【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 )( 式 )( 中 ： aU —— 電樞供電電壓（ V ）； aI —— 電樞電流（ A ）； ? —— 勵(lì)磁磁通（ Wb ）； aR —— 電樞回路總電阻（ ? ）； eC —— 電勢(shì)系數(shù)； apNCe 60? )( 式 )( 中： P 為電磁對(duì)數(shù)， a 為電樞并聯(lián)支路數(shù)， N 為導(dǎo)體數(shù)。 由式 )( 可以看出，式中 aU 、 aR 、 ? 三個(gè)參量都可以成為變量，只要改變其中一個(gè)參量，就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以直流電動(dòng)機(jī)有三種基本調(diào)速方法 [4] 改變電樞回路電阻調(diào)速 各種 直流電動(dòng)機(jī) 都可以通過(guò)改變電樞回路電阻來(lái)調(diào)速，如圖 22(a)是改變電樞電阻調(diào)速電路圖。此時(shí)轉(zhuǎn)速特性公式為： ????ewaaa C RRIUn )( )(式中 wR 為電樞回路中的外接電阻（ ? ）。 6 當(dāng) 負(fù)載一定時(shí)，隨著串入的外接電阻 wR 的增大，電樞回路總電 ( abR R R??） 增大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就降低。其機(jī)械特性如圖 22(b)所示。 Rw 的改變可用接觸器或主令開關(guān)切換來(lái)實(shí)現(xiàn)。 這種調(diào)速方法為有級(jí)調(diào)速，調(diào)速比一般約為 2： 1 左右，轉(zhuǎn)速變化率大，輕載下很難得到低速，效率低，故現(xiàn)在已極少采用。 改變勵(lì)磁電流調(diào)速 當(dāng)電樞電壓恒定時(shí)，改變電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流也能實(shí)現(xiàn)調(diào)速。由式（ ）可看出，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與磁通 ? （也就是勵(lì)磁電流）成反比，即當(dāng)磁通減小時(shí)，轉(zhuǎn)速 n 升高；反之，則 n 降低。與此同時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩 eT 是磁通 ? 和電樞電流 aI 的乘積（即eaT CT I??），電樞電流不變時(shí)，隨著磁通 ? 的減小，其轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)矩也會(huì)相應(yīng)地減小。所以，在這種調(diào)速方法中，隨著電動(dòng)機(jī)磁通 ? 的減小，其轉(zhuǎn)矩升高，轉(zhuǎn)矩也會(huì)相應(yīng)地降低。在額定電 壓和額定電流下，不同轉(zhuǎn)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)始終可以輸出額定功率，因此這種調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速。 為了使電動(dòng)機(jī)的容量能得到充分利用，通常只是在電動(dòng)機(jī)基速以上調(diào)速時(shí)才采用這種調(diào)速方法。采用弱磁調(diào)速時(shí)的范圍一般為 :1～ 3:1，特殊電動(dòng)機(jī)可達(dá)到 5:1。 這種調(diào)速電路的實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單 ， 只要在勵(lì)磁繞組上加一個(gè)獨(dú)立可調(diào)的 電源 供電即可實(shí)現(xiàn)。勵(lì)磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小 ， 但低速時(shí)受到磁飽和 的限制，高速圖 22 電阻調(diào)速電路與機(jī)械特性圖 （ a）調(diào)速電路 （ b）機(jī)械特性 7 時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制 。而且由于勵(lì)磁線圈電感較大， 動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。 改變電樞電壓調(diào)速 常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。連續(xù)改變電樞供電電壓，可以使 直流電動(dòng)機(jī) 在很寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。 改變電樞供電電壓的方法有兩種，一種是采用發(fā)電機(jī) 電動(dòng)機(jī)組供電的調(diào)速系統(tǒng)；另一種是采用晶閘管變流器供電的調(diào)速系統(tǒng)。下面 分別介紹這兩種調(diào)速系統(tǒng)。 1） 采用發(fā)電機(jī) 電動(dòng)機(jī)組調(diào)速方法 。 如圖 23(a)所示，通過(guò)改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流 IF 來(lái)改變發(fā)電機(jī)的輸出電壓 aU ，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 。在不同的電樞電壓 aU 時(shí)，其得到 的機(jī)械特性便是一簇完全平行的直線，如圖 23(b)所示。