【正文】 制 電機(jī)的轉(zhuǎn)速。但是電樞鐵心直接較大，氣隙較小 有線性調(diào)節(jié)的特性以及下降的機(jī)械特性，響應(yīng)快速 一般直流伺服系統(tǒng) 無(wú)槽電樞（電磁或永磁） 電樞鐵心光滑，繞組有耐熱環(huán)氧樹(shù)脂固定在鐵心表面，氣隙大 具有一般直流伺服電機(jī)特性，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，換向良好，時(shí)間常數(shù)小 快速動(dòng)作、大功率的伺服系統(tǒng) 空心杯形電樞（永磁式） 電樞繞組由耐熱環(huán)氧樹(shù)脂注成，電樞內(nèi)外都有鐵心構(gòu)成磁路 時(shí)間常數(shù)小，低速性能好 快速動(dòng)作的伺服系統(tǒng) 印刷繞組電樞（永磁式） 磁極需軸向安裝，具有扇形面的極靴。而常用的有交、直流伺服電動(dòng)機(jī)、測(cè)速發(fā)電機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 綜上所述， 在測(cè)速的過(guò)程中，對(duì)兩個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行比較 （如表 21） ，得出光電效應(yīng)傳感器 更適合接下來(lái)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。而光電耦合器是由發(fā)光 器 和 接收 器 組成的，使用方法 是在光電耦合器的輸入端 施加 一個(gè)電壓，使得發(fā)光 器 發(fā)光，而實(shí)驗(yàn)室中的光電開(kāi)關(guān)為對(duì)射式紅外頭， 當(dāng)轉(zhuǎn)盤不透明的一端處在開(kāi)關(guān)位置 的時(shí)候，輸出端會(huì)輸出高電平； 當(dāng)轉(zhuǎn)盤透明的一端處在開(kāi)關(guān)位置 的時(shí)候，輸出端會(huì)輸出 低電平 。 當(dāng)光照射到物體的時(shí)候，即為光子跟物體的能量交換過(guò)程，我們將這個(gè)過(guò)程稱之為光電效應(yīng)。目前一般常用的電機(jī)測(cè)速方法有 霍爾效應(yīng)傳感器測(cè)速、 光電傳感器測(cè)速、 轉(zhuǎn)矩測(cè)速、離心式測(cè)速、磁漏測(cè)速、振動(dòng)測(cè)速等方法。在 往后 的電機(jī)控制技術(shù)的 發(fā)展 中，對(duì)交流電機(jī) 轉(zhuǎn)速 的控制將是研 發(fā) 的重點(diǎn)。 圖 11 微型電機(jī)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用 2 國(guó)內(nèi)外 微電機(jī)發(fā)展 概況 我國(guó)微電機(jī)行業(yè)現(xiàn)狀 自改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)對(duì)微型電機(jī)的需求日益遞增。 基于 LabVIEW 平臺(tái)和NI 公司的 USB6008 采集卡，通過(guò)光電傳感器將采集到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào) ，再經(jīng)過(guò)對(duì)脈沖信號(hào)的周期測(cè)量及數(shù)學(xué)運(yùn)算， 從而 得出電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。 好比家用電吹風(fēng) 里的 電機(jī)，要實(shí)現(xiàn)檔位的轉(zhuǎn)換，也就是要實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)速 ；倘若是運(yùn)用在醫(yī)療設(shè)備中的電機(jī)，那么對(duì)電機(jī)的調(diào)速要 求則更加嚴(yán)格， 因?yàn)槿绻姍C(jī)在調(diào)速過(guò)程中發(fā)生了過(guò)大的誤差，其后果是不堪設(shè)想的。其中全球最大的微電機(jī)制造廠商日本 Mabuchi 公司，在我國(guó)各省也設(shè)有生產(chǎn)車間。 。 圖 21 電機(jī)主軸圓盤磁鋼 圖 22 霍爾傳感器 由于磁鋼間是有間隙的，因此 在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，霍爾傳感器外 的磁場(chǎng)也在不斷地改變， 同時(shí)霍爾 傳感器會(huì)因?yàn)?磁場(chǎng)的 變化 ，在輸出端口 會(huì)有 脈沖信號(hào) 的輸出 ，所以只要測(cè)量出脈沖信號(hào)的周期或者頻率，就可以簡(jiǎn)單換算出電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。 使用時(shí)只需將電機(jī)轉(zhuǎn)速的 變化 變換 為光信號(hào)的變化 。另外由于霍爾效應(yīng)傳感器和電機(jī)的相對(duì)位置沒(méi)有固定，在電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)讓 轉(zhuǎn)盤上的磁鋼與霍爾元件發(fā)生偏移，不利于數(shù)據(jù)的穩(wěn)定采集。 鑒于實(shí)驗(yàn)室可用電機(jī)為微特電機(jī)，因此本課題的電機(jī)測(cè)速與控制以微特電機(jī)為研究對(duì)象。直流伺服電動(dòng)機(jī)的容量較大，一般可達(dá)幾百瓦。 