(新)直流电动机转速智能检测与控制(1)

1、摘要此次研究分为两个模块测速模块和控制转速模块。测速模块采用TMS320F2812的转速检测功能，来提高检测直流电动机转速精度。它是运用DSP的M/T测速算法，该方法充分利用它的高精度的测速反馈。控制转速模块采用AT89C51 单片机为核心，将计数器与定时器、传感器合理结合测速。电动机每转将旋转一圈所得出的信号按一定的形式变成脉冲波，这种波是由光电码盘产生。这时电动机转速由控制定时器、计数器形成的。产生 PWM 波是单片机接受由PID 算法发送的信号。因此实现由直流电动机转速控制产生的脉宽调制的高精度闭环控制。驱动电动机是由对 PWM 调制信号进行调试良好的调制信号产生的，从而形成高精度的电动

2、机转速控制。它以精度高平稳性好操作简单易于实现，而且数字化集成度高，因此该装置得到广泛应用。第1章 绪论1.1课题背景采用高精度的闭环调速系统控制，其电动机的转速能快速的检测。为了得到高精度的控制系统，必须使用转速高精度检测才行。测量转速是采用脉冲发生器产生的脉冲频率的，同时根据电动机同轴的光电脉冲发生器的产生的脉冲频率与直流电动机转速成线性关系，即转速的数字检测方法原理。其方法有很多，主要以符合测速精度为要求。根据传感器准确的检测到转速瞬时值，以及适当的根据需要进行修正。其位置传感器产生速度信号。由于速度检测的性能跟伺服系统的速度控制特性很大关系,因此提高高精度瞬时速度计算方法很有必要，在研

3、究在位置分辨率有限的基础情况下的。直流电动机通常应用于调速控制精度要求较高的场合。由于具有平稳性启动性、负荷能力强、转矩大、宽范围精准调速等优良特性。由于采用了高性能的算法的单片机控制，因此得到高精度转速的直流电动机平稳运行。在工业生产方面得到广泛的应用，并且主要在电子设备的直流电机控制系统。但如果采用AT89C51 单片机的控制优势，使得直流电动机控制精度能更进一步，真正实现智能控制。 1.1.1 检测技术的重要意义 检测用指定的方法检验测试某种物体指定的技术性能指标。适用于各种行业范畴的质量评定。它以检测有价值的信息为目的。通过检测出来的信息进行加工处理，然后再进行筛选出有用的信息来利用。

4、检测技术在产品研发、试验、检查、监控等这些重要的工业生产中占着非常重要的地位。随着现代科技的快速发展，孕育了自动检测技术的出现，使得人类生产出来的产品性能非常好。 1.1.2 检测过程的构成 在检测物理信息量的过程中最主要的最普遍的是电信号的检测，因其具有快速传送、容易变换、不难筛选、易提取和易实现等优良特点。深受广大科研工作者的偏爱，因此当遇到不是电信号时检测是，则只需进行简单的处理转换为电信号就行了。同时因检测的目的不相同，则需要根据合理的形式来分析和处理，最后得出检测目标真实的信号。下图检测过程的基本流程图。 一般来说，检测过程因检测目标的区别而包括不同的检测部分，因此在不同的情况下需要

5、用合理的形式激励检测目标，检测和转换检测目标发出的信号，并对信号进行调理，之后对调理的信号进行必要的分析与处理，最终在检测平台上予以显示与记录。如图 1-1所示检测系统的基本流程框图。 被测目标 驱动装置传感装置信号处理装置反馈装置数据收集装置显示结果装置观察人员如图 1-1所示检测系统的基本流程框图。对于检测来说，一般有两种情况即直接检测和间接检测，主要依据于检测目标的多样复杂的。而对于每个环节来说，都需要不同的传感器来检测信息。传感装置部分则通过多研究的目标发出的信号按照某种算法转换成我们需要的信号，同时我们也得放大信号。信号调理部分是数据收集来进行处理即收集来的数据经过转换变成可以采集处

