整理NEW基于LabVIEW的电机转速测量与控制虚拟仪器设计

1、精品文档广州大学本科毕业设计任务书基于LabVIEW的电机转速测量与控制虚拟仪器设计机械与电气工程学院机械设计制造及其自动化学生姓名 指导教师基于 LabVIEW 的电机转速测量与控制虚拟仪器设计机械设计制造及其自动化 专业指导老师摘要 本文先简述电机测速与控制的意义以及国内外的电机发展概况，然后介绍传 感器测量电机转速的相关方法以及几种常用的转速控制方法。 基于 LabVIEW 平台和PID 控制NI 公司的 USB6008 采集卡，通过光电传感器将采集到的电压信号转化为脉冲信号， 再经过对脉冲信号的周期测量及数学运算，从而得出电机的实时转速。在调节电机 转速方面，主要是通过调节电机电枢的电

2、压，达到调速的效果，同时使用 理论，让转速能够在短时间内达到用户的需求。关键词 LabVIEW ；转速测量；电机控制； 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精品文档目录1前 言1.1选题目的和意义1.2国内外微电机发展概况1.2.1 我国微电机行业现状1.2.2 国外微电机行业现状1.3电机控制相关技术发展现状1.4本课题设计要求2. 电机转速测量与控制技术2.1常见的几种测速转速方法2.2霍尔效应传感器测速2.2.1 霍尔效应原理2.2.2 霍尔传感器使用原理2.3光电传感器测速2.4本课题使用的测速方法2.5常见的电机种类2.6微特电机简介2.6.1 伺服电动机122.6.2 测速发电机122.6.3 步进电动机2.7本课题使用的电机132.

6、8电机转速控制理论152.8.1 PID 控制理论152.8.2 其他控制理论173. 虚拟仪器的概述193.1 虚拟仪器的简介193.2 虚拟仪器的特点193.3 虚拟仪器的组成204. 转速测量与控制系统的设计205. 改进方案5.15.34.1系统设计构思 214.2测控系统的硬件设计 214.2.1 光电传感器 TLP-850. 224.2.2 数据采集卡 USB-6008 244.2.3 模拟输入端口 264.2.4 模拟输出端口 264.2.5 硬件设备的搭建 274.3测控系统的软件设计 274.3.1 数据采集程序 284.3.2 数据测量程序 304.3.3 数据运算程序 3

7、14.3.4 PID 控制程序 324.3.5 数据输出程序 354.4实验结果分析 364.4.1 实验运行结果 364.4.2 实验结果分析 37395.1.1 设计构思 395.1.2 测控系统的硬件设计 395.1.3 测控系统的软件设计 405.1.4 实验结果及分析 40方案二 415.2.1 设计构思 425.2.2 测控系统的硬件设计 425.2.3 测控系统的软件设计 425.2.4 实验结果及分析 42方案一395.2方案三43445.3.1 设计构思5.3.2 测速系统的硬件设计445.3.3 测速系统的软件设计44445.3.4 实验结果及分析6. 结论44致谢47参考

8、文献48附件 1 程序前面板49附件 2 程序后面板501 .前言1.1选题目的和意义电动机的出现，使电力代替蒸汽这种动力成为了新能源，同时也促进了第二次 工业革命的推进。时至今日，大至生产行业的冶炼生产，小至生活用品的电工牙刷, 都离不开电机的使用。其中与我们的生活密切相关的电机应该要算微特电机了，因 为在汽车电装、音响影像、光学精密、家电等其他的领域，都会找到微型电机的身 影（如图1-1所示）。好比家用电吹风里的电机，要实现档位的转换，也就是要实现 对电机的转速进行调速；倘若是运用在医疗设备中的电机，那么对电机的调速要求 则更加严格，因为如果电机在调速过程中发生了过大的误差，其后果是不堪设

9、想的。因此如何能快速精确调节电机的转速具有一定的研究意义。同时在一些大型设备中,将电机的转速调解在适当的范围内，也能起到节省能源，提高效率的效果。二 m兰 JH:<»£(fl/图1-1微型电机在各领域中的应用1.2 国内外微电机发展概况1.2.1 我国微电机行业现状自改革开放以来，我国对微型电机的需求日益递增。过往曾经大批量、大规模生产传统规格的微型电机，其中有统计数据表明，我国微特电机的生产量约为40 亿 台，占全世界的总产量的 59%。现今用户对电机的性能要求也不断地提高，但是国内对技术含量高的微特电机仍然没有具备大规模生产产品的能力。1.2.2 国外微电机行业现

