【正文】 每當(dāng)遇到設(shè)計(jì)的瓶頸時(shí)，老師總會(huì)及時(shí)出現(xiàn)并指導(dǎo)我如何去解決 難題。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 由于受實(shí)驗(yàn)室的條件限制， 不能進(jìn)行相應(yīng)的硬件搭建 。 圖 58 電機(jī)低速調(diào)速框圖 44 方案三 設(shè)計(jì)構(gòu)思 本課題使用的 NI USB6008 數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出端口的 輸出 電壓 范圍是 0 V~5 V，而且計(jì)數(shù)器端口不支持脈沖生成。 圖 54 數(shù)字端口輸出方波 圖 55 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)情況 42 方案二 設(shè)計(jì)構(gòu)思 鑒于電機(jī)轉(zhuǎn)速不能達(dá)到 2020 轉(zhuǎn) /分鐘，其原因?yàn)閿?shù)據(jù)采集卡的電壓輸出端不能提供一個(gè)穩(wěn)壓電源，因此可以考慮在采集卡輸出端和電機(jī)電樞直接加入一個(gè)升壓模塊，將采集卡的輸出電壓 0~5 V對(duì)應(yīng)升壓為 0~12 V，以達(dá)到電機(jī)正常工作的額定電壓，引入的可調(diào)開關(guān)電源實(shí)物圖如圖 56 所示。 圖 51 L298N 芯 片引腳 測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 在已搭建的硬件設(shè)備上，仍然使用光電效應(yīng)傳感器測(cè)速 ， 數(shù)據(jù)采集端口依然使用采集卡的模擬輸入端口 AI3，作出調(diào)整的是把采集卡的數(shù)字輸出端口 、 40 分別與 L298N 芯片的 IN ENA 端口連接，其中 輸出一個(gè)高電平時(shí)，相當(dāng)于給電機(jī)提供一個(gè)啟動(dòng)的指令，當(dāng)調(diào)節(jié) 端口高電平的通斷間隔，作用是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)、停止時(shí)間，理論上能實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)調(diào)速的功能。 38 結(jié)合 實(shí)驗(yàn)室 里的電器元件 ，可以搭建一個(gè)光電效應(yīng)測(cè)速的系統(tǒng) ， 利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)的硬件測(cè)速設(shè)備和計(jì)算機(jī)的軟件測(cè)速同時(shí)測(cè)速。 圖 424 轉(zhuǎn)速為 0 時(shí)的電壓輸出 在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，把設(shè)置轉(zhuǎn)速的數(shù)值改為 1000 轉(zhuǎn) /分鐘 時(shí)， 設(shè)置轉(zhuǎn)速的紅色線瞬間從 0 升至 1000 轉(zhuǎn) /分鐘 ，實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速的白色線逐漸從 0 升至 1000 轉(zhuǎn) /分鐘 ，響應(yīng)時(shí)間為 左右， 其中上升過程中的延時(shí)時(shí)間為 1s、 上升時(shí)間為 ， 當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速到達(dá) 1000 轉(zhuǎn) /分鐘 時(shí) ，速度還會(huì)繼續(xù)上升至 1070 轉(zhuǎn) /分鐘 左右，然后會(huì)迅速下降， 速度降為 950 轉(zhuǎn) /分鐘 左右，接著白色 線的實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速會(huì)繞著紅色線的設(shè)置轉(zhuǎn)速來回波動(dòng)并逐漸接近 1000 轉(zhuǎn) /分鐘 ，這是整個(gè)調(diào)整時(shí)間大概為 ， 而電壓輸出的數(shù)值維持在 V上下波動(dòng) 。把 I 從小開始調(diào)起，發(fā)現(xiàn) I 慢慢變大，系 統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間也隨之減少，同時(shí)超調(diào)量也不斷減少，當(dāng)參數(shù) I 達(dá)到一定的時(shí)候再往上增加的話，系統(tǒng)的超調(diào)量也會(huì)變大起來，這是由于系統(tǒng)的調(diào)速效果較理想，所以不用引入?yún)?shù) D。 圖 412 由于數(shù)據(jù)采集卡的輸出為 0~5 V，因此 PID 的 output 需要輸出為 0~5 V， setpoint與設(shè)置轉(zhuǎn)速控件連接， process variable 與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速控件連接。 數(shù)據(jù)測(cè)量程序如圖 410 所示。 圖 48 前面板控件設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集程序 數(shù)據(jù)采集使用 LabVIEW 的 DAQ 助手編寫程序，相比傳統(tǒng)的 DAQmx 節(jié)點(diǎn)編程更加快速方便，但是在功能的全面性方面相對(duì)比較弱。使用時(shí)即插即用，在最大程度 里縮短了配置與設(shè)置的時(shí)間，關(guān)鍵的一點(diǎn)式用戶不用再為數(shù)據(jù)采集卡配置另外的外部電源。其中發(fā)光 器 的引腳 是 電壓的輸入端， 接收 器的 引腳 是 脈沖 信號(hào)輸出端。 表 31 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 開發(fā)維護(hù)費(fèi)低 開發(fā)維護(hù)費(fèi)高 技術(shù)更新周期短 技術(shù)更新周期長(zhǎng) 軟件占主導(dǎo)地位 硬件占主導(dǎo)地位 價(jià)格較 低 價(jià)格昂貴 用戶可以按需求定義功能 商家定義功能 可與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)同步功能 固定不變 可通過互聯(lián)網(wǎng)與其他設(shè)備連接 獨(dú)立設(shè)備 虛擬儀器的組成 虛擬儀器主要由硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖 32 所示。與傳統(tǒng)的儀器相比，虛擬儀器的特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)： ，控制控件種類繁多，用戶使用時(shí)容易發(fā)生誤操作。 由于預(yù)測(cè)控制理論中可以對(duì)已建立的模型進(jìn)行反饋校正，不斷完善其模型的算法，因此適合用于復(fù)雜的生產(chǎn)過程。 理論 模塊控制一種是基于模糊數(shù)學(xué)的基本思想的控制理論。一般來說，比例 積分控制足夠滿足電動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)速控制的使用要求，是否要加入微分控制，需要視 現(xiàn)實(shí) 情況而定。 PID 控制理論 在自動(dòng)調(diào)節(jié)的發(fā)展歷史中， PID 控制理論的出現(xiàn)是非常重要的，因?yàn)闊o論在簡(jiǎn)單的家用電器領(lǐng)域，還是復(fù)雜的航天航空領(lǐng)域，都可以看到它的身影。 圖 211 電機(jī)構(gòu)造 12v ccw 電機(jī)實(shí)物圖 光電傳感器中 EG530AD 12v ccw 電機(jī)實(shí)物圖如圖 212 所示。 交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的 整體構(gòu)造 與交流伺服電動(dòng)機(jī) 十分 近似 ，在定子上有相互垂直的兩 組 繞組，一 組 繞組 為勵(lì)磁繞組， 另 一 組 繞組 為輸出繞組 ，測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子為杯型。 11 圖 29 直流伺服電動(dòng)機(jī)等效電路 直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程為： 2Cae e TURnTK K K? ? ??? （ ） 式中 n—— 轉(zhuǎn)速 CU —— 電樞電壓 eK 、 TK —— 與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的發(fā)點(diǎn)常數(shù)和電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù) aR —— 電樞電路的電阻 ?