USB-6341控制伺服电机实验报告

1、伺服控制系统课程设计预习报告姓 名：专 业：电气工程及其自动化指导教师：完成日期：_2016.10.30一、课程设计目的1、掌握初步的自动控制系统集成概念和工程动手能力，学会分析和解决实 际工作屮出现的问题；2、培养学生能够运用现代工程工具和信息技术工具对复朵电气工程问题进 行预测和模拟，并理解其局限性。二、课程设计内容及要求综合运用直流电机调速、电力电了与pwm控制、门动控制与pid闭环调 节、转速传感器与检测等基本原理与技术知识，在基于计算机的 labview/daq测控平台上，完成双直流电机同步伺服 控制系统的建立，调整 控制参数，设计人机接口，观察实验波形和调速效果，得出实验结论。具休

2、要 求包括：1、检索伺服电机控制系统的技术资料，了解其应用现状与发展趋势。2、参阅labview/daq实验平台的官方英文资料，熟悉实验开发系统。3、常握整个伺服电机实验系统的结构、原理，重点熟悉各环节在整个系统 中地位及工作原理。4、掌握labview/daq数据采集、pid控制、pwm驱动器设计方法。5、在labview中实现电机控制软件的设计，实现转速闭环pwm输出控 制。6、独立完成课程设计报告的编写。7、进行课程设计的答辩汇报。三、课程设计实验设备!1!实验设备的使用表1 实验设备名称与数量设备名称数址计算机1台labview开发软件系统1套nt usb-6341系列数据采集套件1套

3、直流电机2套h桥驱动电路2套转速编码器2套直流电源1台1、labview的编程方法简述labview (laboratory virtual instrument engineering)是一种图形化的编程 语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据 采集和仪器控制软件。labview集成了与满足gpib、vxl rs-232和rs-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用tcp/ip、 activex等软件标准的库函数。这是一个功能强大11灵活的软件。利用它可以方 便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都牛动有趣。图 形化的

4、程序语言，乂称为“g%吾言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码, 取而代z的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟 悉的术语、图标和概念，因此，labview是一个面向最终用户的工具。它可以 增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统 的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提 高工作效率。利用labview,可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的 32位编译器。像许多重要的软件一样,labview捉供了 windows、unix、linux、 macintosh的多种版本。具体來说，它是直观的前面板与流程图

5、式的编程方法的结合，是构建虚拟仪 器的理想工具。labview与仪器系统的数据采集、分析、显示部分一起协调工 作，是简化了而又易于使用的基于图形化的编程语言g的开发环境。流程图式 的程序设计与科技工程人员较为熟悉的数据流和方块图的概念是一致的，而且由 于流程图与传统程序设计语言的语法细节无关，构建和测试程序就可以少费时 间。使用流程图方法可以实现内部的自我复制，可以随时改变虚拟仪器来满足自 己的需要。与传统的编程方式相比，使用labview设计虚拟仪器，可以提高效 率410倍。同时，利用其模块化和递归方式，用户可以在很短的时间内构建、 设计和更新自己的虚拟仪器系统。2、usb-6341的基本规

6、范简述数字i/o/pfi：usb-6341的数字i/o/pfi的各种特性以如下表29：表2 数字1/0/pf1的静态特性器件：配置要求：通道数共 24 个，8 (p0. <0. .7», 16 (pfk0. 7>/pl, pfi <8. 15>/p2)参考地d gnd方向控制各端子可通过编程独立配置为输入或输出下拉电阻常规50 kq,最低20 kq输入电压保护±20 v,最多两个引脚表3 端口的波形特性端口 0 (p0. <0. 7» 的特性：配置要求：端口 /采样容量最高8位波形生成(do) fifo2, 047个采样波形采集(di

7、) fifo255个采样表4 d0或di采样时钟频率pcte/pxie0 wk1 mhz,収决于系统和总线活动usb0 mhz1 mhz,取决于系统和总线活动表5 数据传输要求pcie/pxiedma (分散-收集)、编程控制i/ousbusb信号流、编程控制i/o数字线滤波器设置160 ns、10. 24 u s、5. 12 ms、禁用表6pfi/端口 1/端口 2功能功能静态数字输入、静态数字输出、定时输入、定时输出定时输出源多个at、ao、计数器、dk d0定时信号去抖动滤波设置90ns、5.12 us、2.56ms、自定义间隔、禁用； 可编程的信号高低转换；每个输入可独立配置表7工作条

