shù)分別為:(2.5)Zp = K P e。(2.6)式中Kp比例控制參

32、數(shù)eo 實(shí)測(cè)值與期望值的偏差P比例度2. 比例-積分控制（PI）比例-積分控制，也稱作PI控制，由于只使用比例控制，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一定的穩(wěn)態(tài) 誤差，這時(shí)就需要引入“積分項(xiàng)”。而積分項(xiàng)對(duì)于誤差又取決于時(shí)間的積分，當(dāng)時(shí)間 增加的時(shí)候，積分項(xiàng)也就跟著增大?？刂埔?guī)律和傳遞函數(shù)分別為:(2.7)1 tm(t)=K pg(t)+-.0g(T)dTTi心冷計(jì)dTs(2.8)式中g(shù)（t偏差Ti 積分時(shí)間常數(shù)3. 比例-積分-微分控制（PID）比例-積分-微分控制，也稱作PID控制，在有比例控制的基礎(chǔ)上，加入積分控制, 消除了穩(wěn)定誤差，之后又引入了微分控制，更加提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。傳遞函數(shù)為:W(滬器=Kpi+Ts

33、+Tds(2.9)式中Td 微分時(shí)間常數(shù)綜上所述，使用單純的比例控制時(shí)，當(dāng)比例參數(shù)過大，意味著控制作用太強(qiáng), 很容易引起系統(tǒng)的振蕩；當(dāng)比例參數(shù)過小，控制的效果不明顯。而在比例控制的基 礎(chǔ)上再引入積分控制，可以消除系統(tǒng)誤差，不過積分時(shí)間過長，就會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)從 而發(fā)生振蕩。一般來說，比例-積分控制足夠滿足電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制的使用要求，是否 要加入微分控制，需要視現(xiàn)實(shí)情況而定。2.8.2其他控制理論1. 智能控制理論智能控制，顧名思義，就是人工智能與自動(dòng)控制相融合，在人類不用參與的作 用下，可以自動(dòng)獨(dú)立完成自動(dòng)控制的效果。與傳統(tǒng)的控制理論不同，智能控制并不 需要對(duì)數(shù)學(xué)公式或者計(jì)算進(jìn)行過多的研究，開發(fā)人員

34、只需將精力放在數(shù)據(jù)庫和建模 的研究上。智能控制運(yùn)用在實(shí)際生產(chǎn)中，會(huì)自動(dòng)對(duì)外界進(jìn)行認(rèn)識(shí)、分辨、計(jì)算和規(guī) 劃，最終能夠?qū)崿F(xiàn)使被控對(duì)象按照用戶的要求達(dá)到預(yù)期的效果。2. 魯棒控制理論在自動(dòng)控制中，很多時(shí)候建立的模型都是非線性模型，因此都存在模型的不確 定性，而魯棒控制正是解決這一系列的問題。與傳統(tǒng)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)的相比，前 者的控制思想是對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行判斷，然后建立控制器。由于建立的控制器都是 參考模型的參數(shù)，所以不可能把將會(huì)出現(xiàn)的不確定性因素添加進(jìn)去。相反的是，魯 棒控制的設(shè)計(jì)理念真是盡可能把模型一切的不確定因素和信息添加到控制器里，在 運(yùn)行中遇到的不確定參數(shù)時(shí)，依舊可以滿足用戶需求的性能指標(biāo)。

35、3. 模糊控制理論模塊控制一種是基于模糊數(shù)學(xué)的基本思想的控制理論。在過去的控制理論的領(lǐng) 域中，一個(gè)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模式是否精確，往往會(huì)直接影響到整個(gè)控制系統(tǒng)的效果， 因此系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信息越詳盡，那么就可以達(dá)到精確控制的效果。換言之，對(duì)于一些 非常復(fù)雜的系統(tǒng)，因?yàn)榇嬖诘淖兞窟^多，造成很難去準(zhǔn)確表達(dá)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)，并實(shí)現(xiàn) 控制的目的。對(duì)于如此復(fù)雜而又不能準(zhǔn)確表達(dá)的系統(tǒng)，則可以用模糊數(shù)學(xué)來解決這 些問題。4. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制作為早于其出現(xiàn)的智能控制理論的一個(gè)新分支，是自動(dòng)控制領(lǐng)域 里的前沿科學(xué)。它為之前線性控制理論、自適應(yīng)控制理論所不能分析的非線性、不 確定的控制問題給出了可行的方案。5. 預(yù)

