NEW基于-LabVIEW电机转速测量及控制虚拟仪器设计

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1、-本科毕业设计任务书设计题目 基于LabVIEW的电机转速测量与控制虚拟仪器设计 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 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 指导教师摘要本文先简述电机测速与控制的意义以及国外的电机开展概况，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压，到

2、达调速的效果，同时使用PID控制理论，让转速能够在短时间到达用户的需求。关键词 LabVIEW；转速测量；电机控制；PID控制ABSTRACTThe thesis firstly outlines the significance of motor speeds 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 monly used me

3、thods 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 speed can be wo

4、rked 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；Motor speed me

5、asurement；Motor control；PID control目录1前言11.1 选题目的和意义11.2 国外微电机开展概况21.2.1 我国微电机行业现状21.2.2 国外微电机行业现状21.3 电机控制相关技术开展现状21.4 本课题设计要求22. 电机转速测量与控制技术42.1 常见的几种测速转速方法42.2 霍尔效应传感器测速42.2.1 霍尔效应原理42.2.2 霍尔传感器使用原理52.3 光电传感器测速62.4 本课题使用的测速方法72.5 常见的电机种类72.6 微特电机简介82.6.1 伺服电动机82.6.2 测速发电机122.6.3 步进电动机122.7 本课题使用的

6、电机132.8 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214.1 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-850224.2.2 数据采集卡USB-6008244.2.3 模拟输入端口264.2.4 模拟输出端口274.2.5 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314.3.4 PID控制程序324.

7、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375. 改良方案395.1 方案一395.1.1 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415.2 方案二425.2.1 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435.3 方案三445.3.1 设计构思445.3.2 测速系统的硬件设计445.3.3 测速系统的软件设计445.3.4 实验结果及分析446. 结论45致47参考文献481 程序前面板492 程序

8、后面板50. z-1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、光学精细、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展调速；倘假设是运用在医疗设备中的电机，则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，其后果是不堪设想的。因此如何能快速准确调节电机的转速具有一定的研究意

9、义。同时在一些大型设备中，将电机的转速调解在适当的围，也能起到节省能源，提高效率的效果。图1-1 微型电机在各领域中的应用1.2 国外微电机开展概况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，其中有统计数据说明，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 国外微电机行业现状与国微电机的开展情况相比，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展了大量的研发工作。尤其日本在该方

10、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 电机控制相关技术开展现状目前，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开展中，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开展情况，对解决异步电动机非

11、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局部，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展一定的模拟试验。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：一种是直接法，也就是直接测出电机在固定的时间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

12、有一定的数学关系，则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移动方向成垂直的角度，因此导线间会形成电压差。1洛伦兹力为： (2.1)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。2.2.2 霍尔传感器使用原理假

13、设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，则可以依据这个原理，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，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-

14、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hvv为光的频率，h=6.6262010-34Js为普朗克常熟。光电效应也可以分为外光电效应、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到达精度高、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

15、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。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。图2-5 光电效应连接电路2.4 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

16、计先采用这两套测速设备测量电机的转速，然后对两个系统进展相对应的比拟，选出一个使用较方便，数据采集较可靠的系统进展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。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展运算得出脉冲频率，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

17、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、结实，在速度测量工作中不易受其他外界因素的影响。综上所述，在测速的过程中，对两个测量系统的三个指标进展比拟如表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比照稳定性准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

18、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，按工作围的不同，一般分

19、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，以此来到达相应的转速。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。表2-2 伺服电动机的分类分类构造特点性能特点使用围交流伺服电

20、动机鼠笼式与一般笼型转子的异步电动机转子构造类似。但是转子细而长，材料一般为铝、紫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用非磁性金属铝、紫铜等制成杯形转子，杯的外由、外定子构成磁路体积和励磁电流较大，转动惯量小，运行稳定要求运行稳定的系统直流伺服电动机有槽电枢电磁或永磁与一般直流电动机类似。但是电枢铁心直接较大，气隙较小有线性调节的特性以及下降的机械特性，响应快速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外表，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