6、理的有用数据。并为接下来的环节做好记录显示的效果，而该环节会以合适的表现已让观察者快速的记录。 1.1.3 直流电动机智能检测技术的发展 经过现代技术快速发展，传统的直流电动机与电力电子、计算机控制等技术结合形成了现代的直流电动机检测技术，其中由于直流电机物理、机械、运动等特性都能作为可以检测的参数，并可以转换成电信号快速检测出来。同时由于自动化技术的快速发展，因此出现了主要几类自动检测设备。 （1） 参数检测设备在国内直流电动机检测主体是主要采用参数检测设备，这种技术通过检测动态和静态的参数，有计算机技术和传感器结合检测出。现在尤其在一些高校科研所与企业合作共同研发非常多，并进展很不错。（2

7、） 特性检测装置根据一些特性采集获得直流电机转速快慢，例如机械、负载、空载等一些容易获得检测性能，然后特定的算法更加精确的获得直流电动机转速等其他的性能。在这方面一般只有高校和科研单位才有探索的国内外情况。（3）单项检测装置单项检测装置一般将直流电动机的功率和磁性作为检测对象，该检测方法已经在一些工厂得到一些推广应用。（4）大型电机自动检测系统 该检测设备一般通过对工厂中的大型的发电机组群运行状态进行实时检测，并且通常这些检测的传感器较为灵敏精确度较高和自动化程度高等优良特点得到广泛的应用。因此它能很能及时的避免损失和排除故障。所以该自动检测系统在发电厂等一些工厂应用较好。1.1.4 检测技术

8、在虚拟设备装置提供的发展 由于检测技术在我生产生活中起这巨大的作用，并且取得显著的提高，正因为如此才能我们的世界能更深入的了解，以及发现掌握其中的规律，并利用其内在的规律为我们所利用。随着当今科技技术不断发展的时代，检测技术也得到了快速发展，在数据处理、信号收集等都能快速检测出。不论其环境的复杂性，都能很好的检测出。由于人类要求越来越高检测技术朝着智能化、自动化的方向发展是大势所趋。现代技术通过软硬件的结合，如在运行软件研发平台与传统的机器结合，并在PC的基础上形成虚拟仪器，形成了虚拟操作控件、显示控件等一些检测过程。现在虚拟技术的发展为用户厂家提供了符合自身需求的检测开发平台，因而不同特色的

9、操作的检测性能。在这个平台上为了能在较快的时间内满足检测的需求，则只需简单的对软件程序进行适当的修改，就完全适应各种生产要求。1.2直流电动机的控制方向现在,直流电动机的研究主要集中在转矩脉动控制,无传感器控制以及控制算法三个方面转矩脉动控制转矩脉动的问题一直是交流伺服应用领域的一大难题,尤其是在直接驱动应用场合,转矩脉动的问题更加突出。由于有些机械抗干扰使得它的一些优良性没有很好地应用。由于我国在控制算法的抗干扰电磁转矩转动方面的研究起步较晚，许多这方面研究成果与国外仍然有很大差距。所以在研究直流电动机转矩脉动控制技术非常具有现实意义。1.3控制算法由于传统的直流电机控制系统是个非线性系统，

10、所以增加了控制的难度在高性能高速运算处理应用场合。因此目前诞生了由单片机为软件编程对直流电动机的控制，实现了快速性、稳定性、灵活性和鲁棒性优良的性能。目前重要研究方向就是传统的直流电动机与芯片结合实现先进的控制。1.3.1自适应控制自适应控制根据不断的运行识别校正系统的参数，然后逐步达到各方面的完善，去除系统中其他的因素干扰。即随着变化而变化，已达到我们所要求的指标。但是该方法对于快速变化的参数，自适应控制校正和识别等响应较慢，因此在表现情况方面不是非常突出。1.3.2变结构控制变结构控制是根据系统的运行情况的偏差，然后按照设计好的程序进行。与传统的控制系统在于它的间断性。无刷直流电动机能在动