36、測(cè)控制理論在所有的生產(chǎn)過程中，進(jìn)行的步驟都是非常復(fù)雜的，因此建立其相對(duì)應(yīng)的模型 也是難以絕對(duì)相符合。對(duì)于一些應(yīng)用于復(fù)雜建模的控制理論，往往其控制效果也是 不如人意。由于預(yù)測(cè)控制理論中可以對(duì)已建立的模型進(jìn)行反饋校正，不斷完善其模 型的算法，因此適合用于復(fù)雜的生產(chǎn)過程。伴隨預(yù)測(cè)控制理論的飛速發(fā)展，其在生 產(chǎn)控制中必定能起到更大的作用。3. 虛擬儀器的概述3.1虛擬儀器的簡(jiǎn)介20世紀(jì)70年代中期，NI公司提出了虛擬儀器(Virtual Instrument)的概念。在以計(jì)算機(jī)等硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，利用虛擬儀器，用戶可以在虛擬面板選擇合適的控 件，編寫程序系統(tǒng)。由于虛擬儀器具有開發(fā)架構(gòu)的特點(diǎn)，因此用戶可

37、以更快速實(shí)現(xiàn) 測(cè)試系統(tǒng)的建立。同時(shí)，虛擬儀器的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、傳輸?shù)确矫娴南拗?，是一個(gè)高自動(dòng)化、低運(yùn)行成本的運(yùn)載平臺(tái)。虛擬儀器構(gòu)成如圖3-1所示。圖3-1虛擬儀器的構(gòu)成礙駕err 3.2虛擬儀器的特點(diǎn)使用虛擬儀器的好處除了能與計(jì)算機(jī)建立成靈活的測(cè)試平臺(tái)，關(guān)鍵是通過其他 各種類型的接線口，就可以建立起各種各樣的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的儀器相比， 虛擬儀器的特點(diǎn)有以下幾點(diǎn):1.在傳統(tǒng)的儀器面板中，控制控件種類繁多， 用戶使用時(shí)容易發(fā)生誤操作。相比 之下，虛擬儀器的功能面板則將復(fù)雜的控件分類號(hào)，用戶使用時(shí)更加方便、快捷。2.在通用的硬件平臺(tái)里，虛擬儀器可以完成各種硬件不能達(dá)成的功

38、能。3. 儀器的功能，用戶可以按所需地設(shè)置。4. 要提升虛擬儀器的性能，只要聯(lián)網(wǎng)下載升級(jí)同版本的軟件。5. 與傳統(tǒng)的儀器相比，研發(fā)的時(shí)間縮短。6. 虛擬儀器連上互聯(lián)網(wǎng)后可以更加靈活。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較如表 3-1所示。表3-1虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器傳統(tǒng)儀器開發(fā)維護(hù)費(fèi)低開發(fā)維護(hù)費(fèi)高技術(shù)更新周期短技術(shù)更新周期長軟件占主導(dǎo)地位硬件占主導(dǎo)地位價(jià)格較低價(jià)格昂貴用戶可以按需求定義功能商家定義功能可與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)同步功能固定不變可通過互聯(lián)網(wǎng)與其他設(shè)備連接獨(dú)立設(shè)備3.3虛擬儀器的組成虛擬儀器主要由硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖3-2所示。圖3-2虛擬儀器結(jié)構(gòu)框圖被測(cè)信號(hào)計(jì)算機(jī)4. 轉(zhuǎn)速測(cè)量