圖 27 交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理 若想改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速， 通過(guò) 改變 電樞 電壓 CU 來(lái)達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，在 帶負(fù)荷 轉(zhuǎn)矩一定的情況下， CU 為 1 時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最高，隨著 CU 的 減少 ，轉(zhuǎn)速 也減少 。由于 發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的 電壓與 自身的旋轉(zhuǎn)速率 為正比例 的關(guān)系 ， 因此可以直接測(cè)出電機(jī)的轉(zhuǎn)速 。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種直接 把 電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn) 化為 角位移或線位移 參數(shù) 的電器設(shè)備 。 表 23 EG530AD 12v ccw 電機(jī)參數(shù) 型號(hào) MODEL 電壓 VOLTAGE 額定負(fù)載 RATED LOAD 額定轉(zhuǎn)速 RATED SPEED 額定電流 RATED CURRENT 負(fù)載波動(dòng) LOAD FLUCTUATION 起動(dòng)力矩 STARTING TORQUE 使用范圍 OPERATING RANGE 額定值 NOMINAL V V gcm? /min 2%r ? mA（ TYP） /rpm g cm? g cm? EG530AD6F（ 6B） ~ 2400 132 EG530AD9F（ 9B） ~ 2400 92 EG530AD2F（ 2B） ~ 2400 73 15 5. EG530AD 12v ccw 電機(jī)機(jī)械特性 EG530AD 12v ccw 電機(jī)機(jī)械特性 如圖 214 所示。 動(dòng)態(tài)方程和傳遞函數(shù)分別為： p p oz Ke? （ ） 0 1( s )ppeWKzP? ? ? （ ） 式 中 pK —— 比例控制參數(shù) 0e —— 實(shí)測(cè)值與期望值的偏差 P—— 比例度 積分控制（ PI） 比例 積分控制，也稱作 PI 控制，由于 只 使用比例控制，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一定的穩(wěn)態(tài)誤差，這時(shí)就需要引入“積分項(xiàng)”。 智能控制運(yùn)用在實(shí)際生產(chǎn)中，會(huì)自動(dòng)對(duì)外界進(jìn)行認(rèn)識(shí)、分辨、 計(jì)算 和規(guī)劃，最終 能夠 實(shí)現(xiàn)使被控對(duì)象按照用戶的要求 達(dá)到預(yù)期的效果。 對(duì)于如此復(fù)雜而又不能準(zhǔn)確表達(dá)的系統(tǒng)，則可以用模糊數(shù)學(xué)來(lái)解決這些問(wèn)題。在以計(jì)算機(jī)等硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，利用虛擬儀器，用戶可以在虛擬面板選擇合適的控件，編 寫程序系統(tǒng)。 20 ，用戶可以 按所需 地設(shè)置。 測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路為先啟動(dòng)電機(jī)，然后 使用 光電傳感器將電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化 為高低電平的脈沖信號(hào)，接著通過(guò) NI USB6008 的 AI 端口采集數(shù)據(jù)，再與計(jì)算機(jī)的LabVIEW 軟件進(jìn)行通信，使用 LabVIEW 軟件里的控件編程，從而計(jì)算脈沖的頻率并換算出 直流電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，緊接著再使用 PID 控件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制，由 NI USB6008 的 AO 端口 提供 電壓輸出 ，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到用戶的需求， 最后對(duì) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析總結(jié)。 圖 42 光電傳感器 TLP850 尺寸 3. 光電傳感器 TLP850 接線端口 光電傳感器 TLP850 接線 圖 如圖 43 所示。 圖 45 NI USB6008 數(shù)據(jù)采集卡尺寸參數(shù) USB6008 數(shù)據(jù)采集卡端口參數(shù) NI USB6008 數(shù)據(jù)采集卡端口參數(shù)如表 42 所示。后面板編程如圖 49 所示。 程序測(cè)出的頻率也就是指電機(jī)圓盤一秒鐘內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)，也就是說(shuō)，將頻率直接乘以 60，就能得出電機(jī)圓盤一分鐘內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)，理論上即為電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速 。 把 P 向下調(diào)節(jié)為 ， 保持 I 為 ，如圖 415 所示 ，系統(tǒng)振蕩減少，但是調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，需要增大 I 減少系統(tǒng)誤差。 圖 421 PID 控制程序 圖 422 PID 參數(shù)設(shè)置 35 數(shù)據(jù)輸出程序 數(shù)據(jù)輸出使用的是 AO1 端口， DAQ 助手的配置為信號(hào)輸出范圍最大 值為 5，最小值為 0，接線端配置為 RSE，生成模式為 1 采樣（按要求） ，信號(hào)端接入 的output 端口 。 