10、状与国内微电机的发展情况相比，国外的微电机正在向质量好、厚度薄、噪声小、 效率高等性能方面进行了大量的研发工作。尤其日本在该方面一直处于领先的地位， 在 IT 产品领域的微电机， NIDEC 、JVC、PANASONIC、SAMSUNG 这四家国际企 业更是用了世界电子市场的 75%。其中全球最大的微电机制造厂商日本 Mabuchi 公 司，在我国各省也设有生产车间。1.3 电机控制相关技术发展现状目前，在生产中，大多数的工厂对电机的控制所用的技术为异步电动机的矢量 控制技术，更为先进的是无传感器的直接转矩控制技术。伴随着测控技术的不断成 熟以及传感器的测量精度范围不断提高，电机控制技术也上升

11、到了一个新的台阶。在往后的电机控制技术的发展中，对交流电机转速的控制将是研发的重点。结合当 前的数据处理技术以及传感器测量技术的发展情况，对解决异步电动机非线性解藕 控制和参数选择性问题有很大的帮助。1.4 本课题设计要求1. 设计一套电机测速的硬件系统2. 采用 LabVIEW 软件平台设计相关的软件部分，要求能够通过数值或图形实时 显示转速的变化，用户需求值。3. 掌握和运用 PID 控制理论。4. 熟悉数据采集卡的模拟输入、模拟输出、计数器等功能的用法。5. 利用实验室现有条件进行一定的模拟试验。2. 电机转速测量与控制技术2.1常见的几种测速转速方法测量转速的方法一般分成两种：一种是直

12、接法，也就是直接测出电机在固定的 时间内转动的圈数来得到电机的转速；另一种则是间接法，简单来说，就是电机主 轴在转动的每一瞬间，都会引起了另一种物理量也在变化，而电机的转速与该物理 量有一定的数学关系，那么通过测量其物理量的变化，从而换算出电机的转速。由 于要将电机的转速与其他物理量建立一定的关系，所以这就涉及到传感器的应用。目前一般常用的电机测速方法有霍尔效应传感器测速、光电传感器测速、转矩测速、 离心式测速、磁漏测速、振动测速等方法。2.2霍尔效应传感器测速2.2.1霍尔效应原理将导线放在磁场里面，然后对导线通入电流，这是导线里流过的电子会受到一 个叫做洛伦兹力的作用力，此作用力是与电子的

13、移动方向成垂直的角度，因此导线 间会形成电压差。洛伦兹力为:(2.1)F =q(E + vXB)式中F是洛伦兹力q是带电粒子的电荷量E是电场强度v是带电粒子的速度B 是磁感应强度。222霍尔传感器使用原理若导线输入的电流不变，变化导体附近的磁场强度时，产生的霍尔感应电压也会随之变化，那么可以依据这个原理，在电机主轴的转盘边缘上等距离安装六块永久磁钢，如图2-1所示。当启动电机时，安装在圆盘上的磁钢也随着电机主轴转动,此时在圆盘上的磁钢旁边放置一个霍尔传感器，如图2-2所示。图2-1电机主轴圆盘磁钢、图2-2霍尔传感器由于磁钢间是有间隙的，因此在转盘转动的时候，霍尔传感器外的磁场也在不断 地改变

14、，同时霍尔传感器会因为磁场的变化，在输出端口会有脉冲信号的输出，所 以只要测量出脉冲信号的周期或者频率，就可以简单换算出电机的实时转速。霍尔元件的连接电路如图2-3所示。1）输入端2）接地端 3）输出端图2-3霍尔元件连接电路电机转速与脉冲信号频率关系:(2.2)式中 n电机转速脉冲信号频率2.3光电传感器测速光电传感器的工作原理就是光电效应。当光照射到物体的时候，即为光子跟物 体的能量交换过程，我们将这个过程称之为光电效应。每一个光子所具有的能量为 hv（V为光的频率，h=6.62620 X 10-34J?s为普朗克常熟）。光电效应也可以分为外光 电效应、内光电效应和光生伏打效应。2光电传感

15、器是采集光信号，通过电子电路再 转化为电信号的传感器。由于其装置搭建简单，而且是非接触的，不会对电机造成 损坏，因此在测量电机转速时能达到精度高、稳定性好的效果，所以一般广泛应用 在各种测量转速的系统中。使用时只需将电机转速的变化变换为光信号的变化。根据这个原理，先将待测转速电机上的转盘一半涂上反光的涂料，另一半作透光处理, 如图2-4所示。> yr图2-4光电效应测速设备然后将光电耦合器架设在转盘上。而光电耦合器是由发光器和接收器组成的，使 用方法是在光电耦合器的输入端施加一个电压，使得发光器发光，而实验室中的光 电开关为对射式红外头，当转盘不透明的一端处在开关位置的时候，输出端会输出