由于電動(dòng)機(jī)既可以工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，又可以工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，所以改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的方向，如圖 23(a)中切換接觸器 ZC 和 FC，就可以使系統(tǒng)很方便地工作在任意四個(gè)象限內(nèi)。 由圖可知，這種調(diào)速方法需要兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)和另一臺(tái)容量小一些的勵(lì)磁發(fā)電機(jī) (LF)，因而設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、安裝需打基礎(chǔ)、運(yùn)行噪聲大、維護(hù)不方便。為克服這些缺點(diǎn)， 50 年代開始采用水銀整流器（大容量）(a) 調(diào)速電路 (b) 機(jī)械特性 圖 23 發(fā)電機(jī) 電動(dòng)機(jī)調(diào)速電路機(jī)械特性圖 8 和閘流管這樣的靜止交流裝置來(lái)代替上述的旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。目前已 被更經(jīng)濟(jì)、可靠的晶閘管變流裝置所取代。 2） 采用晶閘管變流器供電的調(diào)速方法 。 有 晶閘管變流器供電的調(diào)速電路如圖 24(a)所示。通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)器的控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。在此調(diào)速方法下可得到與發(fā)電機(jī) 電動(dòng)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)類似的調(diào)速特性。其開環(huán)機(jī)械特性示于圖 24(b)中。 圖 24(b)中的每一條機(jī)械特性曲線都由兩段組成，在電流連續(xù)區(qū)特性還比較硬，改變延遲角 a 時(shí)，特性呈一簇平行的直線，它和發(fā)電機(jī) 電動(dòng)機(jī)組供電時(shí)的完全一樣。但在電流斷續(xù)區(qū)，則為非線性的軟特性。這是由于晶閘管整流器在具有反電勢(shì)負(fù)載時(shí)電流易產(chǎn)生斷續(xù)造成的。 變電樞電壓調(diào)速是直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的一種調(diào)速方法。在此方法中，由于電動(dòng)機(jī)在任何轉(zhuǎn)速下磁通都不變，只是改變電動(dòng)機(jī)的供電電壓，因而在額定電流下，如果不考慮低速下通風(fēng)惡化的影響（也就是假定電動(dòng)機(jī)是強(qiáng)迫通風(fēng)或?yàn)榉忾]自冷式），則不論在高速還是低速下，電動(dòng)機(jī)都能輸出額定轉(zhuǎn)矩 ，故稱這種調(diào)速方法為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。這是它的一個(gè)極為重要的特點(diǎn)。如果采用反饋控制系統(tǒng)，調(diào)速范圍可達(dá)50： 1～ 150： 1,甚至更大。 3） 采用大功率半導(dǎo)體器件的 直流電動(dòng)機(jī) 脈寬調(diào)速方法 。 脈寬調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)的歷史久遠(yuǎn)，但因缺乏高速大功率開關(guān)器件而未能及時(shí)在生產(chǎn)(a)調(diào)速電路 （ b）機(jī)械特性 圖 24 晶閘管供電的調(diào)速電路機(jī)械特性圖 9 實(shí)際中推廣應(yīng)用。今年來(lái)，由于大功率晶體管 (GTR)，特別是 IGBT 功率器件的制造工藝成熟、成本不斷下降，大功率半導(dǎo) 體器件實(shí)現(xiàn)的 直流電動(dòng)機(jī) 脈寬調(diào)速系統(tǒng)才獲得迅猛發(fā)展，目前其最大容量已超過(guò)幾十兆瓦數(shù)量級(jí)。 PWM(脈寬調(diào)制 )是常用的一種調(diào)速方法，其基本原理是：用改變電機(jī)電樞 (定子 )電壓的接通和斷開的時(shí)間比 (占空比 )來(lái)控制馬達(dá)的速度，在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，其速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，即可使電機(jī)的速度達(dá)到并保持一穩(wěn)定值。 [5] 其中 前兩種是改變電機(jī)參數(shù)的方法，后一種是改變電源參數(shù)的方法。 對(duì)于要求在一定內(nèi)無(wú)極平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式最佳。因?yàn)楦淖冸娮柚挥袠O調(diào)速，而調(diào)節(jié)磁通范圍很小，不然將造成飛車事故。且本控制系統(tǒng)采用的直流電機(jī)為小功率電機(jī)，所以直流調(diào)速系統(tǒng)以變壓調(diào)速為主。 10 第三章 虛擬儀器與 LabVIEW 介紹 虛擬儀器概述 本章主要從概念、發(fā)展階段、研究現(xiàn)狀、發(fā)展方向、優(yōu)點(diǎn)等五個(gè)方面對(duì)虛擬儀器做了詳細(xì)地介紹。 虛擬儀器的概念 所謂的虛擬儀器，就是在以通用計(jì)算機(jī)為核心的通用硬件平臺(tái)上，由用戶設(shè)計(jì)定義，采 用虛擬面板，測(cè)試功能由軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。這里的“虛擬”有兩層含義 [6]： （ 1）虛擬的儀器面板。 