【正文】 6. 結(jié)論 在課題設(shè)計(jì)的過程中，本人閱讀了大量電動(dòng)機(jī)智能調(diào)速的相關(guān)文獻(xiàn)，了解到目前控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法一般為利用單片機(jī)輸出 PWM 波， 采用 PID 控制理論調(diào)節(jié) 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這樣的調(diào)速方法的優(yōu)點(diǎn)是精確、無延遲。從課題的相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，到實(shí)驗(yàn)中每一步的設(shè)計(jì)，都離不開老師的敦敦教誨。 最后，我要衷心感謝所有的評(píng)閱老師和答辯老師，感謝你們?cè)诎倜Ξ?dāng)中評(píng)閱我的設(shè)計(jì)并提出寶貴的建議。 同時(shí)，我還要感謝在設(shè)計(jì)中給予我?guī)椭耐瑢W(xué)，因?yàn)槊看蔚膶W(xué)術(shù)交流中總能得到一定的啟發(fā)，對(duì)本次課題的順利完成起到了很 大的作用。在 LabVIEW 界面中編寫程序，與傳統(tǒng)的編程相比更加簡(jiǎn)潔、直觀。 從理論上分析， NI 45 USB6211 的電壓輸出范圍是 10 V~10 V，可 以滿足電機(jī)的 2020 轉(zhuǎn) /分鐘的轉(zhuǎn)速要求。 模擬端口： 信號(hào)采集使用 AI1 端口，接線端配置設(shè)置為 RSE，其他設(shè)置為默認(rèn)，設(shè)備接線圖如圖 59 所示。在方案一中得出，由數(shù)字端口輸出占空比為 50%脈沖時(shí)，測(cè)量得到的電壓不穩(wěn)定，不利于控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 43 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 在設(shè)置轉(zhuǎn)速輸 入 2020 轉(zhuǎn) /分鐘，觀察電機(jī)轉(zhuǎn)速框圖，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到2020 轉(zhuǎn) /分鐘，而且調(diào)試效果理想，電機(jī) 2020 轉(zhuǎn) /分鐘調(diào)速情況如圖 57 所示。 圖 56 可調(diào)開關(guān)電源 測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 引入可調(diào)的電源開關(guān)，起到的 作用就是將數(shù)據(jù)采集卡模擬輸出端口的電壓升壓。假設(shè) 100 ms 為一個(gè)周期，設(shè)置數(shù)字端口輸出 高電平 50 ms，低電平50 ms，可以從軟件平臺(tái)看出數(shù)字端口輸出一個(gè)占空比為 50%的方波，如圖 54 所 示。 L298N 芯片電路圖如圖 52所示。 39 5. 改進(jìn)方案 由于在該課題的設(shè)計(jì)中，只使用到了 NI USB6008 數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出端口以及模擬輸入端口，因此嘗試在現(xiàn)有的 實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件下，對(duì)相應(yīng)的程序進(jìn)行添加修改，并對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的硬件 整體 搭建作出調(diào)整或者添加新的電子元件，實(shí)現(xiàn)本課題的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)給電機(jī)提供一個(gè)穩(wěn)壓 12 V的直流電壓，觀察發(fā)現(xiàn)硬件測(cè)速的 LED 顯示屏的轉(zhuǎn)速讀數(shù)為 2400 轉(zhuǎn) /分鐘，此時(shí) LabVIED前面板的實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速顯示同樣為 2400 轉(zhuǎn) /分鐘； 當(dāng)給使用數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出端口給電機(jī)提供 5 V的電壓時(shí)，觀察發(fā)現(xiàn)硬件測(cè)速的 LED 顯示屏的轉(zhuǎn)速讀數(shù)為 1666 轉(zhuǎn) /分鐘， LabVIEW 前面板的實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速在 1600~1700 轉(zhuǎn) /分鐘之間波動(dòng)。由于本次實(shí)驗(yàn)采用的 NI USB6008 數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出為 0~5 V，所以 使用實(shí)驗(yàn)臺(tái)提供的穩(wěn)壓 5 V的直流電源 接入電機(jī)電樞兩端，同時(shí)對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速依然可以達(dá)到 2400 轉(zhuǎn) /分鐘，但是電機(jī)的轉(zhuǎn)速不太穩(wěn)定。 