【正文】 制， 可以消除系統(tǒng)誤差，不過積分時(shí)間過長(zhǎng)，就會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)從而發(fā)生振蕩。 從早期的線性系統(tǒng)理論、非線性系統(tǒng)理論 以及 PID 控制理論， 到現(xiàn)今涌現(xiàn)出的智能控制理論、魯棒控制理論、模糊控制理論、神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)控制理論 和預(yù)測(cè)控制理論 等。 電機(jī)主要由大殼、軸承、回轉(zhuǎn)子、永久磁石、電刷、電樞、小殼組成，如圖 211所示。電磁式則采用的是他勵(lì)式，這種結(jié)構(gòu)容易受到電源以及環(huán)境等其他因素的影響，導(dǎo)致輸出的電壓變化較大，所以應(yīng)用得比較少。當(dāng)勵(lì)磁繞組電壓 fU 恒定 時(shí) ，即磁通保持不變，其等效電路如圖 29 所示。電樞是圓盤絕緣薄板，上面印刷裸露的繞組 時(shí)間常數(shù)小，低速性能好 低速啟動(dòng)，正反轉(zhuǎn)頻繁的系統(tǒng) 無(wú)刷電樞（永磁式） 多相繞組定子，永 久磁轉(zhuǎn)子，沒有電刷跟換向器 壽命長(zhǎng)，噪聲小，不產(chǎn)生無(wú)線電干擾 低噪聲要求，高真空對(duì)無(wú)線電不產(chǎn)生干擾的系統(tǒng) 此電機(jī)是 由 兩相繞組組成， 其中 一 相 繞組 為 勵(lì)磁繞組，另一 相 繞組 為 控制繞組，工作原理如圖 27 所示。 伺服電動(dòng)機(jī) 9 伺服電動(dòng)機(jī)又 叫做驅(qū)動(dòng) 電動(dòng)機(jī)， 工作原理 是提供一個(gè) 的電壓 的 控制信號(hào) ，通過硬件設(shè)備把信號(hào) 轉(zhuǎn)換為輸出的角位移 或者 角速度， 以此來達(dá)到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速 。 表 21 霍爾效應(yīng)傳感器與光電效應(yīng)傳感器對(duì)比 穩(wěn)定性 精確性 可操作性 霍爾效應(yīng)傳感器 一般 好 一般 光電效應(yīng)傳感器 好 好 好 常見的電機(jī)種類 在我們的生活中，電機(jī)可以說是隨處可見。光電元件的連接電路及電子特性 分別 如圖 25 所示。 每一個(gè)光子所具有的能量為hv（ v 為光的頻率， h= 1034J?s 為普朗克常熟 ）。 霍爾效應(yīng)傳感器測(cè)速 霍爾效應(yīng)原理 將導(dǎo)線放在磁場(chǎng)里面，然后對(duì)導(dǎo)線通入電流，這是導(dǎo)線里流過的電子會(huì)受到一個(gè) 叫做洛倫茲力的 作用力，此作用力是與電子的移動(dòng)方向成垂直的角度，因此導(dǎo)線間會(huì)形成電壓差。結(jié)合當(dāng)前的 數(shù)據(jù)處理 技術(shù)以及 傳感器 測(cè)量 技術(shù)的發(fā)展情況，對(duì)解決異步電動(dòng)機(jī)非 線性 解藕控制 和參數(shù) 選擇 性問題有很大的幫助。 過往 曾經(jīng) 大批量、大規(guī)模生產(chǎn)傳統(tǒng)規(guī)格的微型電機(jī)， 其中有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，我國(guó)微特電機(jī)的生產(chǎn)量約為 40 億臺(tái)，占全世界的總產(chǎn)量的 59%。在調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速方面，主要是通過調(diào)節(jié)電 機(jī)電樞的電壓，達(dá)到調(diào)速的效果，同時(shí)使用 PID 控制理論，讓轉(zhuǎn)速能夠在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到用戶的需求。 其中與我們的生活密切相關(guān)的電機(jī)應(yīng)該要算微 特 電機(jī)了，因?yàn)樵谄囯娧b、音響影像、光學(xué)精密、家電等其他的領(lǐng)域，都會(huì)找到微型電機(jī) 的身影（如圖 11 所示 ） 。尤其 日本在該方面一直處于領(lǐng)先的地位，在 IT 產(chǎn)品領(lǐng)域的微電機(jī)， NIDEC、 JVC、 PANASONIC、 SAMSUNG 這四家 國(guó)際 企業(yè)更是用了世界電子市場(chǎng)的 75%。 、模擬輸出、計(jì)數(shù)器等功能的用法。 當(dāng)啟動(dòng)電機(jī)時(shí)，安裝在圓盤上的磁鋼也隨著電機(jī)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)在 圓盤上的磁鋼 旁邊 放置 一個(gè)霍爾傳感器 ， 如圖 22 所示。