21、磁式电枢绕组由耐热环氧树脂注成，电枢外都有铁心构成磁路时间常数小，低速性能好快速动作的伺服系统印刷绕组电枢永磁式磁极需轴向安装，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，不产生无线电干扰低噪声要求，高真空对无线电不产生干扰的系统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，使得励磁电压与电源电压有了的相位差。而控制电压和电源电压频率一致，相位一样或相反。要改变电动机转

22、向时，使励磁电压恒定，同时让电压反相，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假设想改变电机的转速，通过改变电枢电压来到达控制电动机的转速，在带负荷转矩一定的情况下，为1时，电机转速最高，随着的减少，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，从而控制电机的转速。当励磁绕组电压恒定时，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

23、动机的机械特性方程为： 2.3式中 n转速电枢电压、与电动机构造有关的发点常数和电磁转矩常数电枢电路的电阻磁通电磁转矩可以通过控制直流伺服电机的来控制电机的转速，当转矩T恒定的条件下，的值越小，则电动机的转速就越低，当=0的时候，电机就停顿转动，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。图2-10 直流伺服电动机的机械特性2.6.2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

24、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拟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，这种构造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，所以应用得比拟少。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，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，有构造简单、

25、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准确度高、同步运行性能好、调速围广、调速速度快、构造简单等的优点，因此非常适合用于数字控制系统。步进电动机的步距角角的计算公式为： 2.4式中 N运行拍数 Z转子齿数 假设想改变步进电动机的转向，只需按相反顺序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。1.电机构造电机主要由大壳

26、、轴承、回转子、永久磁石、电刷、电枢、小壳组成，如图2-11所示。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2-13所示。图2-13 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RATED

27、 LOAD额定转速 RATED SPEED额定电流 RATED CURRENT负载波动 LOAD FLUCTUATION起动力矩 STARTING TORQUE使用围 OPERATING RANGE额定值 NOMINALVVmATYPEG-530AD-6F6B4.27.56.08.024001329.038at4.2vEG-530AD-9F9B8.011.09.08.02400929.050at6.0vEG-530AD-2F2B8.415.012.08.02400739.060at8.4v5. EG-530AD 12v ccw电机机械特性EG-530AD 12v ccw电机机械特性如图2-14

28、所示。图2-14 EG-530AD 12v ccw电机机械特性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到达用户的要求，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。随着科学的不断开展，现代控制理论也在不断完善，而且应用的围也越来越广。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

29、动调节的开展历史中，PID控制理论的出现是非常重要的，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展减法运算，再对偏差进展一系列的P、I、D的运算，随后将运算的屡次叠加结果再去控制执行机构，其控制逻辑如图2-15。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的大小与控制的变量成比例关系，如果只使用P控制，则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 2.6式中 比例控制参数实测值与期望值的偏差比例度2.比

30、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： 2.72.8式中 偏差积分时间常数3.比例-积分-微分控制PID比例-积分-微分控制，也称作PID控制，在有比例控制的根底上，参加积分控制，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： 2.9式中 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。而在比例控制的根底

31、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，是否要参加微分控制，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展过多的研究，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，会自动对外界进展认识、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到达预期的效果。2.鲁棒控制理论在自动控制中，很多时候建

32、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展判断，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。3.模糊控制理论模块控制一种是基于模糊数学的根本思想的控制理论。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准确，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，则就可以到达准确控制的效果

33、。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.预测控制理论在所有的生产过程中，进展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展反应校正，不断完善其模型的算法，

34、因此适合用于复杂的生产过程。伴随预测控制理论的飞速开展，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根底上，利用虚拟仪器，用户可以在虚拟面板选择适宜的控件，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、传输等方面的限制，是一个高自动化、低运行本钱的运载平台。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

35、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，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拟如表3-1所示。表3-1 虚拟仪器与传统仪器的比拟虚拟仪器传统仪器开发

36、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，构造框图如图3-2所示。图3-2 虚拟仪器构造框图4. 转速测量与控制系统的设计4.1 系统设计构思结合实验室现有的实验仪器的根底上，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上下电平的脉冲信号，接着通过NI USB-6008