8、件输入高电压(vth)最小值2.2 v最大值5. 25 v输入低电压(vil)最小值0 v最大值0.8 v输岀高电流(toh)p0. <0. 7>-24 ma ,最大值pfk0. 15> /p1/p2-16 ma ,最大值输出低电流(10l)p0. <0. 7>24 nia ,最人值pf1 <0. 15>/p1/p216 ma ,最大值数字i/o特性：正向阈值(vt+)2. 2 v,最大值反向阈值(vt-)0. 8 v,最小值迟滞差值(vt+ - vt-)0. 2 v,最小值iil输入低电流(vin = 0 v)-10 p a,最大值iih输入高电流(

9、vin = 5 v)250 u a,最大值（2）通用计数器:表8通用计数器计数器/定时器数量32位分辨率4计数器测量边沿计数、脉冲、脉冲宽度、半周期、周期、双边沿间隔位置测量xi、x2、x4正交编码（带复位通道z）:双脉冲编码采样脉冲、动态更新的脉冲序列、频分、等时采样内部基准时钟100 mhz、 20 mhz、 100 khz外部基准时钟频率pcte/usb0 mhz25 mhzpxle0 mllz25 mhz； 0 mhz100mii(pxte_dstar<a,b)上基准时钟精度50 ppm输入gate、source> hw_arm> aux、a、z、up_down 釆样

10、时钟输入连线选项pcie任意pfi、rtsi、多种内部信号pxle任意 pfi、pxie_dstar<a,b>、pxi trig、pxi star、多种内部信号usb任意pfi、多种内部信号fifo127个采样/计数器数据传输pcie/pxie各计数器/定时器专川分散-收集dma控制器、编程控制i/ousbusb信号流、编程控制1/0（3）频率发生器:表9 频率发生器内部要求：数值：通道数1基准吋钟20 mhz、 10 mhz、 100 khz分频数116基准时钟梢度50 ppm输出连接任意pfi或rtsi接线端电流限制:警告：对于pcie,未安装磁盘驱动电源连接器时p0/pfi/

11、p1/p2和+5 v端 了组合不得超出最大值1a；已安装磁盘驱动电源连接器时+5 v端了（连接器0） 不得超出最大值5v, p0/pfi/p1/p2组合不得超出最大值1a。对于pxie, +5 v端 子（连接器0）不得超出最大值5v, p0/pfi/p1/p2组合不得超出最大值2a。对 于usb, 5 v端子（连接器0）不得超出最大值5v, p0/pfi/p1/p2组合不得超出最大值2a。超出电流限制可能引起设备和/或计算机/机箱不可预期的后果！ （5）最大工作电压：最大工作电压指信号电压和共模电压之和。通道对地电压需要小于hvo 警告：在measurement category ii>

12、 iii和iv中，请勿使用设备进行测量。ai 0 (ai 0)6834al 8 (al g-)aignd6733al 1 (al u)ai 9 (al 1-)6632aigndai 2 (ai 2)6531al 10 (al 2-)al gnd6430al 3 (al >)ai 11 (ai 3-)6329aigndal sense6228al 4 (al 4>)al 12 (al 4-)6127aigndal 5 (al 5)6026al 13 (al 5-)al gnds925al 6 (al 的al 14 (al 6-)5824aigndal 7 (al 7)5723al 1

13、5 (al 7-)al gnd5622aooao gnd5521ao 1ao gnd5420ncdgnd5319p0.4poo5218dgndp0.55117p0 1dgnd5016p0£p0.24915dgndp0.748145 vp034713dgndpfi 11/p2.34612dgndpfi 10/p2.24511pfi 0/p1.0dgnd4410pfi 1/p1.1pfi 21.2439dgndpfi3/p1.342845 vpfi 4/p1.4417dgndpfi 13/p25406pfi 5zp4.5pfi 15/p2 7395pfi6/p1.6pfi7/p1.738

14、4dgndpfi 8/p2.0373pfi9/p2.1dgnd362pfi 12/p2.4dgnd351pfi 14/p2.6技线鎬34nc 无连接图 1 ni pcte/pxte-6341 引脚al 8 (al 0-)2al gnd3al 1 (al u)4al 9 (al 1-)5al gnd6al 2 (al 2+)7al 10 (al 2-)8al gnd9al o(a1 0*)1al 3 (al 3*)10al 11 (al 3-)11al gnd12al sense13al gnd14aoo15ao gnd 16s?<17 ai 4 (ai 4>)18 ai 12 (a