盡管在速度達(dá)到 1000 轉(zhuǎn) /分鐘 時(shí)， 電機(jī)轉(zhuǎn)速也有會(huì)較小的 波動(dòng)，但 對(duì)總體的 調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的 效果 良好 ， 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)實(shí)時(shí) 情況如圖 425 所示。后面板編程如圖 423 所示。 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)中 PID 的參數(shù)不斷調(diào)試，得出 P 值為 、 I值為 、 D 值為 ，輸出范圍最大值為 、最小值為 。再將 I 設(shè)為 ，如圖 417 所示， 系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間減少，超調(diào)量與之前相比也有了改善。 對(duì) PID 進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，因?yàn)榭刂戚敵龅姆秶淮?，所以調(diào)節(jié)參數(shù) P 時(shí)不宜太大，選取 P 為 ， I 和 D 分別為 0，如圖 413 所示 ， 圖中轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)振蕩非常厲害 。在過去，用戶要想使用 PID 控制的話，需要自己在后面板進(jìn)行算法的編寫，而且工作量相對(duì)比較大，但近年來 NI 公司也推出了 PID 控制工具包，用戶只需安裝上工具包，即可調(diào)用一系列的 ，之后用戶只需按照需求調(diào)節(jié) PID 的相關(guān)參 數(shù)， 就能實(shí)現(xiàn) PID 的控制，大大縮小了系統(tǒng)開發(fā)的時(shí)間。 a）條件結(jié)構(gòu)為真 31 b）條件結(jié)構(gòu)為假 圖 410 數(shù)據(jù)測(cè)量程序 數(shù)據(jù) 運(yùn)算程序 由于數(shù)據(jù)采集后通過工具已得出波形的頻率，因此可以直接通過簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)控件換算出直流電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速 。 30 數(shù)據(jù)測(cè)量程序 光電傳感器的電平信號(hào)采集到 NI USB6008 卡 后，經(jīng)過卡內(nèi)的電路將信號(hào)放大，輸出的波形為脈沖波形，因此使用后面板中信號(hào)處理 —— 波形測(cè)量 —— 信號(hào)的時(shí)間與瞬態(tài)特性測(cè)量，選擇頻率輸出。在本課題的轉(zhuǎn)速采集中使用DAQ 助手足以滿足用戶編程的需要。 圖 46 模擬輸入端口 AI3 接線 27 模擬輸出端口 本設(shè)計(jì) 對(duì)微型 電機(jī)的控制采用的方法是控制 電機(jī)電樞電壓， 通過 NI USB6008數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出 A01 端口 與電機(jī)的正極連接，采集卡的 GND 端口與電機(jī)的負(fù)極連接。結(jié)合LabVIEW 軟件中的 NIDAQmx 助手，用戶可以快速開發(fā)所需的系統(tǒng)。 綜上所述 ， 電機(jī)圓盤厚度為 ，光電開關(guān)的溝槽寬度為 5MM；實(shí)驗(yàn)室可提供 12V 穩(wěn)壓電源，沒有超出光電開關(guān)的工作電壓最大值 16V，因此可以選用光電傳感器 TLP850 對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量。 TLP850 相關(guān)參數(shù) 光電傳感器 TLP850 相關(guān)參數(shù)如表 41 所示。 圖 41 直流電動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程 測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 22 直流電動(dòng)機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)中硬件設(shè)計(jì)包括了將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為電信號(hào)、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)放大 、電信號(hào)輸出這幾個(gè)方面。 圖 32 虛擬儀器結(jié)構(gòu)框圖 21 4. 