由于其裝置搭建簡(jiǎn)單，而且是非接觸的 ， 不會(huì)對(duì)電機(jī)造成損壞， 因此 在測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速 時(shí) 能達(dá)到精度高、穩(wěn)定性好的效果 ，所以一般廣泛應(yīng)用在各種測(cè)量轉(zhuǎn)速的系統(tǒng)中 。查閱 NI USB6008 官方說明書，發(fā)現(xiàn)該款采集卡計(jì)數(shù) 器只有輸入功能，而且只有邊沿計(jì)數(shù)的功能，因此不可以直接通過采集卡對(duì)輸入的脈沖進(jìn)行運(yùn)算得出脈沖頻率，從而換算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 電機(jī)的種類很多，一般可分為以下幾大類（如圖 26 所示）。交流伺服電動(dòng)機(jī)的容量一般為 至 100W，頻率有 50Hz、 400Hz 等多種。 10 要改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)， 使 勵(lì)磁電壓fU恒定 ， 同時(shí)讓 電壓fCII反相，造成磁場(chǎng)的方向也隨之而改變，于是電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。 圖 210 直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 12 測(cè)速發(fā)電機(jī) 測(cè)速發(fā)電機(jī)的功能是將轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)換為 電壓信號(hào)。 目 前，其技術(shù)性能與其他的測(cè)速發(fā)電機(jī)相比，有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪聲細(xì)小、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，所以 是大多數(shù)商家的首選發(fā)電機(jī) 。 圖 213 EG530AD 12v ccw 電機(jī)外形尺寸 4. EG530AD 12v ccw 電機(jī)參數(shù) EG530AD 12v ccw 電機(jī)參數(shù)如表 23 所示。 16 圖 215 PID 控制邏輯 （ P） 比例控制， 也稱作 P 控制， 就是把實(shí)測(cè)值與期望值的差值 0e 的大小與控制的變量成比例關(guān)系， 如果只使用 P 控制，那么系統(tǒng)輸出就會(huì) 出現(xiàn) 一定的穩(wěn)態(tài)誤差，不利于系統(tǒng)的控制。與傳統(tǒng)的控制理論不同，智能控制并不需要對(duì)數(shù)學(xué)公式或者計(jì)算進(jìn)行過多的研究，開發(fā)人員只需將精力放在數(shù)據(jù)庫(kù)和建模的研究上。換言之，對(duì)于一些非常復(fù)雜的系統(tǒng)，因?yàn)榇嬖诘淖兞窟^多，造成很難去準(zhǔn)確表達(dá)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)，并實(shí)現(xiàn)控制的目的。 19 3. 虛擬儀器的概述 虛擬儀器的簡(jiǎn)介 20 世紀(jì) 70 年代中期， NI 公司提出了虛擬儀器（ Virtual Instrument）的概念。 ， 虛擬儀器 可以完成各種硬件不能達(dá)成的功能。因此將整個(gè)設(shè)計(jì)分為硬件 測(cè)速系統(tǒng) 設(shè)計(jì)和軟件 控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)這兩個(gè)方面。 表 41 光電傳感器 TLP850 相關(guān)參數(shù) Maximum Ratings 最大額定值 (Ta=25℃ ) CHARACTERISTIC 參數(shù) SYMBOL符號(hào) RATING 數(shù)值 UNIT 單位 LED發(fā)光源 Forward Current 正向電流 FI 50 mA Forward Current Derating 正向電流減率 /FIC?? ? /mA C? Reverse Voltage 反向電壓 RV 5 V DECTECTOR受光器 CollectorEmitter Voltage 集電極發(fā)射極電壓 CEOV 30 V EmitterCollector Voltage 發(fā)射極集電極電壓 ECOV 5 V Collector Power Dissipation 集電極功耗 CP 75 mW Collector Power Dissipation Derating 集電極功耗減率 /CPC?? 1? /mW C? Collector Current 集電極電流 CI 40 