15、i 4-)iq al hmdpo.op0.120 al 5 (al 5*)p02p0.3p0.4p0521 al 13 (al 5-)22 al gnd23 al 6 (al 6>)24 zu 14 (xu 6-)25 al gndp0.6p0.7pfi 0/p1.0pfi 1/p1.1pfi 2/p1.2pfi 3/p1.3pfi 4/p1.426 al 7 (al 7*)27 al 15 (al 7-)28 zu gnd29 nc30 al gndpfi 5/p1.5pfi 6/p1.631 a0 132 ao gndpfi 7/p1.7n1 usb-6341aisalaaj?:ai

16、gndusb 6341pa接地考jugs)ni usb-634165666768697071727374757677787980螺栓端了引脚w agoo us£r1a吕启口口启启口口吕口口吕口口口吕口口口吕口pfi 8/p2 0 dgndpfi 9/p2.1dgndpfi 1q/p2 2dgndpfi 11/p2.3dgndpfi 12/p2.4dgndpfi 13/p2.5dgndpfi 14/p2.6dgndpfi 15/p2 7 *5v-aodgnd®po.oqp0.1®p0.2qp0.3®dgndqp0.4op0.5qp0£op0.7&

17、#174;dgnd®pfi 8/p2.0®pfi3p2.1©pfi 10/p2.2qpfi 11/p2.3qdgndqpfi 12/p2.4®pfi 13/p2.5qpfi 14/p2.60pfi 152.7®dgndquser 1®user 20dgndq>5v®al gnd®al sense©nc§nc©chs gndbxc询而板和螺栓端子引脚3、双路隔离立流电机驱动模块的使用（1）接口定义拎制倍:;电源指示灯s电源接口主电源指示灯图4接口定义（2）控制信号接口如图5所示，+

18、5v和gnd为控制信号电源，如果控制信号为3.3v,那么 +5v接3.3v； ena、enb分别为电机接口 1和电机接口 2的使能信号，可 以外接pwm； in1in4为两路电机正反传、制动（或称刹车）控制信号。+*fn9enaf聲iihin31ni inin41n2us-ussgn $r八图5 控制信号接口+5' exbin31n4gm)控制逻辑如表10和表11所示。其中0为低电平、1为高平、x为任意 电平，悬空时为高电平。表10电机接口 i控制信号逻辑in1in2enaout1. out21 出xx0无输出，outl、out2悬空0ii1刹车，v(hjtl = v(xjt2 = v

19、gnd101»- v（x. j2 =电源电压01!反转v（xjt2 - v（xn i =电源电丿k111刹车，= vo（m =电源电用 （末连接控制仃号时的默认状态）表11 电机接口 2控制信号逻辑in3in4enbout3、out4 输出xx(1无输出，out3、out4悬空0（）1刹车，vout3 = vout4 = vcndi01正转，v°ut3 vout4 =电源电压01i反转，v°ut4 voutl二电源电压111刹车，v（xjt3 = v（xjt4 =电源电压 （未连接控制信号时的默认状态）（3）使用数字控制引脚控制电机转动接线方法使用数字控制引脚控制

20、电机转动的接线方法如图6所示。数字控制引脚的电 源与驱动板控制信号屯源应共地，但不要与电机屯源pgnd共地。当使用5v 数字控制引脚吋，驱动板+5v接电源+5v；当使用3.3v单片机吋，驱动板+5v 接电源+3.3v。数字控制引脚和张动板控制信号可共用一电源或 各自独立供电 （但一定要共地）。ena为与单片机的一个gpio或pwm输出端口相连， 当ena为高电平时，驱动板使能，止反转或刹车有效，如杲是pwm信号， 那么可对屯机进 行调速；低屯平时，驱动板禁能，屯机接口无输出。in1和in2 与数字控制引脚的两个gpio连，控制电机正反转及刹车。驱动逻辑见表10。9-24vn pgnd6.&am

21、p;26v电源eqrih2403nd10<0 ull< ktx«m22420m2 2s7ic-ao二、x：图6 使用单片机控制电机转动接线示意图4、增量式输出的霍尔编码器的使用（1）编码器简介：霍尔编码器是一种通过磁电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲 或数字量的传感器。霍尔编码器是由霍尔码盘和霍尔元件组成。霍尔码盘是在一 定直径的圆板上等分地布置冇不同的磁极。霍尔码盘与电动机同轴，电动机旋转 时，霍尔元件检测输出若干脉冲信号，为判断转向，一般输出两组存在一定相位 差的方波信号（2）编码器接线说明：红线：徧码器电源线 绿线：编码器a相输出 白线：编码器3相输出 黑线