37、的AI端口采集数据，再与计算机的LabVIEW软件进展通信，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NI USB-6008的AO端口提供电压输出，改变电机转速到达用户的需求，最后对实验结果分析总结。测控系统的设计流程如图4-1所示。图4-1 直流电动机测控系统设计流程4.2 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

38、卡完成。4.2.1 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，两者之间用透明的绝缘体完全隔离开。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Ma*imumRatings最大额定值(Ta=25)CHARACTERISTIC参数SYMBOL符号RATING数值UNIT单位LED发光源Forward Current正向电流Forward Current D

39、erating正向电流减率Reverse Voltage反向电压DECTECTOR受光器Collector-Emitter Voltage集电极发射极电压Emitter-Collector Voltage发射极集电极电压Collector Power Dissipation集电极功耗Collector Power Dissipation Derating 集电极功耗减率Collector Current集电极电流Operating Temperature Range工作温度围Storage Temperature Range储存温度围Soldering Temperature5s焊接温度REM

40、ENDED OPERATING CONDITIONS推荐工作情况CHARACIERSTIC参数SYMBOL符号MIN最小值TYP适合值MA*最大值UNIT单位Supply Voltage电源电压Forward Current正向电流Operating Temperature工作温度2. 光电传感器TLP-850尺寸光电传感器TLP-850尺寸如图4-2所示。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。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

41、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对电机进展转速测量。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-DAQm*助手

42、，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。图4-5NI 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 USB-6008数据采集卡端口参数如表4-2所示。表4-2 NI USB-6008数据采集卡端口参数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最大电压围05 V最大电压围-1010 V精度围7 mV精度围138 mV最小电压围05 V最小电压围-11 V精度围7 mV精度围3

43、7.5 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/定时器定时方式软件数目1逻辑电平TTL续表4-2分辨率32 bits最大输入围05 V最大信号源频率5 MHz最大输出围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4.2.3 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

44、-6008数据采集卡的模拟输入AI3端口进展数据采集，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。4.2.5 硬件设备的搭建开关电源NI USB-6008数据采集卡硬件设备的搭建如图4-7所示。光电传感器直流电机图4-7 硬件设备的搭建4.3 测控系统的软件设计硬件设计完成后，就可以利用LabVIEW进展软件方面的设计，软件

45、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、PID控制、数据输出等功能，前面板的设计如图4-8所示。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DAQm*节点编程更加快速方便，但是在功能的全面性方面相比照拟弱。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的配置号输入围为-1010 V，采集模式选择连续采样，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。a数据采集程序框图b数据采集配置参数图4-9 数据采集程序进展信号采集的初期，发现电压

46、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展，后来经教师指导，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，而且采集的波形相当平滑，可以继续进展往下的研究设计。4.3.2 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，因此使用后面板号处理波形测量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以外的环境因素的影

47、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，通过比拟面板中的大于进展判断，再引入一个条件构造，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条件构造为真b条件构造为假图4-10 数据测量程序4.3.3 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

48、数学控件换算出直流电动机的实时转速。数据运算程序如图4-11所示。程序测出的频率也就是指电机圆盘一秒钟转过的圈数，也就是说，将频率直接乘以60，就能得出电机圆盘一分钟转过的圈数，理论上即为电机的实时转速。图4-11 数据运算程序4.3.4 PID控制程序PID程序设计的好坏，直接影响到整个系统的转速控制效果。在过去，用户要想使用PID控制的话，需要自己在后面板进展算法的编写，而且工作量相比照拟大，但近年来NI公司也推出了PID控制工具包，用户只需安装上工具包，即可调用一系列的PID.vi，之后用户只需按照需求调节PID的相关参数，就能实现PID的控制，大大缩小了系统开发的时间。本设计运用的PI

49、D.vi如图4-12所示。图中英文output range为设置数据输出的围大小，里面包含了设置输出的最大值和输出的最小值，在本实验中这是设置采集卡电压输出的围；setpoint为用户对预期的设定值，在这次设计里为电机转速的设定值；process variable意思为过程变量，在实验中，我们把这个端口连接到电机的实测转速；PID gains就是需要设置的PID参数。图4-12PID.vi由于数据采集卡的输出为05 V，因此PID的output需要输出为05 V，setpoint与设置转速控件连接，process variable与实测转速控件连接。对PID进展参数调节，因为控制输出的围不大，