16、高电平；当转盘透明的一端处在开关位置的时候，输出端会输出低电平。光电元件 的连接电路及电子特性分别如图2-5所示。If图2-5光电效应连接电路Vcc = 5VoF0UT2.4本课题使用的测速方法由于实验室中对电机转速测量的装置只有霍尔效应测速系统和光电效应测速系统，因此本设计先采用这两套测速设备测量电机的转速，然后对两个系统进行相对应的比较，选出一个使用较方便，数据采集较可靠的系统进行往后的电机转速控制系统的设计。1.霍尔效应传感器使用霍尔效应传感器测速时，将传感器输出端口直接连接到NI USB-6008采集卡的计数器端口，在软件界面能看到数字显示控件在不断地累加，并不能直接得出电机的实时转速

17、。查阅NI USB-6008官方说明书，发现该款采集卡计数器只有输入功能，而且只有边沿计数的功能，因此不可以直接通过采集卡对输入的脉冲进行运算得出脉冲频率，从而换算出电机的转速。另外由于霍尔效应传感器和电机的相对位置没有固定，在电机高速运行时产生的振动让转盘上的磁钢与霍尔元件发生偏移,不利于数据的稳定采集。2.光电效应传感器使用光电效应传感器测速时，将传感器输出端口直接连接到NI USB-6008采集卡的AI端口，由于采集的是电压的脉冲，通过软件自带的波形测量工具能够简单测出脉冲的频率，从而换算出电机的实时转速。同时光电效应传感器安装简单、牢固,在速度测量工作中不易受其他外界因素的影响。综上所

18、述，在测速的过程中，对两个测量系统的三个指标进行比较（如表 2-1），得出光电效应传感器更适合接下来的转速控制系统设计。表2-1霍尔效应传感器与光电效应传感器对比稳定性精确性可操作性霍尔效应传感器一般好一般光电效应传感器好好好2.5常见的电机种类在我们的生活中，电机可以说是随处可见。在大型的车间里，最常用的就是三 相交流换向器电机；在一般的办公室里，最常用的就是直流电动机；在小朋友的电动玩具里，最常用的就是微特电机。随着电机应用的场所不断变化，很多的特殊电机也应运而生，例如应用在煤矿、石油化工这些高危行业里的电机就是防爆电机;对加工车间里要加工齿轮这类精度高的零件就要使用到伺服电机了。电机的种

19、类很多，一般可分为以下几大类（如图 2-6所示）。鉴于实验室可用电机为微特电机，因此本课题的电机测速与控制以微特电机为研究对象。图2-6常见电机分类笼式异步电动机*同步电机Af交疣电动机*绕线转子异步电动机卡直流电动机P电磁亶流电动机永磁直流电动机卜无刷直流电动机P三相交流换向器电动机2交流换向器电动机卫单相交济换向器电动机2步进电动机*微特电动机-H无刷直流电动机卄开关磁阻电动机*V,控制微电动机討2.6微特电机简介在自动控制、自动检测和计算机中，广泛采用各种特色的微型电机称为微特电机。微特电机的款式很多，按工作范围的不同，一般分为控制用微型电机、驱动用 微型电机、信号检测微型电机和信号变换

20、微型电机。而常用的有交、直流伺服电动 机、测速发电机和步进电动机。2.6.1伺服电动机伺服电动机又叫做驱动电动机，工作原理是提供一个的电压的控制信号，通过 硬件设备把信号转换为输出的角位移或者角速度，以此来达到相应的转速。伺服电动机具有控制性能好、响应速度快的特点，大多数的生产工作中都会使用此类电动 机作为驱动元件。伺服电动机分为交流和直流两种（如表 2-2所示）。交流伺服电动机的容量一般为0.1至100W，频率有50Hz、400Hz等多种。直流伺服电动机的容量较大，一般可 达几百瓦。分类结构特点性能特点使用范围鼠笼式与一般笼型转子的异步电动 机转子结构类似。但是转子细而 长，材料一般为铝、紫