39、與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)思結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器的基礎(chǔ)上，要設(shè)計(jì)出盡量滿足實(shí)驗(yàn)要求的系統(tǒng)。因此將整個(gè)設(shè)計(jì)分為硬件測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)這兩個(gè)方面。測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路為先啟動(dòng)電機(jī)，然后使用光電傳感器將電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為高低電平的脈沖信號(hào)，接著通過 NI USB-6008的AI端口采集數(shù)據(jù)，再與計(jì)算機(jī)的LabVIEW軟件進(jìn)行通信，使用LabVIEW軟件里的控件編程，從而計(jì)算脈沖的頻率 并換算出直流電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，緊接著再使用PID控件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制，由 NIUSB-6008的AO端口提供電壓輸出，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到用戶的需求，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié) 果分析總結(jié)。測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如圖 4-1

40、所示。圖4-1直流電動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程鞏流電動(dòng)機(jī)數(shù)州采集卡模擬輸也F利1J1序屮章La<Tr'1木?k卜 譏輸入J3LabVIEWftft4.2測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)中硬件設(shè)計(jì)包括了將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為電信號(hào)、數(shù)據(jù)采集、信 號(hào)放大、電信號(hào)輸出這幾個(gè)方面。其中將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的有光電傳感器 TLP-850完成，數(shù)據(jù)采集、信號(hào)放大、電信號(hào)輸出則由NI公司推出的USB-6008采集卡完成。421光電傳感器TLP-850TLP-850是由東芝公司生產(chǎn)的一款可控制的光電耦合器電子元件，該款光電傳感器把發(fā)光器以及接收器裝在了一個(gè)完全密封的塑料殼內(nèi)，兩者之間用透明的絕緣體完全隔離開

41、。其中發(fā)光器的引腳是電壓的輸入端，接收器的引腳是脈沖信號(hào)輸出端。1.光電傳感器TLP-850相關(guān)參數(shù)光電傳感器TLP-850相關(guān)參數(shù)如表4-1所示。表4-1光電傳感器TLP-850相關(guān)參數(shù)Maximum Rat in gs 最大額定值(Ta=25 °C)CHARACTERISTIC 參數(shù)SYMBOL符號(hào)RATING數(shù)值UNIT單位Forward Current正向電流If50mAForward Current Derat ing 正向電流減率AIf / C-0.33mA/ CReverse Voltage反向電壓Vr5VCollector-Emitter V oltage集電極發(fā)射極

42、電壓VCEO30VEmitter-Collector V oltage發(fā)射極集電極電壓VECO5VCollector Po wer Diss ip ati on 集電極功耗Pc75mWCollector Po wer Diss ip ati on Derati ng 集電極功耗減率AFC / 乜-1mW / CCollector Curre nt集電極電流I C40mAOp erati ng Temp erature Range 工作溫度范圍Topr-2585oCStorage Temp erature Range 儲(chǔ)存溫度范圍Tstg-40 100oCSoldering Temperatur

43、e (5s) 焊接溫度Tsol2604CRECOMMENDED OP ERA TING CONDITIONS 推薦工作情況CHARACIERSTICSYMBOLMINTYPMAXUNIT參數(shù)符號(hào)最小值適合值最大值單位Supply Voltage 電源電壓Vcc516VForward Current正向電流If20mAOp erat ing Temp erature 工作溫度Topr-10702.光電傳感器TLP-850尺寸光電傳感器TLP-850尺寸如圖4-2所示。03.2=02ARrL r1b5.±0.嚴(yán)2w心27.1=02感應(yīng)區(qū)撫10.1±0 2CX0.5=0410.1

44、6am1-00.45-04 5圖4-2光電傳感器 TLP-850尺寸3.光電傳感器TLP-850接線端口光電傳感器TLP-850接線圖如圖4-3所示。IfVcc=5¥O圖4-3光電傳感器TLP-850接線圖4.光電傳感器TLP-850實(shí)物圖光電傳感器TLP-850實(shí)物圖如圖4-4所示。綜上所述，電機(jī)圓盤厚度為3.5MM，光電開關(guān)的溝槽寬度為5MM ;實(shí)驗(yàn)室可提供12V穩(wěn)壓電源，沒有超出光電開關(guān)的工作電壓最大值16V，因此可以選用光電傳感器TLP-850對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量。沁圖4-4光電開關(guān)實(shí)物圖4.2.2數(shù)據(jù)采集卡USB-6008NI USB-6008是一款USB總線供電B系列多功能