在虛擬儀器里由軟件在計(jì)算機(jī)顯示器上生成類似于真實(shí)儀器的操作面板，物理的開關(guān)、按鍵、旋鈕以及數(shù)碼管等顯示器件都是由與實(shí)物外觀很相似的圖形控件來(lái)代替，操作人員通過(guò)鼠標(biāo)或者鍵盤操縱軟件界面中的這些控件來(lái)完成儀器的控制。 （ 2）由軟件實(shí)現(xiàn)儀器的測(cè)量功能。 在虛擬儀器系統(tǒng)中，儀器功能是由軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它不僅能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的測(cè)量功能，也能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器不能實(shí)現(xiàn)或者很難實(shí)現(xiàn)的一些數(shù)據(jù)處理功能，如 FFT分析、小波 分析、數(shù)字濾波、回歸分析、統(tǒng)計(jì)分析等。通過(guò)不同軟件模塊的組合，還可以實(shí)現(xiàn)多種自動(dòng)測(cè)試功能。 虛擬儀器的前景 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)的不斷發(fā)展，以及網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來(lái)和信息化要求的不斷提高，虛擬儀器正在深入各行各業(yè)，影響著人類的生產(chǎn)、教學(xué)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、國(guó)防等，甚至進(jìn)入家庭自動(dòng)化管理。由于可充分利用 PC、網(wǎng)絡(luò)和通訊的相關(guān)技術(shù)，虛擬儀器有望取代測(cè)量技術(shù)傳統(tǒng)領(lǐng)域的各類儀器。 “沒有測(cè)量就沒有鑒別，科學(xué)技術(shù)就不能前進(jìn)”。虛擬儀器技術(shù)將不但成為測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域的主流，而且將會(huì)在科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用 。 11 虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn) 一臺(tái)性能優(yōu)良的虛擬儀器不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的大部分功能，而且在許多方面有傳統(tǒng)儀器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如使用靈活方便、功能豐富、價(jià)格低廉、可以一機(jī)多用、可重復(fù)開發(fā)等。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，有以下 6個(gè)特點(diǎn) [7]： （ 1）傳統(tǒng)儀器的面板只有一個(gè)，其上布置著種類繁多的顯示與操作元件，易于導(dǎo)致許多識(shí)別與操作錯(cuò)誤。而虛擬儀器可以通過(guò)在幾個(gè)分面板上的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。同時(shí)，虛擬儀器面板上的學(xué)生研究和操作元件的種類與小時(shí)不受“標(biāo)準(zhǔn)件”和“加工工藝”限制，它們是由編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，設(shè)計(jì)者可以根 據(jù)用戶的認(rèn)知要求和操作要求設(shè)計(jì)儀器面板。 （ 2）在通用硬件平臺(tái)確定后，由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來(lái)完成儀器的功能。 （ 3）儀器的功能是用戶根據(jù)需要由軟件來(lái)定義的，而不是事先由廠家定義好的。 （ 4）儀器的改進(jìn)和功能擴(kuò)展只需要更新相關(guān)軟件設(shè)計(jì)，而不需購(gòu)買新的儀器。 （ 5）研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短。 （ 6）虛擬儀器開放、靈活，可與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其它周邊設(shè)備互聯(lián)。決定虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器不可能具備的特點(diǎn)的根本原因在于“虛擬儀器的關(guān)鍵軟件”。 LabVIEW 概述 編程語(yǔ)言 的介紹 LabVIEW 是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境 (Laboratory Virtual Instrument Engineering Wo rkbench)的簡(jiǎn)稱，是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境，得到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的普遍認(rèn)可和好評(píng)。它可以把復(fù)雜、繁瑣、費(fèi)時(shí)的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成用菜單或圖標(biāo)提示的方法選擇功能 (圖形 )，用線條將各種功能 (圖形 )連接起來(lái)的簡(jiǎn)單圖形編程方式，為沒有編程經(jīng)驗(yàn)的用戶進(jìn)行編程、查錯(cuò)、調(diào)試提供了簡(jiǎn)單方便、完整的環(huán)境和工具，尤其適合于從事科研、開發(fā)的科學(xué)家和工程技術(shù)人員使 用。