21、铜或黄铜体积和励磁电流较 小,机械强度较高，低 速运行不太稳定小功率自动控制系统非磁性 杯型有槽电 枢（电磁或 永磁）用非磁性金属铝、紫铜等制成 杯形转子，杯的内外由内、外定 子构成磁路与一般直流电动机类似。 但是 电枢铁心直接较大，气隙较小体积和励磁电流较 大，转动惯量小，运行 稳定有线性调节的特性以 及下降的机械特性，响 应快速要求运行稳定 的系统一般直流伺服 系统无槽电 枢（电磁或 永磁）电枢铁心光滑，绕组有耐热环 氧树脂固定在铁心表面，气隙大具有一般直流伺服电 机特性，转动惯量小， 换向良好，时间常数小快速动作、大功 率的伺服系统空心杯 形电枢（永 磁式）印刷绕 组电枢（永 磁式）电枢

22、绕组由耐热环氧树脂注 成，电枢内外都有铁心构成磁路磁极需轴向安装，具有扇形面 的极靴。电枢是圆盘绝缘薄板， 上面印刷裸露的绕组时间常数小，低速性 能好时间常数小，低速性能好快速动作的伺 服系统低速启动，正反转频繁的系统无刷电 枢（永磁式）多相绕组定子，永久磁转子， 没有电刷跟换向器寿命长，噪声小，不产生无线电干扰1低噪声要求，咼 真空对无线电不 产生干扰的系统表2-2伺服电动机的分类直 流伺 服电 动机交 流伺 服电 动机1. 交流伺服电动机此电机是由两相绕组组成，其中一相绕组为励磁绕组，另一相绕组为控制绕组,工作原理如图2-7所示。励磁绕组串联电容后接到电源上，使得励磁电压Uf与电源CU电压

23、U有了 90的相位差。而控制电压Uc和电源电压U频率一致，相位相同或相反。要改变电动机转向时，使励磁电压 Uf恒定，同时让电压Ific反相，造成磁场的方向 也随之而改变，于是电动机反转。图2-7交流伺服电动机的工作原理若想改变电机的转速，通过改变电枢电压Uc来达到控制电动机的转速，在带负荷转矩一定的情况下，Uc为1时，电机转速最高，随着Uc的减少，转速也减少。电动机 的机械特性如图2-8所示。图中可以看出，电动机的机械特性很软，而且斜率随着Uc 的改变而改变，不利于电机转速的平稳调整。图2-8交流伺服电动机的机械特性2. 直流伺服电动机要想改变电动机的转速，一般采用的方法是改变电枢电压Uc，从

24、而控制电机的精品文档0转速。当励磁绕组电压Uf恒定时，即磁通保持不变，其等效电路如图2-9所示。图2-9直流伺服电动机等效电路直流伺服电动机的机械特性方程为:Ke©Kt(2.3)式中n转速Uc电枢电压Ke、 Kt与电动机结构有关的发点常数和电磁转矩常数艮电枢电路的电阻磁通T 电磁转矩可以通过控制直流伺服电机的Uc来控制电机的转速，当转矩 T恒定的条件下,Uc的值越小，那么电动机的转速就越低，当 Uc=O的时候，电机就停止转动，直流伺服电机的机械特性如图2-10所示。如果要改变电机的转向，可以通过改变电动机 的电枢电压极性来实现。精品文档精品文档图2-10直流伺服电动机的机械特性2.6

25、.2测速发电机测速发电机的功能是将转速转换为电压信号。由于发电机产生的电压与自身的旋转速率为正比例的关系，因此可以直接测出电机的转速。测速发电机一般分直流 和交流两种。1.直流测速发电机直流测速发电机的整体构造与直流发电机十分近似，其中按照类型可分为永磁式和电磁式。由于永磁式是由永久磁钢励磁制成的，因此即使在温度变化程度比较 大时也不会受到太大的影响，而且有输出误差小、斜率高等特点。电磁式则采用的 是他励式，这种结构容易受到电源以及环境等其他因素的影响，导致输出的电压变 化较大，所以应用得比较少。2.交流测速发电机交流测速发电机的整体构造与交流伺服电动机十分近似，在定子上有相互垂直的两组绕组，

26、一组绕组为励磁绕组，另一组绕组为输出绕组，测速发电机的转子为 杯型。由于杯型的转子在信号的输出中起到决定性的作用，所以其质量的合格与否 直接影响测速发电机的能否正常运行。目前，其技术性能与其他的测速发电机相比, 有结构简单、噪声细小、抗干扰能力强等特点，所以是大多数商家的首选发电机。2.6.3步进电动机步进电动机是一种直接把电脉冲信号转化为角位移或线位移参数的电器设备。步进电动机具有运行精确度高、同步运行性能好、调速范围广、调速速度快、结构 简单等的优点，因此非常适合用于数字控制系统。步进电动机的步距角日角的计算公式为:(2.4)式中N运行拍数Z转子齿数若想改变步进电动机的转向，只需按相反顺序