11、态的运行情况下快速响应，这是当无刷直流电动机处于变换速度和开机运行时，而为顺应同步电机运行方式，在无刷直流电动机达到预设定的值时，这样可以做到具有平稳性和准确性。当然无刷直流电动机与传统的电动机不同之处是简单方便控制，开环直接控制，响应速度和精度高，在调速控制方面非常灵活。由于控制的核心技术是怎样使无刷直流电动机在不同的情况下衔接顺利，这由于它的不连续性的控制算法限制。1.3.3模糊控制模糊控制美国加利福尼亚大学教授提出，经过这些年的发展，现在已经成为研究这方面的热点。模糊控制能为了得到合适的控制量，通过设计好的模糊控制算法，进行演算来适应专家和控制人员的控制。并由于它不需要非常精确的数学算法

12、，就能够非常合理的进行强耦合、非线性、多参数变量的无刷直流电机的控制系统。由于模糊控制有时效果不能达到我们所要求的，这是因为直接将他应用于高精度的电机控制系统，很难去除内在的稳态误差，所以为了达到我们所要求的，必须与其他的算法合适的运用。就目前国内外模糊控制发展具有接近线性、非线性、自学习性和自稳定性优良特点。所以应用于以直接转矩控制的交流数字伺服系统，并可以优化伺服设计算法。由于它具有很强的鲁棒控制性，同时不需要发杂的建模就可以应用于线性和非线性的控制对象。所以应用于无刷直流电机上，在自适应快速精准了解转速情况，这是由于它的随时跟踪识别无刷直流电动机转速的运行。就目前而言，虽然在智能控制方面

13、得到了成就，但如系统的稳定性、鲁棒性很难及早发现变化、系统模拟要求高和缺乏智能控制的大数据等，所以还需不断地研究。而本文以无刷直流电动机为被控对象实现全数字无刷直流电动机转速电流双闭环控制系统，在自控和自抗两种控制方法。今后需要进一步分析直流电动机操作平台以及和相关软件设计，根据检测到的电流作为反馈响应来减小转速转矩的脉动。同时转速和电流由软件编程来实现，控制和自抗干扰控制分别转速，为达到预期效果必须这样完成控制策略。 第二章 直流电动机的基本结构原理和检测方法2.1直流电动机的结构由电子开关逆变器、位置检测器和电动机构成。同时采用无刷直流电动机代替传统的直流电动机，因这种电动机没有机械摩擦，

14、换相快，灵敏度高等优良特性。无刷直流电机的基本结构如图2-1所示。控制器位置检测电动机电力电子开关逆变器直流电源 图2-1直流电动机的结构图 2.2直流电动机工作原理 直流电动机正常工作是以控制电路为核心的电力电子开关逆变器和位置信号检测装置产生的信号去触发开关线路中的功率开关元件断或通。电力电子开关逆变器的功能是为了直流电动机形成接连不断的转矩，则需要电源的功率按比例分配电机转子绕组上来触发。而位置信号检测器为了使控制直流电动机转起来，则必须由该装置产生持续的脉冲信号来是开关线路的开关断和开。而电动机的功能为使得直流电动机定子电枢绕组形成旋转磁场的电角度，实现转子运行，则此必须由电力电子开关

15、逆变器的功率管按照比例关系使开关断与通与否。由于电枢的电流只和直流电动机的转矩有关，所以为了形成稳定的转速，则必须以恒定的电流通过点数绕组同时在一个均匀的磁场下为前提才能正常工作。由于电枢感应电动势、转子的气隙的磁通都为矩形波和反电动势产生的信号都为矩形波。所以为了满足各项指标，因此必须要把握好开断瞬间时刻通过电力电子开关逆变器各个功率开关的配合才行。为了不让转矩不降低，则必须严格使感应电动势的波形与定子绕组的方波电流导通瞬时时刻、转子的位置之间的函数关系。Y和连接对三相绕组直流电动机都可以，所以就形成了各种电路，其中三相连接全桥电路得到广泛的推广运用。因此本次研究就采用全桥驱动的三相绕组的直