mA Operating Temperature Range 工作溫度范圍 oprT 25~85? C? Storage Temperature Range 儲(chǔ)存溫度范圍 stgT 40~100? C? Soldering Temperature（ 5s） 焊接溫度 solT 260 C? 23 RECOMMENDED OPERATING CONDITIONS 推薦工作情況 CHARACIERSTIC 參數(shù) SYMBOL 符號(hào) MIN 最小值 TYP 適合值 MAX 最大值 UNIT 單位 Supply Voltage 電源 電壓 CCV — 5 16 V Forward Current 正向電流 FI — — 20 mA Operating Temperature 工作溫度 oprT 10? — 70 C? 2. 光電傳感器 TLP850 尺寸 光電傳感器 TLP850 尺寸如圖 42 所示。 USB6008 數(shù)據(jù)采集卡尺寸 25 NI USB6008 數(shù)據(jù)采集卡尺寸 分別 如圖 45 所示。 在模擬輸入 端口 AI3 的配置中信號(hào)輸入范圍為 10~10 V，采集模式 選擇 連續(xù)采樣，采樣率及采樣數(shù)均設(shè)為 1000，接線端配置模式為 RSE。 數(shù)據(jù)運(yùn)算程序如圖 411 所示。 嘗試引入 I，減少系統(tǒng)誤差，把 I 設(shè)為 ，如圖 414 所示，效果不太明顯。 PID 控制 程序框圖以及 PID 參數(shù)設(shè)置如圖 421 和圖 422 所示。 圖 425 1000 轉(zhuǎn) /分鐘時(shí)調(diào)速情況 37 隨后在測(cè)控系統(tǒng)中測(cè)試了其他轉(zhuǎn)速檔位的調(diào)速控制測(cè)試，發(fā)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速只能實(shí)現(xiàn)在 350 轉(zhuǎn) /分鐘 到 1650 轉(zhuǎn) /分鐘 之間調(diào)速 ，電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍如圖 426 所示 。 基于相同的條件下，控制采集卡的模擬輸出端電壓，發(fā)現(xiàn) 硬件測(cè)速與軟件測(cè)速所得的實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速相差在 20?轉(zhuǎn) /分鐘 內(nèi)。 圖 52 L298N 芯片電路圖 測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 在原 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，原來的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)運(yùn)算的編程不用改動(dòng)，只需要將對(duì)模擬輸出端口的數(shù)據(jù)輸出改為數(shù)字端口的輸出即可 ，后面板程序如圖 53所示。同時(shí)也是將輸出的電壓和電流 放大。 因此，在現(xiàn)有的軟件設(shè)計(jì)里，使用 NI 公司另一款的 M 系列采集卡 USB6211。數(shù)據(jù)采集卡端口參數(shù)如表 51 所示。 當(dāng)然，在生活中少不了父母和親人的照顧，感謝他們對(duì)我學(xué)業(yè)中的鼓舞和支持。 47 致謝 本設(shè)計(jì)是在我的導(dǎo)師戴新老師的指導(dǎo)下完成的。 測(cè)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 模擬 端口：使用模擬輸入輸出端口時(shí)，原設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不需作出過多的修改，只需將 PID 控制板塊的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改。 圖 57 2020 轉(zhuǎn) /分鐘調(diào)速框圖 隨后嘗試把轉(zhuǎn)速?gòu)?1000 轉(zhuǎn) /分鐘，分階段調(diào)速到 300 轉(zhuǎn) /分鐘，從圖 58 所示，調(diào)速效果良好， 當(dāng)把轉(zhuǎn)速設(shè)置在 270 轉(zhuǎn) /分鐘時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止了轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)用萬(wàn)能表測(cè)量數(shù)字端口的輸出電壓，發(fā)現(xiàn)輸出的電壓在 V至 V之間不停地波動(dòng) ，可以推斷出電壓的輸出不穩(wěn)定對(duì)電機(jī)的調(diào)速有很大的影響。 