—— 磁通 T—— 電磁轉(zhuǎn)矩 可以通過控制直流伺服電機(jī)的 CU 來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)矩 T 恒定的條件 下，CU 的值越小，那么 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就越低，當(dāng) CU =0 的時(shí)候，電機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng) ，直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性如圖 210 所示 。勵(lì)磁繞組串聯(lián)電容后接到電源上，使得勵(lì)磁電壓 fU 與電源電壓 U 有了 90 的相位差。伺服電動(dòng)機(jī)具有 控制性能 好、響應(yīng) 速度快 的特點(diǎn)， 大多數(shù)的生產(chǎn)工作中都會(huì)使用此類電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件。在大型的車間里，最常用的就是三相交流換向器電機(jī)；在一般的辦公室里，最常用的就是直流電動(dòng)機(jī)；在小朋友的電 8 動(dòng)玩具里，最常用的就是微特電機(jī)。 圖 25 光電 效應(yīng)連接電路 7 本課題使用的測(cè)速方法 由于實(shí)驗(yàn)室中對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量 的裝置 只有霍爾效應(yīng)測(cè)速系統(tǒng)和光電效應(yīng)測(cè)速系統(tǒng)，因此本 設(shè)計(jì) 先采 用 這兩套測(cè)速設(shè)備 測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速 ，然后對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的比較，選出一個(gè)使用較方便，數(shù)據(jù)采集較可靠的系統(tǒng)進(jìn)行往后的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 光電效應(yīng) 也 可 以 分為外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏打效應(yīng)。 [1] 洛倫茲力為： (E v B)Fq? ? ? () 式中 F—— 是洛倫茲力 q—— 是帶電粒子的 電荷量 E—— 是 電場(chǎng)強(qiáng)度 v—— 是帶電粒子的速度 B—— 是 磁感應(yīng)強(qiáng)度 。 本課題設(shè)計(jì)要求 一套電機(jī)測(cè)速的 硬件系統(tǒng) 3 LabVIEW 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)相關(guān)的軟件部分，要求能夠通過數(shù)值或圖形 實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)速的變化， 用戶需求 值。 現(xiàn)今用戶對(duì)電機(jī)的性 能 要求也不斷 地 提高，但是國內(nèi)對(duì) 技術(shù)含量高的微 特 電機(jī) 仍然沒有 具備 大規(guī)模生產(chǎn)產(chǎn)品的能力 。 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. Besides, the related methods of sensor measuring motor speed and the other monly 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 realtime motor speed 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； Motor speed measurement； Motor control； PID control 目錄 1．前 言 .......................................................... 1 選題目的和意義 ............................................. 1 國內(nèi)外微電機(jī)發(fā)展概況 ....................................... 2 我國微電機(jī)行業(yè)現(xiàn)狀 ................................... 2 國外微電機(jī)行業(yè)現(xiàn)狀 ................................... 2 電機(jī)控制相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 ................................... 2 本課題設(shè)計(jì)要求 ............................................. 2 2. 電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量與控制技術(shù) .......................................... 4 常見的幾種測(cè)速轉(zhuǎn)速方法 ..................................... 4 霍爾效應(yīng)傳感器測(cè)速 ......................................... 4 霍爾效應(yīng)原理 ......................................... 4 霍爾傳感器使用原理 ................................... 5 光電傳感器測(cè)速 ............................................. 6 本課題使用的測(cè)速方法 ....................................... 7 常見的電機(jī)種類 ............................................. 7 微特電機(jī)簡(jiǎn)介 ............................................... 8 伺 服電動(dòng)機(jī) ........................................... 8 測(cè)速發(fā)電機(jī) .......................................... 12 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) .......................................... 12 本課題使用的電機(jī) .......................................... 13 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制理論 .......................................... 15 PID 控制理論 ......................................... 15 其他控制理論 ........................................ 17 3. 虛擬儀器的概述 ................................................. 19 虛擬儀器的簡(jiǎn)介 ............................................ 19 虛擬儀器的特點(diǎn) ............................................ 19 虛擬儀器的組成 ............................................ 20 4. 轉(zhuǎn)速測(cè)量與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ....................................... 21 系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)思 ..............................................