16、流电动机来检测转速。图2-2为无刷直流电动机三相全控电路原理图。 由速度环和电流环调节器构成的直流电动机控制系统原理框图如图2-3所示。每相参 考电流每相直流电动机电流滞环控制器电压逆变器速度控制器 图2-3直流电动机控制原理框图按照图2-3直流电动机控制原理图进行建模，则由速度调节板块、电力电子开关逆变器板块、电流滞环调节板块以及直流电动机板块等构成整个转速智能检测模型系统。图2-4直流电动机控制系统原理建模图 2.3 直流电动机转速检测方法概述测速范围和测速精度为直流电动机转速检测方法两个重要技术评价指标，因为高精度宽范围是直流电动机转速检测方法的两个重要因素。而且根据这两点与不同的直流电

17、动机转速检测方法的好坏结合，来适应完成最终的要求。 2.3.1 转速检测方法的选择 转速检测的元件对测速整个模块显得非常重要，由于转速检测的元件的不同，则使转速检测系统有很大的差别。我们可以把模拟测速模式和数字测速模式为直流电动机转速检测方法的不同方法，是根据上述对直流电动机转速检测元件和直流电动机转速检测模式的分析以及总结现在的研究成果得出的。同时根据我们所了解的直流电动机转速检测元件和直流电动机转速检测模式有着非常紧密的联系，由于直流电动机转速检测模式的千差万别导致直流电动机转速检测的元件不同，但我们可以大致分为模拟式的直流电动机转速检测元件和数字式的直流电动机转速检测元件。直流电动机转速

18、检测首要选择是模拟式，而且这种测试算法已经得到了非常广泛的应用。通常与计算机控制技术紧密结合的数字式直流电动机转速检测能在很好的提高各方面的性能。现在大部分工厂、科技公司都是应用光电式脉冲发生器，以致能够很好地适应各种性能的要求。在直流电动机转速检测系统中应用尤其广泛。 2.3.2 模拟量转速检测模式的原理 直流电动机转速检测的小型直流发电机本质上是直流测速发电机，直流测速发电机将机械能转换为了电能，并输出直流电，这是根据能量转换的因素进行分类的。直流测速发电机将转速信号与转速信号成线性关系，所以可以进行变换为直流电压信号，之后输出给其他采集设备，这是从信号转换的角度来分类的。由于存在定子和电

19、刷之间存在吻合空间、内部环境和外部环境的变化的干扰，还存在一些难以克服的缺陷即换向电刷的机械磨损的损失。但它有个非常突出的优良特点即它的转速检测范围宽度很广，尽管有些地方还是存在一些难以克服的困难，但使得仍然也具有很好的应用。作为伺服控制系统的直流电动机转速检测元件的基本要求是稳定性好、灵敏度好、精度好等指标。而这些具体的性能特点在直流测速发电机主要体现一些电气的品质。如下：1、 体积小、结构形式简单、工作运行安全可靠、机械噪音低、高频干扰不是问题。2、 为使得有足够的快速响应，则需要直流发电机转动惯量很小。3、 输出的时候其灵敏度很高。4、 要求在满足系统要求下输出电压平缓，所以波动小即输出

20、电压的波动小。5、 为能保证转速的稳定，要求输出电压与转速成线性关系和对称关系。 2.3.3 数字量转速检测模式的原理 输出稳定、分辨率强、机械抗干扰能力强、准确度高、反应响应速度快、非间接输出数字量等特点，都是角度编码器作为数字量转速检测模式的测速元件，在一般下角度编码器就是一种高精度的角位移传感器。为得到被测电机的转速，则需要角度编码器连续不断的输出稳定的脉冲信号，再通过收集装置进行转换分析处理才能得到。这是在实际生产中，它的连轴与被测直流发电机的输出轴进行连接，以及与被测电机一起转动。 增量式编码器和绝对式编码器是主要情况下角度编码器的类型，有时也可以称为脉冲发生器，是因为它能够直接发出