27、为三相绕组通电即可。2.7本课题使用的电机本课题使用的电机为KYJZ-210检测与转换（传感器）技术实验台里光电式传感器中的微特电机，电机型号为万宝至公司生产的EG-530AD 12v ccw 电机。精品文档1. 电机构造电机主要由大壳、轴承、回转子、永久磁石、电刷、电枢、小壳组成，如图 2-11所示。轴承回转子永久磁石电刷电枢IITj图2-11电机构造2. EG-530AD 12v ccw 电机实物图光电传感器中EG-530AD 12v ccw电机实物图如图2-12所示。图2-12电动机实物图3. EG-530AD 12v ccw电机外形尺寸EG-530AD 12v ccw电机外形尺寸如图

28、2-13所示。/一jCI,7REr,_IJ MAxIr1.06M26XQ,45fd09.517IBcoOJ34,5 REF2-13 EG-530AD 12v ccw 电机外形尺寸4. EG-530AD 12v ccw电机参数EG-530AD 12v ccw电机参数如表 2-3所示。表 2-3 EG-530AD 12v ccw 电机参数型号MODEL电压 VOLTAGE额定负 载RATEDLOAD额定转速RATEDSPEED额定电流RATEDCURRENT负载波动LOADFLUCTUATION起动力矩STARTINGTORQUE使用范围OP ERATINGRANGE额定值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电机机械特性EG-530AD 12v ccw电机机械特性如图2-14所示。6V/OV/n.ftVTK：7 SVt. 3 MWe. GY*0T T *u转矩H紳 ICC图2-14 EG-530AD 12v ccw 电机机械特

30、性2.8电机转速控制理论目前，控制电动机转速广泛使用的方法是改变电机电枢电压，通过增加电机电枢两端电压使得电动机的转速提高；相反，降低电机电枢电压，电动机的转速就会 相应下降。但是要实现调节电枢电压来让电机转速能够快速达到用户的要求，就必 须要引入一种可操作性高、稳定性好、响应速度快的控制理论。随着科学的不断发 展，现代控制理论也在不断完善，而且应用的范围也越来越广。从早期的线性系统 理论、非线性系统理论以及 PID控制理论，到现今涌现出的智能控制理论、鲁棒控制理论、模糊控制理论、神经网络控制理论和预测控制理论等。2.8.1 PID控制理论在自动调节的发展历史中，PID控制理论的出现是非常重要

31、的，因为无论在简单 的家用电器领域，还是复杂的航天航空领域，都可以看到它的身影。如此实用的控 制理论看似十分的复杂繁琐，其实简单来说就是对输入值和理论值先进行减法运算, 再对偏差进行一系列的P、I、D的运算，随后将运算的多次叠加结果再去控制执行 机构，其控制逻辑如图2-15。R (t)S<t)c(t)图2-15 PID控制逻辑1. 比例控制（P）比例控制，也称作P控制，就是把实测值与期望值的差值eo的大小与控制的变 量成比例关系，如果只使用 P控制，那么系统输出就会出现一定的稳态误差，不利于系统的控制。动态方程和传递函数分别为:(2.5)Zp = K P e。(2.6)式中Kp比例控制参

32、数eo 实测值与期望值的偏差P比例度2. 比例-积分控制（PI）比例-积分控制，也称作PI控制，由于只使用比例控制，系统会产生一定的稳态 误差，这时就需要引入“积分项”。而积分项对于误差又取决于时间的积分，当时间 增加的时候，积分项也就跟着增大。控制规律和传递函数分别为:(2.7)1 tm(t)=K pg(t)+-.0g(T)dTTi心冷计dTs(2.8)式中g（t偏差Ti 积分时间常数3. 比例-积分-微分控制（PID）比例-积分-微分控制，也称作PID控制，在有比例控制的基础上，加入积分控制, 消除了稳定误差，之后又引入了微分控制，更加提高了系统的稳定性。传递函数为:W(沪器=Kpi+Ts

33、+Tds(2.9)式中Td 微分时间常数综上所述，使用单纯的比例控制时，当比例参数过大，意味着控制作用太强, 很容易引起系统的振荡；当比例参数过小，控制的效果不明显。而在比例控制的基 础上再引入积分控制，可以消除系统误差，不过积分时间过长，就会使系统超调从 而发生振荡。一般来说，比例-积分控制足够满足电动机转速控制的使用要求，是否 要加入微分控制，需要视现实情况而定。2.8.2其他控制理论1. 智能控制理论智能控制，顾名思义，就是人工智能与自动控制相融合，在人类不用参与的作 用下，可以自动独立完成自动控制的效果。与传统的控制理论不同，智能控制并不 需要对数学公式或者计算进行过多的研究，开发人员

