计算机课程设计报告

1、 计 算 机 控 制课程设计报告课 程： 计算机控制 年 级： 大三 专 业： 自动化 学 号： 2013110213 姓 名： 周倩 同组成员： 严军鹏 指导教师： 杨盛 高健 三峡大学电气与新能源学院一 实验系统简介 1.1实验系统组成示意图实验系统组成示意图，如图1所示。PC机NI PCI-6010板卡DJ6机电平台机电实验开发系统图1 实验系统组成示意图PCI-6010板卡和PC机连接，运用PC机软件LabVIEW实现实验程序的编写、加载和调试工作。1.2. PCI-6010数据采集板卡简介NI PCI-6010是一款低价位多功能I/O数据采集板卡，提供16路模拟输入（200 

2、;kS/s, 16位）、2路16位模拟输出、10个数字I/O（6条数字输入，4条数字输出）和计数器/定时器I/O（2个32位80 MHz）。使用37针D-Sub连接器，可将NI PCI-6010连往任何可用的D-Sub组件。PCI-6010需使用一根电缆及附件方可使用所有I/O。其设备引脚如图2所示。图2 PCI-6010板卡引出脚1.3. NI CB-37F-LP 37针D-Sub接线板NI CB-37F-LP是一种37针的D-Sub接线板，如图1-4所示。它带有40个螺栓端子，是一种37针母口D-Sub连接器。带有安装螺栓的前置式37针D-Sub数据采集 (DAQ)设备

3、。安装螺栓端子带有一定角度, 使I/O信号与37针D-Sub DAQ设备的连接更为简易。图3 D-Sub接线板1.4. DJ6机电实验平台工作原理1）选择开关使用选择开关确定当前为直流电机工作还是步进电机工作，或处于停机状态。停机状态并不是断电状态，所以平台较长时间不操作，请关闭开关或拔掉电源插头，以减少发热，提高机器寿命。2）传动部分直流电机和步进电机通过橡胶传动带而联动。步进电机的轴同时连接蜗杆传动减速机构，再通过齿轮和皮带部分，将电机的圆周运动转换成皮带的水平运动。3）指示部分皮带水平运动的位移量用指针和刻度尺来量化表示。刻度尺分为16大格，每大格长度为1厘米；每大格分为10小格，每小格

4、长度为1毫米。皮带移动同时带动右端的一只多圈线绕电位器转动，通过改变电位器的接入阻值而改变反馈回的电压值，并送入控制接口插座的IN0脚。该反馈电压值可用于计算当前的位移量。4）限位和断位机构为了防止指针移出正常工作范围，造成皮带机构卡死或损坏，皮带的两端设有左右限位和断位机构。当指针到达左右限位或断位光敏管位置时，光敏管将产生左右限位或断位信号（低电平有效）。机构产生的断位信号为平台控制电路使用。断位信号有效时，平台控制电路将强行切断电机的输出并点亮故障指示灯，启动故障蜂鸣器报警。这时，只能使用左移或右移键将指针移回正常工作范围，电机才会再次启动。机构产生的左右限位信号分别送入控制接口的PI0

5、和PI2口，并将左右限位信号的逻辑“与”结果送入控制接口PI6。用户可以灵活使用这几个信号来控制电机的行为。5）测速部分直流电机的轴连接一个测速圆盘（栅格盘），配合测速光敏管，根据电机的转速，产生一定频率的脉冲信号。该脉冲信号被送入控制接口插座的PI4脚，可采集用于计算电机的转速。6）控制部分直流伺服测速电机部分正常状况下，由LabVIEW编程送出05V的模拟信号，加在直流电机两端，驱动直流电机转动。经一系列传动，带动指针左右移动。当LabVIEW输出电压为0V时，直流电机以最大速度转动，带动指针以最快的速度左移；当LabVIEW输出电压逐渐增加时，功放输出逐渐减小，直流电机转速减小，指针左移

6、速度变慢；当LabVIEW输出电压为2.5V时，直流电机（理论上）停转，指针停止移动；当LabVIEW输出电压逐渐增加，功放输出负电压，直流电机开始反向转动，指针右移（0V，电机正转，指针左移；2.5V，电机停转，指针静止；5V，电机反转，指针右移）。步进电机（四相）部分正常状态下，PCI-6010板卡接收上位机传来的步进脉冲经缓冲驱动后输出给步进电机。当检测到急停、左移、右移、左断位、右断位信号时，控制程序将作用，控制步进电机分别作出相应的处理。步进电机的速度可以由调节周期控制，步进电机正转时应送出的脉冲顺序（以四相八拍为例）为：A®AB®B®BC®C