50、所以调节参数P时不宜太大，选取P为0.005，I和D分别为0，如图4-13所示，图中转速数据振荡非常厉害。尝试引入I，减少系统误差，把I设为0.010，如图4-14所示，效果不太明显。把P向下调节为0.001，保持I为0.010，如图4-15所示，系统振荡减少，但是调节时间过长，需要增大I减少系统误差。将I设为0.015，如图4-16所示，调速效果有了明显的改善，但是超调量仍然过大。再将I设为0.018，如图4-17所示，系统的响应时间减少，超调量与之前相比也有了改善。为了得出更好的调速效果，再将I值设分别为0.019、0.020、0.021，分别如图4-18、图4-19、图4-20，发现I为

51、0.020时，调速效果为最好。图4-13P0.005，I0.000，D0.000 图4-14 P0.005，I0.010，D0.000图 4-15P0.001，I0.010，D0.000图 4-16 P0.001，I0.015，D0.000图 4-17 P0.001，I0.018，D0.000 图 4-18 P0.001，I0.019，D0.000图 4-19 P0.001，I0.020，D0.000图4-20 P0.001，I0.021，D0.000在调节PID参数的过程中，发现一味单纯调节P参数的话，无论怎么调节响应曲线的超调量一直是非常大的，因此需要引入I参数。把I从小开场调起，发现I慢

52、慢变大，系统的响应时间也随之减少，同时超调量也不断减少，当参数I到达一定的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想，所以不用引入参数D。经过实验中PID的参数不断调试，得出P值为0.001、I值为0.020、D值为0.000，输出围最大值为5.00、最小值为0.00。PID控制程序框图以及PID参数设置如图4-21和图4-22所示。图4-21 PID控制程序图4-22 PID参数设置4.3.5 数据输出程序数据输出使用的是AO1端口，DAQ助手的配置为信号输出围最大值为5，最小值为0，接线端配置为RSE，生成模式为1采样按要求，信号端接入PID.vi的outp

53、ut端口。并在while构造外添加一个AO1模拟输出，数据配置为常数0，目的是在停顿程序运行后，采集卡自动输出一个0 V电压的信号，使直流电机停顿转动。后面板编程如图4-23所示。a) 数据输出程序框图b) 数据输出参数设置图4-23 数据输出程序4.4 实验结果分析4.4.1 实验运行结果当硬件设备连接齐全，软件系统编写好后，运行程序，由于设置转速默认为0，因此电动机没有转动，从输出电压控件可以看到数据采集卡的输出为0。运行时系统界面如图4-24所示。图4-24 转速为0时的电压输出在系统运行时，把设置转速的数值改为1000转/分钟时，设置转速的红色线瞬间从0升至1000转/分钟，实测转速的

54、白色线逐渐从0升至1000转/分钟，响应时间为2.5s左右，其中上升过程中的延时时间为1s、上升时间为1.5s，当电动机转速快速到达1000转/分钟时，速度还会继续上升至1070转/分钟左右，然后会迅速下降，速度降为950转/分钟左右，接着白色线的实测转速会绕着红色线的设置转速来回波动并逐渐接近1000转/分钟，这是整个调整时间大概为10.5s，而电压输出的数值维持在3.33 V上下波动。尽管在速度到达1000转/分钟时，电机转速也有会较小的波动，但对总体的调节电机转速的效果良好，转速调节实时情况如图4-25所示。图4-25 1000转/分钟时调速情况随后在测控系统中测试了其他转速档位的调速控