21、数字量的特性。可以通过绝对式编码器的内部结构以及测试方法主要分为光电式和接触式。因其能直接根据角度的变化进行编码的传感器，然后直接把被测转角的结果用数字形式表现出来。而分辨的最小角度是增量式编码器的测量精度的主要影响因素，这与它的码盘圆周上的狭缝条数密切分不开的。所以增量式编码器在角度编码器的实际应用情况是最广泛的。下图是增量式编码器的原理图。 光源 透镜 码盘 透镜 光盘元件 发达整形 脉冲输出 图3-1增量式光电编码器原理图2.4 数字转速检测算法 根据检测脉冲周期或频率来测量转速，这是由脉冲形式是光电编码器输出的。直流测速发电机的模拟测速方式可以有光电编码器替代成为数字式测速设备。数字式

22、测速方法主要有这几种：M 法、T 法，以及后来发展的 M/T 法、变 M/T 法等。 2.4.1 常用的数字测速算法一般常用的数字式测速方法有这三种：M 法、T 法和 M/T 法，以下做简要介绍:M 法测速 M 测速法(也称为测频率法)：用编码器所产生的脉冲数在一定的采样周期内(比如 10s、1s、0.1s 等)，来确定速度的方法称为 M 测速法。M 法测速的技术指标：分辨率、测量精度、检测时间。 T 法测速 T 法测速(又称测周期法)：用编码器所产生的相邻两个脉冲之间的时间来确定被测电机转速的方法成为 T 法测速。T 法测速的技术指标：分辨率 、测量精度、检测时间、时钟脉冲 fc 的确定。法

23、测速 M/T 法测速 ：同时进行测量时间和检测时间的标准频率的高速时钟发出脉冲数进行统计，由此我们便可以确定电机转速。 M/T 法测速的性能指标：分辨率、测速精度。2.4.2 M测速发与T测速法结合分析通过阅读大量的文献资料以及询问相关老师得知， M/T 法是对电机测速系统的改进主要的解决方法。为了改进 M/T 测速法中存在的一些突出问题例如检测时间过长，因此检测误差过大而提出来的，这都是 M/T 测速法以及对其进行的改进测速算法。由于延时性问题突出、软件编程困难、硬件辅助设备要求多、工程实现要求难等，都是现实工程中M/T 测速法以及对 M/T 测速法的改进算法存在的困难。有时对系统硬件要求较

24、高，则会增加开发成本。因此这次研究主要放在直流电动机的检测转速的方法上，以M测速法和T测速法的基础上进行改进的。通过上面所述的每个检测算法的表述，T测速法在应用过程中脉冲的产生和转速检测到的速度是一起的。即通过光电编码器产生的每一个脉冲，就会马上计算出以及更新转换一次其检测的时间间隙。为了能得到测速精度线性准确度高以及速度曲线具有规律性，必须编码器产生的脉冲随着转速变化而进行变化。由于T测速法适用于较低速情况，所以当被测电机的单位转速不断增加，而且提高到光电编码器产生的脉冲的时间间隔小于时，将无法测量出编码器产生的相邻脉冲之间的时间。而M测速法具有高速范围内的检测优势，但它存在着在具体的单个采

25、样周期内编码器形成的脉冲数量的变化时刻影响到测速精度，这是它一个缺陷。同时会跟着转速的降低单个采样周期内的编码器产生的脉冲数而减少，因此导致测速精度持续的降低。尽管时效性、精度好、线性好等优良特点，对T测速法在低速范围内相比其他的方法无法相比的，当然M测速法在高速情况下具有很明显的优势，但不管采用哪种方法，都不能保证在整个运行里都具有较高的测速精度。所以这次研究就是将M测速法和T测速法进行结合来进行测量转速，以致能使更多范围内进行转速检测，这都是基于它们各自的基本原理以及优点结合加以改进。第三章 直流电动机转速控制系统3.1系统总体控制设计方案概述系统硬件包括单片机、电动机转速测量装置、PWM