22、：徧码器地线图7电机编码器实物这是一款增量式输出的霍尔编码器。编码器有ab相输出，所以不仅可以测 速，还可以辨别转向。根据上图的接线说明可以看到，我们只需给编码器电源 5v供电，在电机转动的吋候即口j通过ab相输出方波信号。编码器自带了上拉电 阻，所以无需外部上拉，可以直接连接到单片机10读取。五、课程设计原理分析(1) 直流电机的优缺点：直流电机优点：起动和调速性能好，调速范围广平滑，过载能力较强，受电 磁干扰影响小；直流电机具有良好的启动特性和调速特性；直流电机的转矩比较 大；维修比较便宜；直流电机的直流相对于交流比较节能环保。直流电机缺点：直流电机制造比较贵，有碳刷;与异步电动机比较，直

23、流 屯动机结构复杂，使用维护不方便，而11要用直流电源；复杂的结构限制了直流 电动机体积和重量的进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨 损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换 向火花既造成了换向器的电腐蚀，述是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备 带来有害的影响。电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。所以，普通直流 电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、人容量的发展。(2) 直流电机的主要应用直流电动机应用广泛。使用最广的就是直流电动工具。直流电动工具是一种 运用小容量直流电动机或电磁铁，通过传动机构驱动工作头的手持式或可移式的 机械化工

24、貝。世界上第一台直流电动工具是1894年制造的电钻。1900年制造出 三相工频电钻，由三相异步电动机驱动。1913年生产出首批由单相串激屯机驱 动的交、直流两用电钻。20世纪80年代后，随着世界经济的发展，电动工具技 术得到迅速发展。到新世纪初，世界电动工具的品种发展到近千个，年产量超过 1亿台。电动工具结构轻巧，携带方便。它比手工工具可捉高劳动生产率几倍 到几十倍，比传统的风动工貝效率高、费用低(勿需空压机)、震动和噪声小、 易于自动控制。因此，电动工具逐步取代手工工具，已广泛应用于机械，建筑、 机电、冶金设备安装，桥梁架设，住宅装修，农牧业生产，医疗、卫生等各个方 面。并且广为个体劳动者及

25、家庭使用，是一种量大面广的机械化工具，发展前景 十分广阔。在发电厂里，同步发电机的励磁机、蓄电池的充电机等，都是直流发 电机；锅炉给粉机的原动机是直流电动机。此外，在许多工业部门，例如大型轧 钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备要求严格线速度一致 的地方等，通常都采用直流屯动机作为原动机來拖动工作机械的。直流发电机通 常是作为直流电源，向负载输出电能；直流电动机则是作为原动机带动各种生产 机械工作，向负载输出机械能。在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如 测速电机、伺服电机等。（3）h桥对直流电机进行伺服速度控制。所谓h桥驱动电路是为直流电机而设计的一种常见电路，它主要实现

26、直流 电机的正反向驱动，其典型电路形式如下：vccri.oov¥dc motor<>6a b d图8 h桥典型电路从图中可以看出，其形状类似于字母“ii”，而作为负载的直流电机是像“桥” 一样架在上面的，所以称之为“ h桥驱动”。4个开关所在位置就称为“桥臂”。 从电路屮不难看出，假设开关a、d接通，电机为正向转动，则开关b、c接通吋， 直流电机将反向转动。从而实现了电机的正反向张动。借助这4个开关还可以产 生电机的另外2个工作状态：a）刹车 将b、d开关（或a、c）接通， 则电机惯性转动产生的电势将被短路，形成阻碍运动的反电势，形成“刹车”作 用。b）惰行 4个开关全部

27、断开，则电机惯性所产生的电势将无法形成 电路，从而也就不会产生阻碍运动的反电势，电机将惯性转动较长时间。 以上 只是从原理上描述了h桥駆动，而实际应用中很少用开关构成桥臂，通常使用晶 体管，因为控制更为方便，速度寿命都长于冇接点的开关（继电器）。 细分下 来，晶体管有双极性和mos管z分，而集成电路（例如l298）只是将它们集成而已，其实质还是这两种晶体管，只是为了设计、使用方便、可靠而做成了一块电路。 双极性晶体管构成的h桥：mos管构成的h桥:vccdc motor图10 mos管构成的h桥驱动电机时，保证ii桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如杲 三极管ta和tb同时导通，那么屯

28、流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。 此吋，电路屮除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最 大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。基于上述原因，在实际张 动电路屮通常耍用硕件电路方便地控制三极管的开关。 图11所示就是基于这 种考虑的改进电路，它在基木ii桥电路的基础上增加了 4个与门和2个非门。4个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的 开关。而2个非门通过提供一种方向输人，可以保证任何时候在h桥的同侧腿上 都只有一个三极管能导通。hnable图11具有使能控制和方向逻辑的h桥电路采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两