55、制测试，发现电机转速只能实现在350转/分钟到1650转/分钟之间调速，电动机调速围如图4-26所示。图4-26 电动机调速围4.4.2 实验结果分析由于直流电动机的调速围只能到达350转/分钟至1650转/分钟之间，与课题设计要求到达50转/分钟至2000转/分钟有一定的差距，因此需要对设计系统的硬件和软件进展分析。1.从测控系统硬件方面分析首先，本课题采用的直流电动机型号为EG-530AD 12v ccw，代表电机在额定电压12 V的情况下能够到达2400转/分钟的转速，因此给电机的两端输入实验台提供的稳压12 V的稳压电源，同时对电机的实时转速进展测量，发现直流电动机的转速在2400转/

56、分钟上下轻微波动。由于本次实验采用的NI USB-6008数据采集卡的模拟输出为05 V，所以使用实验台提供的稳压5 V的直流电源接入电机电枢两端，同时对电机的实时转速进展测量，发现直流电动机的转速依然可以到达2400转/分钟，但是电机的转速不太稳定。实验台和数据采集卡同样是输出5 V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比照之后，发现软件平台显示采集卡输出为5 V时，电机电枢两端的电压只有4.39 V。2.从测控系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

57、，利用实验台的硬件测速设备和计算机的软件测速同时测速。同时给电机提供一个稳压12 V的直流电压，观察发现硬件测速的LED显示屏的转速读数为2400转/分钟，此时LabVIED前面板的实测转速显示同样为2400转/分钟；当给使用数据采集卡的模拟输出端口给电机提供5 V的电压时，观察发现硬件测速的LED显示屏的转速读数为1666转/分钟，LabVIEW前面板的实测转速在16001700转/分钟之间波动。基于一样的条件下，控制采集卡的模拟输出端电压，发现硬件测速与软件测速所得的实测转速相差在转/分钟。综上所述，在输入直流稳压5 V的电源，电机可以到达2400转/分钟的额定转速，基于LabVIEW编写

58、的测速程序中的数据采集、数据测量以及数据运算局部，实验证明测速效果稳定。因此直流电动机的调速围达不到课题设计要求的主要原因为NI USB-6008数据采集卡的模拟输出端口提供的驱动电压，缺乏以让电机的转速到达2000转/分钟。5. 改良方案由于在该课题的设计中，只使用到了NI USB-6008数据采集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，对相应的程序进展添加修改，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，实现本课题的设计要求。5.1 方案一5.1.1 设计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，所以本方案将利用数据采集卡的数字端口，同

59、时外接一块L298N模块，芯片引脚如图5-1所示，此芯片IN1、IN2为信号输入端，OUT1、OUT2为信号输出端，EN-A为使能端，可输入PWM方波。通过编写程序，控制输出电信号的通断间隔，实现一个类似PWM方波控制转速的方法。图5-1 L298N芯片引脚5.1.2 测控系统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用采集卡的模拟输入端口AI3，作出调整的是把采集卡的数字输出端口P0.0、P0.1分别与L298N芯片的IN3、EN-A端口连接，其中P0.0输出一个高电平时，相当于给电机提供一个启动的指令，当调节P0.1端口高电平的通断间隔，作用是控制电机的

60、转动、停顿时间，理论上能实现对电机调速的功能。L298N芯片电路图如图5-2所示。图5-2 L298N芯片电路图5.1.3 测控系统的软件设计在原系统的根底上，原来的数据采集、数据处理、数据运算的编程不用改动，只需要将对模拟输出端口的数据输出改为数字端口的输出即可，后面板程序如图5-3所示。同时将数据采集等程序使用定时循环，两个循环之间的周期设置为5 ms。图5-3 数字端口输出程序5.1.4 实验结果及分析将L298N模块的OUT3与数据采集卡的AI3口连接，检测能否按用户需求输出一个连续方波。假设100 ms为一个周期，设置数字端口输出高电平50 ms，低电平50 ms，可以从软件平台看出数字端口输出一个占空比为50%的方波，如图5-4所示。同时用万能表测量数字端口的输出电压，发现输出的电压在2.52 V至2.82 V之间不停地波动，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。在同样条件下的方波输出时，连接到电动机，发现电机的转速波动较大，如图5-5所示。图5-4 数字端口输出方波图5-5 电动机的转速波动情况5.2 方案二5.2.1 设计构思鉴于电