轉(zhuǎn)速測(cè)量與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)思 結(jié)合 實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器的基礎(chǔ)上，要設(shè)計(jì)出盡量滿足實(shí)驗(yàn)要求的系統(tǒng)。 ，研發(fā)的時(shí)間 縮 短 。相比之下，虛擬 儀器的功能面板則將復(fù)雜的控件分類號(hào)，用戶使用時(shí)更加方便、快捷。同時(shí)，虛擬儀器的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、傳輸?shù)确矫娴南拗?，是一個(gè)高自動(dòng)化、低運(yùn)行成本的運(yùn)載平臺(tái)。 伴隨 預(yù)測(cè)控制理論的 飛速發(fā)展 ，其在生產(chǎn)控制中必定能起到更大的作用。它為之前線性控制理論、自適應(yīng)控制理論所不能 分析 的非線性、不確定的控制問題 給出了可行的方案 。在過去的控制理論的領(lǐng)域中，一個(gè)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模式是否精確，往往會(huì) 直接影響到整個(gè)控制系統(tǒng)的效果，因此系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信息越詳盡，那么就可以達(dá)到精確控制的效果。與傳統(tǒng)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)的相比，前者的控制思想是對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行判斷，然后建立控制器。 其他控制理論 理論 智能控制，顧名思義，就是人工智能與自動(dòng)控制相 融合 ，在人類不用參與的作用下，可以自動(dòng)獨(dú)立完成自動(dòng)控制的效果。 控制規(guī)律和傳遞函數(shù)分別為： 01( t) K [ ( t) ( ) d ]tpim T? ? ? ??? ? （ ） ( s ) 1( s ) [ 1 T s ]( s ) pdiMWKE T s? ? ? ? （ ） 式中 (t)? —— 偏差 17 iT—— 積分時(shí)間常數(shù) 積分 微分控制（ PID） 比例 積分 微分控制，也稱作 PID 控制，在有比例控制的基礎(chǔ)上，加入積分控制，消除了穩(wěn)定 誤差，之后又引入了微分控制，更加提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如此實(shí)用的控制理論看似十分的復(fù)雜繁瑣，其實(shí)簡(jiǎn)單來說就是對(duì)輸入值和理論值先進(jìn)行減法運(yùn)算，再對(duì)偏差進(jìn)行一系列的 P、 I、 D 的運(yùn)算，隨后 將 運(yùn)算的 多次 疊加結(jié)果再去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu) ，其控制邏輯如圖 215。但是要實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電樞電壓來讓電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠快速達(dá)到用戶的要求，就必須要引入一種可操作性高、穩(wěn)定性好 、響應(yīng)速度快 的控制理論。 圖 212 電動(dòng)機(jī)實(shí)物圖 14 12v ccw 電機(jī) 外形尺寸 EG530AD 12v ccw 電機(jī)外形尺寸如圖 213 所示。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角 ? 角的計(jì)算公式為： 360NZ?? ? （ ） 式中 N—— 運(yùn)行拍數(shù) Z—— 轉(zhuǎn)子齒數(shù) 若想改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，只需按相反順序?yàn)槿嗬@組通電即可。由于杯型 的 轉(zhuǎn)子 在信號(hào)的輸出中起到?jīng)Q定性的作用 ，所以其質(zhì)量的 合格與否直接影響測(cè)速發(fā)電機(jī)的 能否正常運(yùn)行 。 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的 整體構(gòu)造 與直流發(fā)電機(jī) 十分 近似 ， 其中按照類型可 分為永磁式和電磁式。如果要改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向，可以通過改變電動(dòng)機(jī)的電樞電壓極性來實(shí)現(xiàn)。圖中可以看出，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性很軟，而且斜率隨著 CU的改變而改變，不利于電機(jī)轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)調(diào)整 。而控制電壓 CU 和電源電壓 U 頻率一致，相位相同或相反。