【文章內容簡介】 特點。電磁式則采用的是他勵式，這種結構容易受到電源以及環(huán)境等其他因素的影響，導致輸出的電壓變化較大，所以應用得比較少。 交流測速發(fā)電機的 整體構造 與交流伺服電動機 十分 近似 ，在定子上有相互垂直的兩 組 繞組，一 組 繞組 為勵磁繞組， 另 一 組 繞組 為輸出繞組 ，測速發(fā)電機的轉子為杯型。由于杯型 的 轉子 在信號的輸出中起到決定性的作用 ，所以其質量的 合格與否直接影響測速發(fā)電機的 能否正常運行 。 目 前，其技術性能與其他的測速發(fā)電機相比，有結構簡單、噪聲細小、抗干擾能力強等特點，所以 是大多數商家的首選發(fā)電機 。 步進電動機 步進電動機是一種直接 把 電脈沖信號轉 化為 角位移或線位移 參數 的電器設備 。步進電動機 具有 運行 精 確 度高、同步運行 性能 好、調速范圍 廣、調速速度快、結構簡單等的 優(yōu)點 ， 因此 非常適合用于數字控制系統(tǒng)。 步進電動機的步距角 ? 角的計算公式為： 360NZ?? ? （ ） 式中 N—— 運行拍數 Z—— 轉子齒數 若想改變步進電動機的轉向，只需按相反順序為三相繞組通電即可。 13 本課題使用的電機 本課題使用的電機為 KYJZ210 檢測與轉換（傳感器）技術實驗臺里光電式傳感器中的微特電機，電機型號為萬寶至公司生產的 EG530AD 12v ccw 電機。 電機主要由大殼、軸承、回轉子、永久磁石、電刷、電樞、小殼組成，如圖 211所示。 圖 211 電機構造 12v ccw 電機實物圖 光電傳感器中 EG530AD 12v ccw 電機實物圖如圖 212 所示。 圖 212 電動機實物圖 14 12v ccw 電機 外形尺寸 EG530AD 12v ccw 電機外形尺寸如圖 213 所示。 圖 213 EG530AD 12v ccw 電機外形尺寸 4. EG530AD 12v ccw 電機參數 EG530AD 12v ccw 電機參數如表 23 所示。 表 23 EG530AD 12v ccw 電機參數 型號 MODEL 電壓 VOLTAGE 額定負載 RATED LOAD 額定轉速 RATED SPEED 額定電流 RATED CURRENT 負載波動 LOAD FLUCTUATION 起動力矩 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 電機機械特性 EG530AD 12v ccw 電機機械特性 如圖 214 所示。 圖 214 EG530AD 12v ccw 電機機械特性 電機轉速控制理論 目前，控制電動機轉速 廣泛使用 的方法是 改變 電機電樞電壓， 通過增加電機電樞 兩端 電壓使得電動機的轉速提高；相反，降低電機電樞電壓，電動機的轉速就會相應下降。但是要實現(xiàn)調節(jié)電樞電壓來讓電機轉速能夠快速達到用戶的要求，就必須要引入一種可操作性高、穩(wěn)定性好 、響應速度快 的控制理論。 隨著科學的不斷發(fā)展，現(xiàn)代控制理論也在不斷完善，而且應用的范圍也越來越廣。 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 網絡控制理論 和預測控制理論 等。 PID 控制理論 在自動調節(jié)的發(fā)展歷史中， PID 控制理論的出現(xiàn)是非常重要的，因為無論在簡單的家用電器領域，還是復雜的航天航空領域，都可以看到它的身影。如此實用的控制理論看似十分的復雜繁瑣，其實簡單來說就是對輸入值和理論值先進行減法運算，再對偏差進行一系列的 P、 I、 D 的運算，隨后 將 運算的 多次 疊加結果再去控制執(zhí)行機構 ，其控制邏輯如圖 215。 16 圖 215 PID 控制邏輯 （ P） 比例控制， 也稱作 P 控制， 就是把實測值與期望值的差值 0e 的大小與控制的變量成比例關系， 如果只使用 P 控制，那么系統(tǒng)輸出就會 出現(xiàn) 一定的穩(wěn)態(tài)誤差，不利于系統(tǒng)的控制。 