26、 波调制、电动机功率驱动电路、直流电动机以及显示和键盘输入等部分。软件设计采用 PID 算法，实现电动机转速控制功能。控制系统总体结构如图 1 所示。显示电路电动机驱动PWM调制AT89C51键盘转速测量装置直流电动机图3-1控制系统方框图该方案采用传感器与定时器、计数器配合测速，其中传感器采用光电码盘，利用其产生与转速相对应的脉冲。将电动机每转一圈转所产生的信号转换成一个矩形脉冲，通过定时器、计数器可以记录并计算电动机的转速，再通过 PID 算法计算转速偏差，将其送到另外一片 CPU (称作从 CPU)，利用它产生 PWM 波，经驱动放大后供给电动机，从测速到驱动再测速进行循环控制，使电动机

27、的转速达到预定值。测得电动机转动周期，得到转速后再经 PID 算法得出控制量发送给从 CPU 产生 PWM 波，驱动电动机，形成闭环控制。该系统成本低，体积小，适合于控制小功率直流电动机。 3.1转速控制方法概述现在转速的控制方法具有很多，主要是续流二极管法、定子三次谐波控制法、反电动势逻辑电平积分法和反电动势过零点控制法等。现在来对这几种方法进行简要介绍，并分析其优缺点。3.1.1续流二极管法采用直流电机控制系统导通方式，控制六个功率管上的电流导通，并有非导通相的绕组有个续流的过程。这种方法能很好地拓宽电动机调速范围，尤其在转速下限方面具有显著成效。然而它也有一些缺点，必须在不断变换斩波形式

28、下上下功率管工作，因此也增加了控制难度。同时尖点干扰形成的误差信号和无效信号消除比较困难这对于续流二极管来说。由于反电动势波形、电感量的波动、位置误差等因素使得转子位置不准确。由于以上缺点不以消除和技术不成熟，所以此方法在国内应用不是很多。3.1.2定子三次谐波控制法定子三次谐波控制法是通过控制电枢相电压中的三次谐波分量,并对这组测量值进行积分,当积分值为零时,便得到功率管的开关信号。一种是通过滤波器上的电阻进行积分处理，并有一个星型电阻网络连接点数的三个端点，其中点连接电枢的中线。但这种方法也有缺点若电动机的中线接出不方便时，就不好使用了。然而如果采用滤波器来去除干扰，则可以使用这方法。但不

29、管怎么说，该方法缺点比较突出，因为操作使用不是很容易，而且必须要较多外加设备，同时低转速的时候，三次脉冲波不好得到。3.1.3反电动势逻辑电平积分法这种方法对绝对积分值必须在过零点的开路相反电动势前提下，或者使得转子位置时，此时则是定子绕组换流时刻，它则是积分值到了预设定的暂停积分值。即为了获得转子的位置信息则需要根据电动机不导通反相电动势的积分得到才行。但这种方法也有缺点对于较低速度的情况下，必须得开环的方式才能消除开关噪声不敏感的影响。为了得到准确的转子的位置，则需要通过比较过零点的相反的两个电动势，进而得到该电平对这两条路线上的电平进行积分，这也反映了它们之间的联系。同时为了拓宽调速上下