LabVIEW是一種虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)軟件，能夠以其直觀簡(jiǎn)便的編程方式、眾多的源代碼級(jí)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、多種多樣的分析和表達(dá)功能支持，為用戶快捷地構(gòu)筑自己在 12 實(shí)際工程中所需要的儀器系統(tǒng)創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。 而且 LabVIEW與其它計(jì)算機(jī)語(yǔ)言相比，有一個(gè)特別重要的不同點(diǎn) :其它計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼行，而 LabVIEW采用圖形化編程語(yǔ)言 —— G語(yǔ)言，產(chǎn)生的程序是框圖的形式，易學(xué)易用，特別適合硬件工程師、實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員、生產(chǎn)線工藝技術(shù)人員的學(xué)習(xí)和使用，可在很短的時(shí)間內(nèi)掌握并應(yīng)用到實(shí)踐中去。特別是對(duì)于熟悉 儀器結(jié)構(gòu)和硬件電路的硬件工程師、現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員及測(cè)試技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，編程就像設(shè)計(jì)電路圖一樣。因此，硬件工程師、現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員及測(cè)試技術(shù)人員們學(xué)習(xí) LabVIEW駕輕就熟，在很短的時(shí)間內(nèi)就能夠?qū)W會(huì)并應(yīng)用 LabVIEW，也不必去記憶那眼花繚亂的文本式程序代碼。 LabVIEW 的功能十分強(qiáng)大。像 C或 C++等其它計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言一樣， LabVIEW也是一種通用編程系統(tǒng)，具有各種各樣、功能強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)，包括數(shù)據(jù)采集、 GPIB、串行儀器控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，甚至還有目前十分熱門的網(wǎng)絡(luò)功能。LabVIEW也 有完善的仿真、調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步執(zhí)行等。 LabVIEW的動(dòng)態(tài)連續(xù)跟蹤方式，可以連續(xù)、動(dòng)態(tài)地觀察程序中的數(shù)據(jù)及其變化情況，比其它語(yǔ)言的開發(fā)環(huán)境更方便、更有效。 本論文程序設(shè)計(jì)使用的是 ，該版本擁有強(qiáng)大的子 VI庫(kù)，依據(jù)它們，我們可以更加方便的構(gòu)建多樣化的 LabVIEW控制系統(tǒng)。雙擊 LabVIEW圖表，啟動(dòng)如圖 31所示對(duì)話框。 圖 31 LabVIEW 啟動(dòng)后對(duì)話框 13 編程語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn) LabVIEW 具有強(qiáng)大的編程能力與可讀性，具體來(lái)說(shuō)有七大優(yōu)點(diǎn) [8]： 第一，圖形化的編程方式，設(shè)計(jì)者無(wú)需寫任何文 本格式的代碼，是真正的工程師的語(yǔ)言。 第二，提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲(chǔ)的庫(kù)函數(shù)。 第三，既提供了傳統(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步運(yùn)行，同時(shí)提供獨(dú)到的高亮執(zhí)行工具，使程序動(dòng)畫式運(yùn)行，利于設(shè)計(jì)者觀察程序運(yùn)行的細(xì)節(jié)，使程序的調(diào)試和開發(fā)更為便捷。 第四， 32bit是編輯器編譯生成 32bit的編譯程序，保證用戶數(shù)據(jù)采集、測(cè)試和測(cè)量方案的高速執(zhí)行。 第五，囊括了 DAQ、 GPIB、 PXI、 VXI、 RS232/485在內(nèi)的各種儀器通信總線表針的所有功能函數(shù)，使得不懂總線標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)者 也能夠驅(qū)動(dòng)不同總線標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備與儀器。 第六，提供大量與外部代碼或軟件進(jìn)行連接的機(jī)制，諸如 DLLs（動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)）、DDE(共享庫(kù) )、 ActiveX等。 第七，強(qiáng)大的 Inter功能，支持常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程測(cè)控儀器的開發(fā)。 LabVIEW 編程基礎(chǔ) 所有的 LabVIEW程序（即虛擬儀器 VI）都是由前面板和框圖構(gòu)成的。下面通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的加減法程序的實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)明。 （ 1）前面板（ Front Panel） 在 LabVIEW中，前面板式虛擬儀器 VI的圖形用戶界面，其中包