動態(tài)方程和傳遞函數分別為： p p oz Ke? （ ） 0 1( s )ppeWKzP? ? ? （ ） 式 中 pK —— 比例控制參數 0e —— 實測值與期望值的偏差 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)會產生一定的穩(wěn)態(tài)誤差，這時就需要引入“積分項”。 而積分項對于誤差又取決于時間的積分， 當 時間增加 的時候 ，積分項也就跟 著增大。 控制規(guī)律和傳遞函數分別為： 01( t) K [ ( t) ( ) d ]tpim T? ? ? ??? ? （ ） ( s ) 1( s ) [ 1 T s ]( s ) pdiMWKE T s? ? ? ? （ ） 式中 (t)? —— 偏差 17 iT—— 積分時間常數 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。 傳遞函數為： ( s ) 1( s ) [1 T s ]( s ) pdiMWKE T s? ? ? ? （ ） 式中 Td —— 微分時間常數 綜上所述，使用單純的比例控制時，當比例 參數 過大，意味著控制作用太強，很容易引起系統(tǒng)的振蕩；當比例 參數 過小，控制的效果不明顯。而在比例控制的基礎上再引入積分控制， 可以消除系統(tǒng)誤差，不過積分時間過長，就會使系統(tǒng)超調從而發(fā)生振蕩。一般來說，比例 積分控制足夠滿足電動 機轉速控制的使用要求，是否要加入微分控制，需要視 現(xiàn)實 情況而定。 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控制相 融合 ，在人類不用參與的作用下，可以自動獨立完成自動控制的效果。與傳統(tǒng)的控制理論不同，智能控制并不需要對數學公式或者計算進行過多的研究，開發(fā)人員只需將精力放在數據庫和建模的研究上。 智能控制運用在實際生產中，會自動對外界進行認識、分辨、 計算 和規(guī)劃，最終 能夠 實現(xiàn)使被控對象按照用戶的要求 達到預期的效果。 理論 在自動控制中，很多時候建立的模型都 是非線性模型，因此都存在模型的不確定性，而魯棒控制正是解決這一系列的問題。與傳統(tǒng)的自適應控制系統(tǒng)的相比，前者的控制思想是對模型的參數進行判斷，然后建立控制器。由于建立的控制器都是參考模型的參數，所以不可能把將會出現(xiàn)的不確定性因素添加進去。相反的是，魯棒控制的設計理念真是盡可能把模型一切的不確定因素和信息添加到控制器里，在 18 運行中遇到的不確定參數時，依舊可以滿足用戶需求的性能指標。 理論 模塊控制一種是基于模糊數學的基本思想的控制理論。在過去的控制理論的領域中，一個控制系統(tǒng)的動態(tài)模式是否精確，往往會 直接影響到整個控制系統(tǒng)的效果，因此系統(tǒng)的動態(tài)信息越詳盡，那么就可以達到精確控制的效果。換言之，對于一些非常復雜的系統(tǒng)，因為存在的變量過多，造成很難去準確表達系統(tǒng)的動態(tài)，并實現(xiàn)控制的目的。 對于如此復雜而又不能準確表達的系統(tǒng)，則可以用模糊數學來解決這些問題。 神經網絡控制作為早于其出現(xiàn)的智能控制理論的一個新分支，是自動控制領域里的前沿科學。它為之前線性控制理論、自適應控制理論所不能 分析 的非線性、不確定的控制問題 給出了可行的方案 。 在所有的生產過程中，進行的步驟都是非常復雜 的，因此建立其相對應的模型也是難以絕對相符合。對于一些應用于復雜建模的控制理論，往往其控制效果也是不如人意 。 由于預測控制理論中可以對已建立的模型進行反饋校正，不斷完善其模型的算法，因此適合用于復雜的生產過程。 伴隨 預測控制理論的 飛速發(fā)展 ，其在生產控制中必定能起到更大的作用。 19 3. 虛擬儀器的概述 虛擬儀器的簡介 20 世紀 70 年代中期， NI 公司提出了虛擬儀器（ Virtual Instrument）的概念。