方案一 設(shè)計(jì)構(gòu)思 由于采集卡的模擬輸出端口的驅(qū)動(dòng)電壓不能提供足夠的輸出，所以本方案將利用數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字端口，同時(shí)外接一塊 L298N 模塊 ，芯片 引腳 如圖 51 所示 ， 此芯片 IN IN2 為信號(hào)輸入端， OUT OUT2 為信號(hào)輸出端， ENA 為使能端，可輸入 PWM 方波。 實(shí)驗(yàn)臺(tái)和數(shù)據(jù)采集卡同樣是輸出 5 V 的直流電壓， 但是直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速卻有很大的差異，因此使用萬(wàn)能表的電壓檔 ，分別對(duì)測(cè)量?jī)煞N不同情況下，電動(dòng)機(jī)電樞的電壓 并記錄下數(shù)據(jù)。 a) 數(shù)據(jù)輸出程序框圖 b) 數(shù)據(jù)輸出參數(shù)設(shè)置 圖 423 數(shù)據(jù)輸出程序 36 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果 當(dāng)硬件設(shè)備連接齊全，軟件系統(tǒng)編寫好后，運(yùn)行程序，由于設(shè)置轉(zhuǎn)速默認(rèn)為 0，因此電動(dòng)機(jī)沒有轉(zhuǎn)動(dòng)，從輸出電壓 控件可以看到數(shù)據(jù)采集卡的輸出為 0。為了得出更好的調(diào)速效果，再將 I 值設(shè)分別為、 、 ，分別如圖 41圖 41圖 420，發(fā)現(xiàn) I 為 時(shí)，調(diào)速效果為最好。本設(shè)計(jì)運(yùn)用的 如圖 412 所示。 在采集的過程中，由于采用的是以電信號(hào)的形式輸出，因此 很有可能 受到 設(shè)備以外的 環(huán)境 因素的影響，在電壓波形圖中有一定噪聲，同時(shí)在電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 0 時(shí)，電壓波形不是為平滑的低電平，運(yùn)行狀態(tài)中信號(hào)的時(shí)間與瞬態(tài)特性測(cè)量工具繼續(xù)測(cè)量波形的頻率，造成輸出的 頻率并不為 0，因此嚴(yán)重影響了接下來的數(shù)據(jù)運(yùn)算 。 硬件設(shè)備的搭建 硬件設(shè)備的搭建如圖 47 所示。 圖 44 光電開關(guān)實(shí)物圖 數(shù)據(jù)采集卡 USB6008 NI USB6008 是一款 USB 總線供電 B 系列多功能 DAQ 模塊，在高采樣率下也能保持高精度。 其中將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的有光電傳感器 TLP850完成，數(shù)據(jù)采集、信號(hào)放大、電信號(hào)輸出則由 NI 公司推出的 USB6008 采集卡完成。 。虛擬儀器構(gòu)成如圖 31所示。 在所有的生產(chǎn)過程中，進(jìn)行的步驟都是非常復(fù)雜 的，因此建立其相對(duì)應(yīng)的模型也是難以絕對(duì)相符合。由于建立的控制器都是參考模型的參數(shù)，所以不可能把將會(huì)出現(xiàn)的不確定性因素添加進(jìn)去。 傳遞函數(shù)為： ( s ) 1( s ) [1 T s ]( s ) pdiMWKE T s? ? ? ? （ ） 式中 Td —— 微分時(shí)間常數(shù) 綜上所述，使用單純的比例控制時(shí)，當(dāng)比例 參數(shù) 過大，意味著控制作用太強(qiáng)，很容易引起系統(tǒng)的振蕩；當(dāng)比例 參數(shù) 過小，控制的效果不明顯。 隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代控制理論也在不斷完善，而且應(yīng)用的范圍也越來越廣。 13 本課題使用的電機(jī) 本課題使用的電機(jī)為 KYJZ210 檢測(cè)與轉(zhuǎn)換（傳感器）技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)里光電式傳感器中的微特電機(jī)，電機(jī)型號(hào)為萬(wàn)寶至公司生產(chǎn)的 EG530AD 12v ccw 電機(jī)。由于永磁式 是由 永久磁鋼勵(lì)磁 制 成 的 ，因此 即使 在溫度變化程度比較大時(shí)也不會(huì)受到太大的影響，而且有輸出 誤差 小、斜率高等特點(diǎn)。 圖 28 交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 要想改變 電動(dòng)機(jī) 的轉(zhuǎn)速， 一般采用 的方法是改變 電樞電壓 CU ，從而 控