29、个方向信号和一个 使能信号。如杲dir-l信号为0, dir-r信号为1,并且使能信号是1,那么三 极管q1和q4导通，电流从左至右流经电机（如图12所示）；如果dtr-l信号 变为1,而dir-r信号变为0,那么q2和q3将导通，电流则反向流过电机。vcc12 分立元件的h桥驱动电路图(4) pid三个控制参数的主要功能：(1) 比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比 例调节立即产生调节作用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差， 但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造系统的不稳定。(2) 积分调节作用：是使系统消除稳态误差，捉高无差度。因为冇误差， 积分调

30、节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的 强弱取决于积分时间常数ti, ti越小，积分作用就越强，反之积分作用就弱， 加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与其他两种调节 规律结合，组成pi调节器或pid调节器。(3) 微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具冇预见性， 能预见偏弟变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏弟还没有形成2前， 已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能，在微分吋间选择合适 的情况下，可以减少超调，减少调节吋间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因 此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反映的是变化

31、率，而当输 入没冇变化是，微分作用输岀为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调 节规律相结合，组成pd或pid控制器。(4) pid参数工程整定方法：系统整定是指选择调节器的比例度、积分吋间ti和微分吋间td的具体数值。 系统整定的实质，就是通过改变控制参数使调节器特性和被控过程特性配合好， 来改善系统的动态和静态特性，求得最佳的控制效果。系统的良好控制效果一般 要求：瞬时响应的衰减率(0. 75-0. 9)(以保证系统具有一定的稳定性储备)，尽 量减小稳态偏差(余差)、最大偏差和过渡过程时间。工程上得到广泛应用的pid参数整定方法通常有：动态特性参数法、临界比 例度法、衰减曲线法、现场实

32、验整定法等。它直接在过程控制系统中进行，其方 法简单，计算简便，而且容易掌握。在实际应用屮，将调节器的整定参数按先 比例、后积分、最后微分的程序置于某些经验数值后，再作给定位扰动，观察系 统过渡过程曲线。若曲线还不够理想，则改变调节器的§、ti、td值，进行反 复凑试，以寻求最佳的整定参数，直到控制质量符合要求为止。控制器设计总体指标可以概插为：稳、准、快，均衡调节以kp、ki、kd三参数则可一定程度上满足上述三个指标的要求。在控制初期，关键要克服各环节 的滞后，为了避免积分饱和造成较大超调，ki应选的小一些。在控制中期，系 统偏差以减小，但为了不过分影响稳定性，ki可适当增大一些。

33、在调节过程后 期，为减小稳太误差，提高控制精度，ki可选取更大一些。在控制初期，为尽 快消除偏差，捉高响应速度，kp应该取大一些；在控制过程中期，为了防止超 调过大造成震荡，kp耍减小些；在控制过程后期，则耍克服超调，使系统尽快 稳定，kp值要再减小一些。纯大滞后系统在控制中，容易产生超调，使系统失 稳。其主要原因是：其吋滞阶段对误差的积分太大。因此，为了改善纯大滞后系 统的相应特性，对积分因子提出了新的要求。（5）直流电机闭环伺服调速控制系统框图pwm转速给定控制器驱动器 电机装置转速反馈 v图13转速伺服闭环控制系统原理框图六、实验步骤准备1、做出usb-6341的硬件资源分配，给出其与驱

34、动器控制端口的对应关系表本次实验出计数器1即力号引脚采集电机1转速，计数器0的89号引脚输 出信号到驱动器的in1端口，计数器3的79号引脚釆集电机2的转速，计数器 2的93号引脚输出信号到駆动器的in3端口。usb6341的具体硕件资源分配与 驱动器控制端口的对应关系表如下所示：表12 板r引脚与驱动器端子接线表驱动器引脚板卡引脚驱动器引脚板卡引脚+5v96in189 (pft 12)gnd941n294ena961n393 (pfi 14)enb96in494usb-6341数据采集卡屮的计数器直接测量脉冲频率，再根据增量式编码器 一圈输出390个脉冲信号求出实际转速。同时，计数器将调制的pwm信号输出 到驱动器控制接口。usb6341数据釆集卡的硬件资源引脚编号如2表13usb-6341计数器端子编号计数器/定时信号默认的引脚编号（名称）ctr 2 src73 (pft 0)ctr 0 src81 (pft 8)ctr2gate74 (pft 1)ctr 0 gate83 (pf1 9)ctr 2 aux75 (pfi 2)ctr