圖 426 電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 由于直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍只能達(dá)到 350 轉(zhuǎn) /分鐘 至 1650 轉(zhuǎn) /分鐘 之間，與課題設(shè)計(jì)要求達(dá)到 50 轉(zhuǎn) /分鐘 至 2020 轉(zhuǎn) /分鐘 有一定的差距，因此需要對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行分析。 綜上所述， 在輸入直流穩(wěn)壓 5 V的電源，電機(jī)可以達(dá)到 2400 轉(zhuǎn) /分鐘的額定轉(zhuǎn)速，基于 LabVIEW 編寫的測(cè)速程序中的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)測(cè)量以及數(shù)據(jù)運(yùn)算部分，實(shí)驗(yàn)證明測(cè)速效果 穩(wěn)定 。同時(shí)將數(shù)據(jù)采集等程序使用定時(shí)循環(huán)， 兩個(gè)循環(huán)之間的 周期設(shè)置為 5 ms。 測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 在軟件設(shè)計(jì)方面，并沒(méi)有作過(guò)多的改動(dòng)。 測(cè)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 模擬端口： 電壓輸出使用 AO1 端口，信號(hào)輸出范圍最大值為 10 V，最小值為 10 V，接線端配置為 RSE，生成模式為 N 采樣。 表 51 NI USB6211 數(shù)據(jù)采集卡端口參數(shù) 模擬輸入 模擬輸出 通道數(shù) 16 SE/8 DI 通道數(shù) 2 采樣率 250 kS/s 更新率 250 S/s 是否同步采樣 否 分辨率 16 bits 分辨率 16 bits 最大電壓范圍 10~10 V 最大電壓范圍 10~10 V 精度范圍 mV 精度范圍 mV 最小電壓范圍 10~10 V 最小電壓范圍 200~200 mV 精度 范圍 mV 精度范圍 mV 電流驅(qū)動(dòng) 2 mA/4 mA 量程數(shù) 4 數(shù)字 I/O 板上存儲(chǔ)量 4095 B 通道數(shù) 8 DIO 計(jì)時(shí)器 /定時(shí)器 定時(shí)方式 軟件 數(shù)目 2 邏輯電平 TTL 分辨率 32 bits 最大輸入范圍 0~ V 最大信號(hào)源頻率 80 MHz 最大輸出范圍 0~ V 最小輸入脈沖寬度 100 ns 輸入電流 源電流，漏電流 邏輯電平 TTL 輸出電流 源電流，漏電流 最大量程 0~5 V 電流驅(qū)動(dòng) 16 mA/50 mA GPS 同步 否 可編程輸入濾波器 否 時(shí)基穩(wěn)定度 50 ppm 看門狗 否 脈沖生產(chǎn) 是 支持握手 I/O 否 緩沖操作 是 支持模式 I/O 否 短時(shí)脈沖干擾消除 是 可編程上電狀態(tài) 是 46 6. 結(jié)論 在課題設(shè)計(jì)的過(guò)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(wú)延遲。 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。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。 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。 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。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。 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。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。后面板編程如圖 423 所示。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。在過(guò)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(lái) 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(kāi)發(fā)的時(shí)間。 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(guò)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。 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(guò) 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。 綜上所述 ， 電機(jī)圓盤厚度為 ，光電開(kāi)關(guān)的溝槽寬度為 5MM；實(shí)驗(yàn)室可提供 12V 穩(wěn)壓電源，沒(méi)有超出光電開(kāi)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。 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。 ，研發(fā)的時(shí)間 縮 短 。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?