34、只需将精力放在数据库和建模 的研究上。智能控制运用在实际生产中，会自动对外界进行认识、分辨、计算和规 划，最终能够实现使被控对象按照用户的要求达到预期的效果。2. 鲁棒控制理论在自动控制中，很多时候建立的模型都是非线性模型，因此都存在模型的不确 定性，而鲁棒控制正是解决这一系列的问题。与传统的自适应控制系统的相比，前 者的控制思想是对模型的参数进行判断，然后建立控制器。由于建立的控制器都是 参考模型的参数，所以不可能把将会出现的不确定性因素添加进去。相反的是，鲁 棒控制的设计理念真是尽可能把模型一切的不确定因素和信息添加到控制器里，在 运行中遇到的不确定参数时，依旧可以满足用户需求的性能指标。

35、3. 模糊控制理论模块控制一种是基于模糊数学的基本思想的控制理论。在过去的控制理论的领 域中，一个控制系统的动态模式是否精确，往往会直接影响到整个控制系统的效果， 因此系统的动态信息越详尽，那么就可以达到精确控制的效果。换言之，对于一些 非常复杂的系统，因为存在的变量过多，造成很难去准确表达系统的动态，并实现 控制的目的。对于如此复杂而又不能准确表达的系统，则可以用模糊数学来解决这 些问题。4. 神经网络控制理论神经网络控制作为早于其出现的智能控制理论的一个新分支，是自动控制领域 里的前沿科学。它为之前线性控制理论、自适应控制理论所不能分析的非线性、不 确定的控制问题给出了可行的方案。5. 预

36、测控制理论在所有的生产过程中，进行的步骤都是非常复杂的，因此建立其相对应的模型 也是难以绝对相符合。对于一些应用于复杂建模的控制理论，往往其控制效果也是 不如人意。由于预测控制理论中可以对已建立的模型进行反馈校正，不断完善其模 型的算法，因此适合用于复杂的生产过程。伴随预测控制理论的飞速发展，其在生 产控制中必定能起到更大的作用。3. 虚拟仪器的概述3.1虚拟仪器的简介20世纪70年代中期，NI公司提出了虚拟仪器(Virtual Instrument)的概念。在以计算机等硬件平台的基础上，利用虚拟仪器，用户可以在虚拟面板选择合适的控 件，编写程序系统。由于虚拟仪器具有开发架构的特点，因此用户可

37、以更快速实现 测试系统的建立。同时，虚拟仪器的出现，打破了传统仪器在数据采集、运算、传输等方面的限制，是一个高自动化、低运行成本的运载平台。虚拟仪器构成如图3-1所示。图3-1虚拟仪器的构成碍驾err 3.2虚拟仪器的特点使用虚拟仪器的好处除了能与计算机建立成灵活的测试平台，关键是通过其他 各种类型的接线口，就可以建立起各种各样的自动测试系统。与传统的仪器相比， 虚拟仪器的特点有以下几点:1.在传统的仪器面板中，控制控件种类繁多， 用户使用时容易发生误操作。相比 之下，虚拟仪器的功能面板则将复杂的控件分类号，用户使用时更加方便、快捷。2.在通用的硬件平台里，虚拟仪器可以完成各种硬件不能达成的功

38、能。3. 仪器的功能，用户可以按所需地设置。4. 要提升虚拟仪器的性能，只要联网下载升级同版本的软件。5. 与传统的仪器相比，研发的时间缩短。6. 虚拟仪器连上互联网后可以更加灵活。虚拟仪器与传统仪器的比较如表 3-1所示。表3-1虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器传统仪器开发维护费低开发维护费高技术更新周期短技术更新周期长软件占主导地位硬件占主导地位价格较低价格昂贵用户可以按需求定义功能商家定义功能可与计算机实现同步功能固定不变可通过互联网与其他设备连接独立设备3.3虚拟仪器的组成虚拟仪器主要由硬件平台和软件平台组成，结构框图如图3-2所示。图3-2虚拟仪器结构框图被测信号计算机4. 转速测量