7、®CD®D®DA®A。按键部分“左移”、“右移”按键按下时，当前工作的电机（由选择开关确定）将强制执行左移和右移。用户可使用这两个按键调整指针的位置。如前所述，当指针到达断位光敏管位置时，将由硬件强行使电机停转，同时故障报警。而此时，只有用左、右移位键才能将指针移动，且右断位时只有左移键有效，左断位时只有右移键有效。“急停”按键按下后，当前工作电机将强制停转，同时点亮报警指示灯。此时，“左移”“右移”按钮仍有效。再次按下“急停”按键，则解除急停状态，报警指示灯熄灭 ，电机恢复原工作状态。I/O信号部分D/A：为直流电机驱动电压输入端，输入电压范围为0+5

8、V。IN0：为多圈线绕电位器中心抽头电压输出，可采样计算当前指针的位置。正常工作电压范围为0+4.0V。PI0：左限位信号，当指针移到左端限位光敏管处时有效。低电平有效。PI2：右限位信号，当指针移到右端限位光敏管处时有效。低电平有效。PI4：测速光敏管产生的计数脉冲信号，用户可采集用以计算电机的转速。PI6：为左限位信号和右限位信号经逻辑“与”操作的结果信号，低电平有效。可将PI6脚信号引入中断或查询PI6脚状态来判断限位信号产生，再通过读入PI0和PI2来区分左右限位，用于实际编程。PO4：向此脚输出低电平可点亮报警指示灯并激发蜂鸣器报警，提供给编程者使用。PO6：向此脚输出高电平，可立即

9、切断直流电机的驱动电压。用户可以用此脚信号，控制直流电机急停。此脚电平对步进电机无影响。A、B、C、D：为四相步进电机驱动信号输入端。用户可以通过编程产生步进码，送入此四脚来控制步进电机的运转。GND：为电源地。+5V、+12V：为电源电压引出脚。其通断由控制板电源引出开关控制。 二 步进电机功能实现 1. 设计目的：1）了解步进电动机的基本结构和工作原理。2）掌握步进电动机驱动程序的设计方法。3）掌握步进电动机控制系统的硬件设计方法。4）掌握步进电动机速度调节、方向控制技术。5）掌握步进电动机变频启动的控制技术。2. 设计过程：1）实验接线接线板上17、36、37、19（P1.0P1.3）依

10、次接机电平台A、B、C、D插孔。接线板上16（D GND）接机电平台地GND。 2）步进电机的三种工作方式控制 步进电动机的运转是由电脉冲信号控制的，步进电动机的角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每给一个脉冲，步进电机就转动一个角度（步距角）或前进/倒退一步。步进电机旋转的角度由输入的电脉冲数确定。我们可以根据分配表给步进电机4相A，B，C，D不同的拍数决定工作模式。ABCDABCDN1000N1100N+10100N+10110N+20010N+20011N+30001N+31001 表1 四相单四拍脉冲分配表 表2 四相双四拍脉冲分配表ABCDN1000N+11100N+20100N+30

11、110N+40010N+50011N+60001N+71001 表3 四相八拍脉冲分配表 3）步进电动机速度调节和方向控制 步进电动机是用电脉冲进行控制的电机，调节电脉冲的周期，就可以改变电机的速度；改变通电顺序，即改变定子磁场旋转的方向，就可以达到控制步进电动机正反转目的。如步进电机以四相单四拍方式工作时，按A®B®C®D®A次序通电时，为正转；如按A®D®C®B®A次序通电时，为反转。根据上表1,2,3，具体在LabVIEW,实现体现为：以四相单四拍为例,正转: case 0:data=0b1000;break

12、;case 1:data=0b0100;break;case 2:data=0b0010;break;case 3:data=0b0001;break;反转：case 0:data=0b0001;break;case 1:data=0b0010;break;case 2:data=0b0100;break;case 3:data=0b1000;break; 4）步进电机变频启动步进电机启动时，由于系统惯性及负载的影响，启动力矩较大。电机无法从静止状态瞬间加速到正常工作转速。为了防止步进电机失步，在实际系统中必须采用变频启动的方法：电机低速启动，获得较大的力矩，再通过增加驱动脉冲的频率，使电机逐

13、步加速到正常工作转速。 具体在LabVIEW实现体现为：启动时，脉冲间隔为500ms，随着temp的增加，脉冲间隔逐渐减小。步进电机完成加速过程，直到脉冲间隔为最小值20ms。3. 原始记录： 图5 步进电机程序 图6 步进电机前面板4. 数据分析与结论： 在LabVIEW中首先通过事件语句选择步进电机模式，并且可以选择电机正反转，在电机启动时加入变频启动，通过显示控件得到步进电机运行。三 直流电机功能实现1. 设计目的：1）了解直流电动机的工作原理。2）学会直流电动机驱动程序的设计。3）了解LabVIEW在实时控制系统中的测量位置的基本原理、基本方法。4）掌握A/D电路的综合接口技术，提高实

