NEW基于-LabVIEW电机转速测量与控制虚拟仪器设计

.设计题目基于LabVIEW的电机转速控制虚拟仪器设计学院机械与电气工程学院专业机械设计制造及其自动化班级学号学生姓名.制造及其自动化专业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压，达到调速的效果，同时使用PID控制LabVIEWPID制ABSTRACTThethesisfirstlyoutlinesthesignificanceofmotorspeed’smeasurementandcontrolaswellasthedevelopmentofmotorathomeandabroad.Besides,therelatedmethodsofsensormeasuringmotorspeedandtheothercommonlyusedmethodsarealsointroduced.BasedonLabVIEWplatform,thevoltagesignalcollectedbyNIUSB6008capturecardandphotoelectricsensorcanbetransformedintothepulseone.Andthen,aftertheperiodicmeasurementandmathematicalcalculationofthepulsesignal,thereal-timemotorspeedcanbeworkedout.Asfortheregulationofmotorspeed,theeffectofspeedcontrolcanbeachievedmainlybyadjustingthevoltageofmotorarmature.Atthesametime,thespeedcanmeetthedemandofusersinashortperiodoftimeinaccordancewiththePIDcontroltheory.KEYWORDSLabVIEW；Motorspeedmeasurement；Motorcontrol；PIDcontrol. 机转速测量与控制技术 4常见的几种测速转速方法 4霍尔效应传感器测速 4 4 光电传感器测速 6本课题使用的测速方法 7常见的电机种类 7微特电机简介 8 2 2本课题使用的电机 13电机转速控制理论 15 概述 19的简介 19的特点 19的组成 20转速测量与控制系统的设计 21系统设计构思 21测控系统的硬件设计 21 测控系统的软件设计 27 实验结果分析 36 .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.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IEW.3.掌握和运用PID控制理论。.电机转速测量与控制技术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。霍尔效应传感器测速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移动方向成垂直的角度，因此导线F=q(E+vB)(2.1)Fq电荷量E度v是带电粒子的速度B应强度。.2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。地改变，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1)输入端2)接地端3)输出端n=60ff——脉冲信号频率.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 效应、内光电效应和光生伏打效应。[2]光电传感器是采集光信号，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.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NIUSB-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。查阅NIUSB-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NIUSB-6008采集好好好好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微型电机。而常用的有交、直流伺服电动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交，机械强度较高，低速运行不太稳定，转动惯量小，运行稳定直(电磁或永磁)，响(电磁或永磁)数小形电枢(永组电枢(永无刷电枢 (永磁式).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，在带负荷转电动机.Uf等效电路如图2-9所示。n=.T(2.3)Ke、KT——与电动机结构有关的发点常数和电磁转矩常数UC的值越小，那么电动机的转速就越低，当UC=0的时候，电机就停止转动，直流.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，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、结构步进电动机的步距角9角的计算公式为：(2.4)9=(2.4)式中N——运行拍数Z—转子齿数.本课题使用的电机w2.EG-530AD12vccw电机实物图.EG30AD12vccw电机外形尺寸4.EG-530AD12vccw电机参数w速EDDDENTTUATIATINGGENOMINALVVg.cmmA(TYP)rpm/g.cmg.cmEG-530AD-6FB4.2~7.5EG-530AD-9FB.0vEG-530AD-2FB.0EG0AD12vccw电机机械特性.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1PID控制理论的家用电器领域，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.1.比例控制(P)P把实测值与期望值的差值e0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z=KeppoW(s)==Kp= ppe—实测值与期望值的偏差2.比例-积分控制(PI) .3.比例-积分-微分控制(PID)(2.9)(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.2其他控制理论智能控制，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.的简介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，.功能功能备连接的组成速测量与控制系统的设计.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的脉冲信号，接着通过NIUSB-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时转速，紧接着再使用PID控件实现转速的控制，由NI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.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MaximumRatings额定值(Ta=25℃)CHARACTERISTICRATING数值UNIT单位rwardCurrentFIFmArwardCurrentDeratingIF/oCmA/oCerseVoltageVRV5VDECTECTORDECTECTOR受光器torEmitterVoltageVCEOV30VtterCollectorVoltageVECOV5VtorPowerDissipationPCP75mWctorPowerDissipationDeratingtorCurrentCIC40mAtingTemperatureRangeToprratureRangeTstgTgTemperaturesTsolT260RECOMMENDEDOPERATINGCONDITIONS推荐工作情况ERSTICNIT.eVCCV5VrwardCurrentFIF20mAngTemperatureTopr70.能保持高精度。该模块提供了8路模拟输入；10kS/s单通道采样率；2路模拟输出 (0V—5V)；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.NIUSB6008数据采集卡端口参数2否81.AGPS同步否否否否否是否否否.3模拟输入端口流电动机的转速通过光电传感器转换为电信号后，通过NIUSB-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.4模拟输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NIUSB-6008.A.5硬件设备的搭建测控系统的软件设计.。.1数据采集程序更加快速方便，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AI号输入范围为-10~10V，采集模式选择连续采.a)数据采集程序框图b)数据采集配置参数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0的错误提示，曾一度造成实验的设计无法进行，后来经老师指导，再查看NIUSB-6008采集卡的说明.2数据测量程序B输出的波形为脉冲波形，因此使用后面板中信号处理——波形测量——信号的时间在采集的过程中，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0时，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a)条件结构为真.b)条件结构为假.3数据运算程序由于数据采集后通过工具已得出波形的频率，因此可以直接通过简单的数学控也.3.4PID控制程序使用PID控制的话，需要自己在后面板进行算法的编写，而且工作量相对比较大，IDIDvioutput卡电压输出的范围；setpoint为用户对预期的设定值，在这..时候再往上增加的话，系统的超调量也会变大起来，这是由于系统的调速效果较理.5数据输出程序O在停止程序运行后，采集卡自动输出一个0V电压的信号，使直流电机停止转动。a程序框图b)数据输出参数设置.4实验结果分析4.1实验运行结果，s延时时间为1s、上升时间为1.5s，当电动机转速快速.随后在测控系统中测试了其他转速档位的调速控制测试，发现电机转速只能实4.2实验结果分析题实验台和数据采集卡同样是输出5V的直流电压，但是直流电动机的转速却有很大的差异，因此使用万能表的电压档，分别对测量两种不同情况下，电动机电枢的电压并记录下数据。通过两次测量得出的数据对比之后，发现软件平台显示采集统软件方面分析结合实验室里的电器元件，可以搭建一个光电效应测速的系统，利用实验台的.WUSB-6008数据采集卡的模拟输出端口提供的驱动电压，不足以让电机的转速达到.NIUSB卡的模拟输出端口以及模拟输入端口，因此尝试在现有的实验设备条件下，对相应的程序进行添加修改，并对测控系统的硬件整体搭建作出调整或者添加新的电子元件，实现本课题的一构思由于采集卡的模拟输出端口的驱动电压不能提供足够的输出，所以本方案将利的硬件设计在已搭建的硬件设备上，仍然使用光电效应传感器测速，数据采集端口依然使的转动、停止时间，理论上能实现对电机调速的功能。L298N芯片电路图如图5-2的软件设计在原系统的基础上，原来的数据采集、数据处理、数据运算的编程不用改动，ms。果及分析停地波动，可以推断出电压的输出不稳定对电机的调速有很大的影响。在同样条件二.构思的硬件设计的软件设计果及分析.三.构思本课题使用的NIUSB-6008