45、DAQ模塊，在高采樣率下也 能保持高精度。該模塊提供了 8路模擬輸入；10 kS/s單通道采樣率；2路模擬輸出(0V5V)； 12路數(shù)字雙向通道。使用時(shí)即插即用，在最大程度里縮短了配置與設(shè)置的時(shí)間，關(guān)鍵的一點(diǎn)式用戶不用再為數(shù)據(jù)采集卡配置另外的外部電源。結(jié)合LabVIEW軟件中的NI-DAQmx助手，用戶可以快速開發(fā)所需的系統(tǒng)。1.NI USB-6008數(shù)據(jù)采集卡尺寸NI USB-6008數(shù)據(jù)采集卡尺寸分別如圖4-5所示。Sl.ai mm23 19 mm .0.913 in.), r* 鬧rEQI圖 4-5 NI USB-6008數(shù)據(jù)采集卡尺寸參數(shù)2.NI USB-6008數(shù)據(jù)采集卡端口參數(shù)NI

46、 USB-6008數(shù)據(jù)采集卡端口參數(shù)如表4-2所示。模擬輸入模擬輸出通道數(shù)8 SE/4 DI通道數(shù)2采樣率10 kS/s更新率150 S/s是否同步采樣否分辨率12 bits分辨率12 bits最大電壓范圍05 V最大電壓范圍-1010 V精度范圍7 mV精度范圍138 mV最小電壓范圍05 V最小電壓范圍-11 V精度范圍7 mV精度范圍37.5 mV電流驅(qū)動(dòng)5 mA/10 mA量程數(shù)8數(shù)字I/O板上存儲(chǔ)量512 B通道數(shù)12 DIO計(jì)時(shí)器/定時(shí)器疋時(shí)方式軟件數(shù)目1邏輯電平TTL表 4-2 NI USB-6008數(shù)據(jù)采集卡端口參數(shù)續(xù)表4-2分辨率32 bits最大輸入范圍05 V最大信號(hào)源頻

47、率5 MHz最大輸出范圍05 V最小輸入脈沖寬度100 ns輸入電流源電流，漏電流邏輯電平TTL輸出電流源電流，漏電流最大量程05 V電流驅(qū)動(dòng)8.5 mA/102 mAGPS同步否可編程輸入濾波器否時(shí)基穩(wěn)定度50 ppm看門狗否脈沖生產(chǎn)否支持握手I/O否緩沖操作是支持模式I/O否短時(shí)脈沖干擾消除否可編程上電狀態(tài)否423模擬輸入端口直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速通過光電傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，通過NI USB-6008數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入AI3端口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由于數(shù)據(jù)采集選擇的是單端測(cè)量模式，因 此將光電傳感器的地線接入采集卡的 GND端口，接線如圖4-6所示。圖4-6模擬輸入端口 AI3接線4.2.4模擬輸

48、出端口本設(shè)計(jì)對(duì)微型電機(jī)的控制采用的方法是控制電機(jī)電樞電壓，通過NI USB-6008數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出 A01端口與電機(jī)的正極連接，采集卡的 GND端口與電機(jī)的負(fù)極連接。425硬件設(shè)備的搭建硬件設(shè)備的搭建如圖4-7所示。開關(guān)電源NI USB-6008 數(shù)據(jù)采集卡J一光電傳感器 直流電機(jī)贄:盤：$圖4-7硬件設(shè)備的搭建4.3測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)PID控制、硬件設(shè)計(jì)完成后，就可以利用LabVIEW進(jìn)行軟件方面的設(shè)計(jì)，軟件的設(shè)計(jì)包括前面板的控件設(shè)計(jì)布局，以及后面板的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)測(cè)量、數(shù)據(jù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)輸出等功能，前面板的設(shè)計(jì)如圖4-8所示。基于LabVIEW的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量與控制虛擬儀器設(shè)計(jì): 倉:0.