14、时控制系统的设计和调试能力。5）了解LabVIEW在实时控制领域中的转速测量的基本原理、基本方法。6）掌握光敏管和栅格盘组合的测速技术和LabVIEW中定时/计数器的灵活 运用。2. 设计过程：1）实验接线接线板上1（AI0）接机电平台IN0 插孔；12（AO0）孔连接机电平台的D/A插孔；32（PFI 1）连接机电平台的PI4插孔；11（AO GND）连机电平台地GND。 2）通过DAQ助手测出停转电压，零度调整和满度调整 我们通过DAQ助手测出的停转电压约为2.4V（死区停转电压范围为2V-2.7V），根据NI MAX软件测出0cm刻度时对应的电压值，并通过调整使得输出电压值约为0V；测出

15、16cm刻度时对应的电压值，并通过调整使得输出电压值约为4V；此时任意时刻的测量电压都可以与实际位置对应起来。 3）直流电机速度调节和方向控制 在本实验中，我们可以通过改变施加于电机两端的电压大小达到调节直流电机转速的目的；可以通过改变电枢电流的方向来改变直流电机运转方向。当我们通过旋钮改变输出的电压值小于停转电压时，电枢电流就会反向，它们的差值越大，反转的速度越快；同理；输出电压值大于停转电压时，正转速度随着它们差值的增大而增大。 4）直流电机位置测量与控制 通过机械机构将直流电机的角位移转换为直线位移，利用电位器和A/D转换器，构成一个测位置系统。当直流电机运转时，带动电位器旋转，电位器输

16、出值模拟量，通过A/D转换采集数据。电位器输出模拟量与指针位置成近似线性关系，也就是说，采集的数字量，就反映出指针所指示的位置。 当实际位置比希望位置大于0.1cm时，输出电压值为0V，电机以反转最大转速运行，到达希望位置后，瞬间输出电压值为2.4V，电机停止；当希望位置比实际位置大于0.1cm时，输出电压值为5V，电机以正转最大转速运行，到达希望位置后，瞬间输出电压值为2.4V,电机停止；当实际位置比希望位置大于-0.1cm,并且小于0.1cm时，电机停止。 5）直流电机转速测量 当被测信号的频率比较低时，测周法测量频率：测周法的基本思想就是测量在限定的脉冲个数之间的时间间隔，然后换算成频率

17、；当被测信号的频率比较高时，测频法的基本思想就是采用在已知时间内对被测信号输入的脉冲个数进行计数的方法实现对信号频率的测量。我们可以通过改变LabVIEW中周期值进而改变频率。DAQ助手中配置的频率范围为2Hz-1kHz。在本实验中主要采用测频法，在一定时间内测取旋转编码器输出的脉冲个数。本次实验采用M法测速。在一定时间Tc内测取旋转编码器输出的脉冲个数M1，用以计算这段时间内的转速，称作M法测速。把M1除以Tc就可以得到旋转编码器输出脉冲的频率f1=M1/Tc。电机每转一圈共产生Z个脉冲（Z=倍频系数*编码器光栅数），把f1除以Z就得到在单位时间内电动机的转速。在习惯上，时间Tc以s为单位，

18、而转速是以r/min为单位，则电机转速为 n=60*M1/(Z*Tc)。 在本实验中，电机转一圈产生18个脉冲，则Z=18，用DQA助手采集的频率为f1，又Tc以秒为单位，而转速n是以r/min为单位，所以最后转速的公式为n=60*f/18。6）拓展内容：使用数字PID控制实现位置控制和速度控制数字PID控制算法有：位置型算法，增量型。本次实验采用增量型。通过一个条件选择框选择是对速度的控制还是对位置的控制。2.原始记录： 图8 直流电机程序 图9 直流电机前面板 图10 PID控制前面板 图11 硬件模块4.数据分析与结论：在直流电机实验中，首先通过DAQ助手采集实际位置对应的电压值，然后数

19、值乘以4就得到实际位置，然后与希望位置比较，当实际位置比希望位置大于0.1cm时，输出电压值为0V，电机以反转最大转速运行，到达希望位置后，瞬间输出电压值为2.4V，电机停止；当希望位置比实际位置大于0.1cm时，输出电压值为5V，电机以正转最大转速运行，到达希望位置后，瞬间输出电压值为2.4V,电机停止；当实际位置比希望位置大于-0.1cm,并且小于0.1cm时，电机停止。由于停转电压有一定的死区，还有调零和调满刻度都会有一定的误差，都会造成测量误差。在用PID数字控制电机位置的实验中，采用增量型算法，将希望位置与实际位置的差值作为PID控制输入，并每间隔一个采样周期采集数据，送入PID输入，经过PID算法，得到PID增量，加上电机停转电压就可以得到PID控制量