30、限，则可以判断不导通的相反电动势的性能。3.1.4反电动势过零点控制法现在运用最成熟、最高效、最广泛的转子位置信号k控制方法反电动势法。该方法运用星型绕组相互连通三种相位六种状态的直流电动机中。通过要求下次换相点必须落后每个过零点，且在一个运行周期内两次过零点在直流电动机未导通的状态前提下。因此要得出下次换相点的瞬间值，则只要检测出每个过零点并延迟一段时间就行了。接收端电压的滤波器电阻会与输入频率的改变而改变，即转速变化时，输入的频率也随之改变。但形成的转矩的能力会受滤波延时即转速非常快而影响，从而使得电动机不能正常运行。如果需要取得良好的运行，则需要一些改进的手段即可做到，因此简单易于实现，

31、得到大量的推广。3.1.5比较以上各种方法在直流电动机转速的控制关键信号是转子位置信号。因此从上面的分析总结各种性能，可以得出续流二极管法、三次谐波法、反电动势逻辑电平积分法都有些不好处理问题，因此在实际情况不太容易得到推广。而反电动势过零点控制法与它们相比较具有操作简单、控制信号快、准确度高、运行平稳性好。当然这种方法也需要进一步改进，才能更好的检测出好的信息。因此本次研究转速的控制运用的方法是反电动势过零点控制法。2.1测速环节设计方案用定时器、计数器配合光电式位置传感器测速，光电开关由发光二极管和光敏三极管组成，遮光盘处于发光二极管和光敏三极管中间，盘上开有一定角度的窗口。红外发光二极管

32、通电后发出红外光，当遮光盘随电动机转子一起旋转时，红外光间断地照在光敏三极管上，使其不断的导通和截止，输出信号反映转子的位置，经过波形整形放大后送到计数器进行计数，可以计算每分钟脉冲的个数，硬件电路如图 2 所示。2.2直流电动机驱动电路方案驱动电路是将前级电路的输出信号进行功率放大，并向后级负载提供功率驱动信号。采用 H 桥电路驱动，如图 3 所示。该电路简单可靠，用于驱动无刷直流电动机，波形的高电平或低电平宽一些，直流电动机可正反转。第 4 章 直流电机转速检测与控制实验系统硬件设计（检测模块）电机的性能检测尤其是对转速参数的检测是保证电机正常运行的重要环节之一，而传统的检测仪表在功能上存

33、在一定的局限性，因此研究新型的电机检测系统就变得有必要。无刷直流电机不管是在航天领域，还是在一般工业领域都占据着相当大的使用比例，因此本文将采用无刷直流电机作为试验系统的驱动电机。 4.1 实验系统的工作原理 实验系统主体由两部分组成,电机控制部分和信号采集部分，如图 4.1 所示。由文献调研可知，无刷直流电机的调节转速的方式有以下几种：可以通过采用调节PWM 电信号的占空比来调节无刷直流电机的转速；可以通过改变无刷直流电机的输入模拟直流电压的大小去调节转速；可以通过采用 PID 原理对无刷直流电机的转速进行调节；通过改变脉冲信号的周期或频率也可以达到对无刷直流电机转动速度调节的目的。 本实验

34、系统将采用 PWM 信号和模拟电压两种方式，均可以对无刷直流电机的转速进行调节。在本实验系统中首先通过 Lab VIEW 软件编程生成无刷直流电机所需要的模拟直流电压信号或 PWM 信号，该信号通过数据采集设备输出，再经驱动器放大后驱动无刷直流电机运转，并可以通过改变 PWM 信号的占空比或模拟直流电压的大小来得到不同的转速值。至此无刷直流电机转速检测系统硬件设计的控制部分的基本功能设计完成。电机控制部分的正常运行将使无刷直流电机实现在不同转速下正常运转，然后由转速传感器采集电机转速信号，根据转速传感器发出的信号格式与数据采集卡相匹配的信号输入格式之间的差异，选择合适的调理电路模块或者采取直接