49、O loo.om»ann7»加H».6m LGPIDSQ1牛1joOQXIa ttta蔘IS (Tk m間JV-VtV1刊 1血J11 - H-坦時(shí)小1Ioo«出刼I訟暑祐譽(yù)I:100 I10001500蒯 一 T »»/2S0D圖4-8前面板控件設(shè)計(jì)4.3.1數(shù)據(jù)采集程序數(shù)據(jù)采集使用LabVIEW的DAQ助手編寫程序，相比傳統(tǒng)的 DAQmx節(jié)點(diǎn)編程更加快速方便，但是在功能的全面性方面相對(duì)比較弱。在本課題的轉(zhuǎn)速采集中使用DAQ助手足以滿足用戶編程的需要。在模擬輸入端口 AI3的配置中信號(hào)輸入范圍為-10-10 V，采集模式選擇連續(xù)采樣

50、，采樣率及采樣數(shù)均設(shè)為1000,接線端配置模式為RSE。后面板編程如圖4-9所 示。timeout (5)ABdataa）數(shù)據(jù)采集程序框圖鮭岌I薛走時(shí)I記錄I1直耳鯊I陰IIAIft小II-菽鼻.自;單臉-10定匝茯£采集模式IkI連4采樣b）數(shù)據(jù)采集配置參數(shù)圖4-9數(shù)據(jù)采集程序進(jìn)行信號(hào)采集的初期，發(fā)現(xiàn)電壓波形圖里的方波有很大的噪聲，而且顯示的波0的錯(cuò)誤提示，曾一形相當(dāng)?shù)牟环€(wěn)定，運(yùn)行程序的時(shí)候會(huì)不時(shí)彈出測(cè)量的幅值小于度造成實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)無法進(jìn)行，后來經(jīng)老師指導(dǎo)，再查看NI USB-6008采集卡的說明書，發(fā)現(xiàn)使用RSE采集模式的時(shí)候應(yīng)該將信號(hào)源接地， 這樣就能消除方波中的噪聲, 而且采集

51、的波形相當(dāng)平滑，可以繼續(xù)進(jìn)行往下的研究設(shè)計(jì)。432數(shù)據(jù)測(cè)量程序光電傳感器的電平信號(hào)采集到 NI USB-6008卡后，經(jīng)過卡內(nèi)的電路將信號(hào)放大,輸出的波形為脈沖波形，因此使用后面板中信號(hào)處理一一波形測(cè)量一一信號(hào)的時(shí)間 與瞬態(tài)特性測(cè)量，選擇頻率輸出。在采集的過程中，由于采用的是以電信號(hào)的形式輸出，因此很有可能受到設(shè)備0時(shí),以外的環(huán)境因素的影響，在電壓波形圖中有一定噪聲，同時(shí)在電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 電壓波形不是為平滑的低電平，運(yùn)行狀態(tài)中信號(hào)的時(shí)間與瞬態(tài)特性測(cè)量工具繼續(xù)測(cè) 量波形的頻率，造成輸出的頻率并不為 0,因此嚴(yán)重影響了接下來的數(shù)據(jù)運(yùn)算。為了解決這個(gè)問題，在數(shù)據(jù)采集后添加一個(gè)幅值和電平測(cè)量工具，計(jì)算波形的峰峰值，通過比較面板中的大于進(jìn)行判斷，再引入一個(gè)條件結(jié)構(gòu)，當(dāng)電壓信號(hào)的峰峰值大于7是為有效數(shù)值，當(dāng)小于7是，數(shù)值默認(rèn)輸出為0,發(fā)現(xiàn)當(dāng)電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，前面板輸出的轉(zhuǎn)速為0。數(shù)據(jù)測(cè)量程序如圖4-10所示。a）