39、与控制系统的设计4.1系统设计构思结合实验室现有的实验仪器的基础上，要设计出尽量满足实验要求的系统。因此将整个设计分为硬件测速系统设计和软件控制系统设计这两个方面。测控系统的设计思路为先启动电机，然后使用光电传感器将电机的转速转化为高低电平的脉冲信号，接着通过 NI USB-6008的AI端口采集数据，再与计算机的LabVIEW软件进行通信，使用LabVIEW软件里的控件编程，从而计算脉冲的频率 并换算出直流电动机的实时转速，紧接着再使用PID控件实现转速的控制，由 NIUSB-6008的AO端口提供电压输出，改变电机转速达到用户的需求，最后对实验结 果分析总结。测控系统的设计流程如图 4-1

40、所示。图4-1直流电动机测控系统设计流程巩流电动机数州采集卡模拟输也F利1J1序屮章La<Tr'1木?k卜 讥输入J3LabVIEWftft4.2测控系统的硬件设计直流电动机的测控系统中硬件设计包括了将转速转化为电信号、数据采集、信 号放大、电信号输出这几个方面。其中将转速转化为电信号的有光电传感器 TLP-850完成，数据采集、信号放大、电信号输出则由NI公司推出的USB-6008采集卡完成。421光电传感器TLP-850TLP-850是由东芝公司生产的一款可控制的光电耦合器电子元件，该款光电传感器把发光器以及接收器装在了一个完全密封的塑料壳内，两者之间用透明的绝缘体完全隔离开

41、。其中发光器的引脚是电压的输入端，接收器的引脚是脉冲信号输出端。1.光电传感器TLP-850相关参数光电传感器TLP-850相关参数如表4-1所示。表4-1光电传感器TLP-850相关参数Maximum Rat in gs 最大额定值(Ta=25 °C)CHARACTERISTIC 参数SYMBOL符号RATING数值UNIT单位Forward Current正向电流If50mAForward Current Derat ing 正向电流减率AIf / C-0.33mA/ CReverse Voltage反向电压Vr5VCollector-Emitter V oltage集电极发射极

42、电压VCEO30VEmitter-Collector V oltage发射极集电极电压VECO5VCollector Po wer Diss ip ati on 集电极功耗Pc75mWCollector Po wer Diss ip ati on Derati ng 集电极功耗减率AFC / 乜-1mW / CCollector Curre nt集电极电流I C40mAOp erati ng Temp erature Range 工作温度范围Topr-2585oCStorage Temp erature Range 储存温度范围Tstg-40 100oCSoldering Temperatur

43、e (5s) 焊接温度Tsol2604CRECOMMENDED OP ERA TING CONDITIONS 推荐工作情况CHARACIERSTICSYMBOLMINTYPMAXUNIT参数符号最小值适合值最大值单位Supply Voltage 电源电压Vcc516VForward Current正向电流If20mAOp erat ing Temp erature 工作温度Topr-10702.光电传感器TLP-850尺寸光电传感器TLP-850尺寸如图4-2所示。03.2=02ARrL r1b5.±0.严2w心27.1=02感应区撫10.1±0 2CX0.5=0410.1

44、6am1-00.45-04 5图4-2光电传感器 TLP-850尺寸3.光电传感器TLP-850接线端口光电传感器TLP-850接线图如图4-3所示。IfVcc=5¥O图4-3光电传感器TLP-850接线图4.光电传感器TLP-850实物图光电传感器TLP-850实物图如图4-4所示。综上所述，电机圆盘厚度为3.5MM，光电开关的沟槽宽度为5MM ;实验室可提供12V稳压电源，没有超出光电开关的工作电压最大值16V，因此可以选用光电传感器TLP-850对电机进行转速测量。沁图4-4光电开关实物图4.2.2数据采集卡USB-6008NI USB-6008是一款USB总线供电B系列多功能

45、DAQ模块，在高采样率下也 能保持高精度。该模块提供了 8路模拟输入；10 kS/s单通道采样率；2路模拟输出(0V5V)； 12路数字双向通道。使用时即插即用，在最大程度里缩短了配置与设置的时间，关键的一点式用户不用再为数据采集卡配置另外的外部电源。结合LabVIEW软件中的NI-DAQmx助手，用户可以快速开发所需的系统。1.NI USB-6008数据采集卡尺寸NI USB-6008数据采集卡尺寸分别如图4-5所示。Sl.ai mm23 19 mm .0.913 in.), r* 鬧rEQI图 4-5 NI USB-6008数据采集卡尺寸参数2.NI USB-6008数据采集卡端口参数NI