但是轉(zhuǎn)子細(xì)而長(zhǎng)，材料一般為鋁、紫銅或黃銅 體積和勵(lì)磁電流較小，機(jī)械強(qiáng)度較高，低速運(yùn)行不太穩(wěn)定 小功率自動(dòng)控制系統(tǒng) 非磁性杯型 用非磁性金屬鋁、紫銅等制成杯形轉(zhuǎn)子，杯的內(nèi)外由內(nèi)、外定子構(gòu)成磁路 體積和勵(lì)磁電流較大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，運(yùn)行穩(wěn)定 要求運(yùn)行穩(wěn)定的系統(tǒng) 直流伺服電動(dòng)機(jī) 有槽電樞（電磁或永磁） 與一般直流電動(dòng)機(jī)類似。 伺服電動(dòng)機(jī)分為交流和直流兩種（如表 22 所示）。微特電機(jī)的 款式 很多，按 工作范圍 的不同， 一般 分為控制用微 型 電機(jī)、驅(qū)動(dòng)用微 型 電機(jī)、信號(hào)檢測(cè)微 型 電機(jī)和信號(hào) 變換微 型 電機(jī)。隨著電機(jī)應(yīng)用的場(chǎng)所 不斷變化，很多的特殊電機(jī)也應(yīng)運(yùn)而生， 例如應(yīng)用在煤礦、石油化工這些高危行業(yè)里的電機(jī)就是防爆電機(jī)；對(duì)加工車間里要 加工 齒輪這類精度高 的 零件 就 要 使用 到伺服電機(jī)了。同時(shí)光電效應(yīng)傳感器 安裝簡(jiǎn)單、牢固，在速度測(cè)量 工作 中不易受其他外界因素的影響。 使用霍爾效應(yīng)傳感器測(cè)速時(shí)，將傳感器輸出端口直接連接到 NI USB6008 采集卡的計(jì)數(shù)器端口，在軟件界面能看到數(shù)字顯示控件在不斷地累加，并不能直接得出電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。 圖 24 光電效應(yīng)測(cè)速設(shè)備 然后將光電耦合器架設(shè)在轉(zhuǎn)盤上。 [2]光電傳感器 是 采集 光信號(hào) ，通過電子電路再轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的傳感器。 1)輸入端 2）接地端 3）輸出端 圖 23 霍爾元件連接電路 電機(jī)轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)頻率關(guān)系： 60nf?? () 式中 n—— 電機(jī)轉(zhuǎn)速 ?—— 脈沖信號(hào) 頻率 6 光電傳感器測(cè)速 光電傳感器的工作原理就是光電效應(yīng)。 5 霍爾傳感器使用原理 若導(dǎo) 線 輸入 的 電流不變， 變化 導(dǎo)體附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生的霍爾感應(yīng)電壓也會(huì)隨之變化 ，那么可以依據(jù)這個(gè)原理， 在電機(jī)主軸的轉(zhuǎn)盤邊緣上等距離安裝六塊永久磁鋼 ， 如圖 21 所示。由于要將電機(jī)的轉(zhuǎn)速與其他物理量建立一定的關(guān)系，所以這就涉及到傳感器的應(yīng)用。 PID 控制理論。 伴 隨著 測(cè)控技術(shù)的不斷成熟以及傳感器的測(cè)量精度范圍不斷提高 ，電機(jī)控制技術(shù)也上升到了一個(gè)新的臺(tái)階。 國(guó)外微電機(jī)行業(yè)現(xiàn)狀 與國(guó)內(nèi)微電機(jī)的發(fā)展情況相比，國(guó)外的微電機(jī)正在向 質(zhì)量好 、厚度 薄 、噪聲小、效率高等性能方面進(jìn)行了大量的研發(fā)工作。同時(shí)在一些大型設(shè)備中，將 電機(jī)的轉(zhuǎn)速 調(diào)解 在適當(dāng)?shù)?范圍 內(nèi)，也能起到節(jié)省能源，提高效率的效果。時(shí)至今日，大至生產(chǎn)行業(yè)的冶煉生產(chǎn)，小至生活用品的電工牙刷，都離不開電機(jī)的 使用。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 設(shè)計(jì)題目 基于 LabVIEW的電機(jī)轉(zhuǎn)速 測(cè)量與控制虛擬儀器設(shè)計(jì) 學(xué) 院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 基于 LabVIEW 的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量與控制虛擬儀器設(shè)計(jì) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 專業(yè) 指導(dǎo)老師 摘要 本文先簡(jiǎn)述電機(jī)測(cè)速與控制的意義以及國(guó)內(nèi)外的電機(jī)發(fā)展概況， 然后 介紹 傳感器測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的相關(guān)方法以及幾種常用的轉(zhuǎn)速控制方法。 關(guān)鍵詞 LabVIEW； 轉(zhuǎn)速測(cè)量 ；電機(jī)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. Beside