在以計算機等硬件平臺的基礎上，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)。 由于虛擬儀器具有開發(fā)架構的特點，因此用戶可以更快速 實現(xiàn)測試系統(tǒng)的建立。同時，虛擬儀器的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)儀器在數據采集、運算、傳輸等方面的限制，是一個高自動化、低運行成本的運載平臺。虛擬儀器構成如圖 31所示。 圖 31 虛擬儀器的構成 虛擬儀器的特點 使用 虛擬儀器的 好處 除了能與計算機建立成靈活的 測試平臺 ，關鍵是通過其他各種類型 的接線口，就可以建立起各種各樣的自動測試系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的儀器相比，虛擬儀器的特點有以下幾點： ，控制控件種類繁多，用戶使用時容易發(fā)生誤操作。相比之下，虛擬 儀器的功能面板則將復雜的控件分類號，用戶使用時更加方便、快捷。 ， 虛擬儀器 可以完成各種硬件不能達成的功能。 20 ，用戶可以 按所需 地設置。 虛擬儀器的性能，只要聯(lián)網 下載升級 同版本 的軟件。 ，研發(fā)的時間 縮 短 。 。 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較如表 31 所示。 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)維護費低 開發(fā)維護費高 技術更新周期短 技術更新周期長 軟件占主導地位 硬件占主導地位 價格較 低 價格昂貴 用戶可以按需求定義功能 商家定義功能 可與計算機實現(xiàn)同步功能 固定不變 可通過互聯(lián)網與其他設備連接 獨立設備 虛擬儀器的組成 虛擬儀器主要由硬件平臺和軟件平臺組成，結構框圖如圖 32 所示。 圖 32 虛擬儀器結構框圖 21 4. 轉速測量與控制系統(tǒng)的設計 系統(tǒng)設計構思 結合 實驗室現(xiàn)有的實驗儀器的基礎上，要設計出盡量滿足實驗要求的系統(tǒng)。因此將整個設計分為硬件 測速系統(tǒng) 設計和軟件 控制系統(tǒng) 設計這兩個方面。 測控系統(tǒng)的設計思路為先啟動電機，然后 使用 光電傳感器將電機的轉速轉化 為高低電平的脈沖信號，接著通過 NI USB6008 的 AI 端口采集數據，再與計算機的LabVIEW 軟件進行通信，使用 LabVIEW 軟件里的控件編程，從而計算脈沖的頻率并換算出 直流電動機的實時轉速，緊接著再使用 PID 控件實現(xiàn)轉速的控制，由 NI USB6008 的 AO 端口 提供 電壓輸出 ，改變電機轉速達到用戶的需求， 最后對 實驗結果分析總結。 測控系統(tǒng)的設計流程如圖 41 所示。 圖 41 直流電動機測控系統(tǒng)設計流程 測控系統(tǒng)的硬件設計 22 直流電動機的測控系統(tǒng)中硬件設計包括了將轉速轉化為電信號、數據采集、信號放大 、電信號輸出這幾個方面。 其中將轉速轉化為電信號的有光電傳感器 TLP850完成，數據采集、信號放大、電信號輸出則由 NI 公司推出的 USB6008 采集卡完成。 光電傳感器 TLP850 TLP850 是由東芝 公司生產的一款可控制的光電耦合器電子元件，該款光電傳感器把發(fā)光器以及接收器 裝在了一個 完全密封 的塑料殼內，兩者之間用透明的絕緣體完全隔離開。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 信號輸出端。 TLP850 相關參數 光電傳感器 TLP850 相關參數如表 41 所示。 表 41 光電傳感器 TLP850 相關參數 Maximum Ratings 最大額定值 (Ta=25℃ ) CHARACTERISTIC 參數 SYMBOL符號 RATING 數值 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