46、 USB-6008数据采集卡端口参数如表4-2所示。模拟输入模拟输出通道数8 SE/4 DI通道数2采样率10 kS/s更新率150 S/s是否同步采样否分辨率12 bits分辨率12 bits最大电压范围05 V最大电压范围-1010 V精度范围7 mV精度范围138 mV最小电压范围05 V最小电压范围-11 V精度范围7 mV精度范围37.5 mV电流驱动5 mA/10 mA量程数8数字I/O板上存储量512 B通道数12 DIO计时器/定时器疋时方式软件数目1逻辑电平TTL表 4-2 NI USB-6008数据采集卡端口参数续表4-2分辨率32 bits最大输入范围05 V最大信号源频

47、率5 MHz最大输出范围05 V最小输入脉冲宽度100 ns输入电流源电流，漏电流逻辑电平TTL输出电流源电流，漏电流最大量程05 V电流驱动8.5 mA/102 mAGPS同步否可编程输入滤波器否时基稳定度50 ppm看门狗否脉冲生产否支持握手I/O否缓冲操作是支持模式I/O否短时脉冲干扰消除否可编程上电状态否423模拟输入端口直流电动机的转速通过光电传感器转换为电信号后，通过NI USB-6008数据采集卡的模拟输入AI3端口进行数据采集，由于数据采集选择的是单端测量模式，因 此将光电传感器的地线接入采集卡的 GND端口，接线如图4-6所示。图4-6模拟输入端口 AI3接线4.2.4模拟输

48、出端口本设计对微型电机的控制采用的方法是控制电机电枢电压，通过NI USB-6008数据采集卡的模拟输出 A01端口与电机的正极连接，采集卡的 GND端口与电机的负极连接。425硬件设备的搭建硬件设备的搭建如图4-7所示。开关电源NI USB-6008 数据采集卡J一光电传感器 直流电机贄:盘：$图4-7硬件设备的搭建4.3测控系统的软件设计PID控制、硬件设计完成后，就可以利用LabVIEW进行软件方面的设计，软件的设计包括前面板的控件设计布局，以及后面板的数据采集、数据测量、数据运算、数据输出等功能，前面板的设计如图4-8所示。基于LabVIEW的电机转速测量与控制虚拟仪器设计: 倉:0.

49、O loo.om»ann7»加H».6m LGPIDSQ1牛1joOQXIa ttta蔘IS (Tk m间JV-VtV1刊 1血J11 - H-坦时小1Ioo«出刼I讼暑祐誉I:100 I10001500蒯 一 T »»/2S0D图4-8前面板控件设计4.3.1数据采集程序数据采集使用LabVIEW的DAQ助手编写程序，相比传统的 DAQmx节点编程更加快速方便，但是在功能的全面性方面相对比较弱。在本课题的转速采集中使用DAQ助手足以满足用户编程的需要。在模拟输入端口 AI3的配置中信号输入范围为-10-10 V，采集模式选择连续采样

50、，采样率及采样数均设为1000,接线端配置模式为RSE。后面板编程如图4-9所 示。timeout (5)ABdataa）数据采集程序框图鮭岌I薛走时I记录I1直耳鲨I阴IIAIft小II-菽鼻.自;单脸-10定匝茯£采集模式IkI连4采样b）数据采集配置参数图4-9数据采集程序进行信号采集的初期，发现电压波形图里的方波有很大的噪声，而且显示的波0的错误提示，曾一形相当的不稳定，运行程序的时候会不时弹出测量的幅值小于度造成实验的设计无法进行，后来经老师指导，再查看NI USB-6008采集卡的说明书，发现使用RSE采集模式的时候应该将信号源接地， 这样就能消除方波中的噪声, 而且采集

51、的波形相当平滑，可以继续进行往下的研究设计。432数据测量程序光电传感器的电平信号采集到 NI USB-6008卡后，经过卡内的电路将信号放大,输出的波形为脉冲波形，因此使用后面板中信号处理一一波形测量一一信号的时间 与瞬态特性测量，选择频率输出。在采集的过程中，由于采用的是以电信号的形式输出，因此很有可能受到设备0时,以外的环境因素的影响，在电压波形图中有一定噪声，同时在电机的转速为 电压波形不是为平滑的低电平，运行状态中信号的时间与瞬态特性测量工具继续测 量波形的频率，造成输出的频率并不为 0,因此严重影响了接下来的数据运算。为了解决这个问题，在数据采集后添加一个幅值和电平测量工具，计算波形的峰峰值，通过比较面板中的大于进行判断，再引入一个条件结构，当电压信号的峰峰值大于7是为有效数值，当小于7是，数值默认输出为0,发现当电机不转动的时候，前面板输出的转速为0。数据测量程序如图4-10所示。a）