35、采集的方式将信号传输到数据采集设备中，进而输入到基于计算机平台的软件系统中进行处理、显示，并自动生成各种试验的试验结果，并按照试验的时间进行保存，方便用户查阅。本实验系统将设计使用双轴输出电机，可以同时使用多个转速传感器采集电机转速，此设计方案的目的是可以通过多个转速传感器同时采集数据的对比，消除因单一传感器故障而出现的数据采集异常的隐患，同时也可以对软件进行双重验证，对促进软件的精确性起到积极作用。 4.2 实验系统各组成部分选型及介绍 4.2.1 电机及驱动器 （1）内部电位器调速：在驱动器侧面我们看到有一个电位器调节钮，驱动器的实物图 4.2 所示，可以通过旋转驱动器侧面的电位器旋钮来调

36、节速度，逆时针旋转电机转速减小，顺时针旋转则转速增大； （2）外接电位器调速：此种方法与内置电位器调速原理基本相同，驱动器为用户提供了连接外置电位器的端口，具体操作方式是将电位器的两个固定端分别接于电机驱动器的“COM”和“REF+”端，将电位器的调节端接于“SV”端，经过上述操作后即可使用外接电位器(10K-100K)进行调速操作。 为了进一步突出虚拟仪器技术在本课题中的作用，本实验系统并没有采用以上两种调速方式，而是在软件中嵌入实验系统方案中设计的两种调速方式，PWM 信号调速和模拟电压调速。4.2.2 转速传感器 转速传感器是实现测控系统功能的主要功能器件，在使用转速传感器时，要根据被测

37、信号的特性与转速传感器的性能指标来选用。本实验系统将设计使用双轴输出电机，可以同时使用多个转速传感器采集电机转速，此设计方案的目的是可以通过多个转速传感器同时采集数据的对比，消除因单一传感器故障而出现的数据采集异常的隐患，同时也可以对软件进行双重验证，对促进软件的精确性起到积极作用。基于以上目的我选用了上海某公司生产的 YS 51XFW975 组装式旋转变压器及其解码器、欧姆龙生产的 E6B2-CWZ3E 型增量式光电编码器。 以下是两种转速传感器的主要技术指标。 （1）旋变及其解码器（2）光电编码器 4.2.3 信号调理模块 信号调理模块是对进入数据采集装置的传感器信号进行预处理的接口，使传

38、感器传输过来的电信号和数据采集卡平稳对接。一般来说信号调理模块要完成的工作基本上是完成对信号的放大、滤波、激励、隔离等处理。 （1）放大 转速传感器所接收得到的被测目标发出的信号，一般都非常微弱，通常需要对其进行放大处理以提高信号的分辨率，同时也可以使经过放大的信号符合数据采集设备的输入范围要求，以增加检测的精度。 （2）滤波 滤波的主要目的是消除测量中不需要的信号，如噪声信号等，只让需要的信号进入数据采集系统。数据采集系统一般在现场工作时会有很多的外界信号干扰，为此就需要对信号进行滤波。当前大多的数据采集设备，己经在自身内部集成了抗失真的滤波器。 （3）激励 许多传感器都必须通过外加的激励信

39、号才能够正常的丁作，例如应变式传感器、热敏电阻以及光敏电阻等工作时都需要外接电压或者电流激励信号，信号调理电路可以产生这些传感器所需要的激励信号。 （4）隔离 在检测某些信号时，由于被测信号中通常含有超过检测仪器额定功率的信号成分或者干扰信号，为此需要将被测信号与数据采集卡之间进行隔离以避免直接的电接触或者物理接触，可以保证检测系统的准确性。 4.3 本章小结 （1）首先对本文的无刷直流电机转速检测实验系统的工作原理和设计方案进行了简介；（2）接着详细介绍了本实验系统的各个组成部分的功能以及硬件选择，包括被测无刷直流电机及其驱动器，传感器、信号调理模块、数据采集卡等。 第 5 章 无刷直流电机测速检测实验系统软件设计本文所设计的基于虚拟仪器技术的转速检测系统的核心部分在于软件。虚拟仪器软件开发平台 Lab VIEW 是开发和设计基于虚拟仪器系统的关