【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 特點(diǎn)。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。 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。由于杯型 的 轉(zhuǎn)子 在信號(hào)的輸出中起到?jīng)Q定性的作用 ，所以其質(zhì)量的 合格與否直接影響測(cè)速發(fā)電機(jī)的 能否正常運(yùn)行 。 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) 。 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 。步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 具有 運(yùn)行 精 確 度高、同步運(yùn)行 性能 好、調(diào)速范圍 廣、調(diào)速速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等的 優(yōu)點(diǎn) ， 因此 非常適合用于數(shù)字控制系統(tǒng)。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角 ? 角的計(jì)算公式為： 360NZ?? ? （ ） 式中 N—— 運(yùn)行拍數(shù) Z—— 轉(zhuǎn)子齒數(shù) 若想改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，只需按相反順序?yàn)槿嗬@組通電即可。 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)為萬寶至公司生產(chǎn)的 EG530AD 12v ccw 電機(jī)。 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。 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。 圖 212 電動(dòng)機(jī)實(shí)物圖 14 12v ccw 電機(jī) 外形尺寸 EG530AD 12v ccw 電機(jī)外形尺寸如圖 213 所示。 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。 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。 圖 214 EG530AD 12v ccw 電機(jī)機(jī)械特性 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制理論 目前，控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 廣泛使用 的方法是 改變 電機(jī)電樞電壓， 通過增加電機(jī)電樞 兩端 電壓使得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速提高；相反，降低電機(jī)電樞電壓，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì)相應(yīng)下降。但是要實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電樞電壓來讓電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠快速達(dá)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(yīng)速度快 的控制理論。 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。 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。 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。如此實(shí)用的控制理論看似十分的復(fù)雜繁瑣，其實(shí)簡(jiǎn)單來說就是對(duì)輸入值和理論值先進(jìn)行減法運(yùn)算，再對(duì)偏差進(jìn)行一系列的 P、 I、 D 的運(yùn)算，隨后 將 運(yùn)算的 多次 疊加結(jié)果再去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu) ，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(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。 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)”。 而積分項(xiàng)對(duì)于誤差又取決于時(shí)間的積分， 當(dāng) 時(shí)間增加 的時(shí)候 ，積分項(xiàng)也就跟 著增大。 控制規(guī)律和傳遞函數(shù)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(shí)間常數(shù) 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(chǔ)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(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。而在比例控制的基礎(chǔ)上再引入積分控制， 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。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。 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(dòng)控制相 融合 ，在人類不用參與的作用下，可以自動(dòng)獨(dú)立完成自動(dòng)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(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)庫和建模的研究上。 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。 理論 在自動(dòng)控制中，很多時(shí)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(yīng)控制系統(tǒng)的相比，前者的控制思想是對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)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(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。相反的是，魯棒控制的設(shè)計(jì)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(yùn)行中遇到的不確定參數(shù)時(shí)，依舊可以滿足用戶需求的性能指標(biāo)。 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。在過去的控制理論的領(lǐng)域中，一個(gè)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模式是否精確，往往會(huì) 直接影響到整個(gè)控制系統(tǒng)的效果，因此系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信息越詳盡，那么就可以達(dá)到精確控制的效果。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。 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)來解決這些問題。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制作為早于其出現(xiàn)的智能控制理論的一個(gè)新分支，是自動(dòng)控制領(lǐng)域里的前沿科學(xué)。它為之前線性控制理論、自適應(yīng)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(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。對(duì)于一些應(yīng)用于復(fù)雜建模的控制理論，往往其控制效果也是不如人意 。 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。 伴隨 預(yù)測(cè)控制理論的 飛速發(fā)展 ，其在生產(chǎn)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(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。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)。 由于虛擬儀器具有開發(fā)架構(gòu)的特點(diǎn)，因此用戶可以更快速 實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的建立。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)确矫娴南拗疲且粋€(gè)高自動(dòng)化、低運(yùn)行成本的運(yùn)載平臺(tái)。虛擬儀器構(gòu)成如圖 31所示。 圖 31 虛擬儀器的構(gòu)成 虛擬儀器的特點(diǎn) 使用 虛擬儀器的 好處 除了能與計(jì)算機(jī)建立成靈活的 測(cè)試平臺(tái) ，關(guān)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。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。相比之下，虛擬 儀器的功能面板則將復(fù)雜的控件分類號(hào)，用戶使用時(shí)更加方便、快捷。 ， 虛擬儀器 可以完成各種硬件不能達(dá)成的功能。 20 ，用戶可以 按所需 地設(shè)置。 虛擬儀器的性能，只要聯(lián)網(wǎng) 下載升級(jí) 同版本 的軟件。 ，研發(fā)的時(shí)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(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。 圖 32 虛擬儀器結(jié)構(gòu)框圖 21 4. 轉(zhuǎn)速測(cè)量與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)思 結(jié)合 實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器的基礎(chǔ)上，要設(shè)計(jì)出盡量滿足實(shí)驗(yàn)要求的系統(tǒng)。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。 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 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)。 測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如圖 41 所示。 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。 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。 光電傳感器 TLP850 TLP850 是由東芝 公司生產(chǎn)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(gè) 完全密封 的塑料殼內(nèi)，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(hào)輸出端。 TLP850 相關(guān)參數(shù) 光電傳感器 TLP850 相關(guān)參數(shù)如表 41 所示。 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