【導(dǎo)讀】感器測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的相關(guān)方法以及幾種常用的轉(zhuǎn)速控制方法。NI公司的USB6008采集卡，通過光電傳感器將采集到的電壓信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號，再經(jīng)過對脈沖信號的周期測量及數(shù)學(xué)運(yùn)算，從而得出電機(jī)的實時轉(zhuǎn)速。理論，讓轉(zhuǎn)速能夠在短時間內(nèi)達(dá)到用戶的需求。

　　

【正文】 0 轉(zhuǎn) /分鐘 左右，接著白色 線的實測轉(zhuǎn)速會繞著紅色線的設(shè)置轉(zhuǎn)速來回波動并逐漸接近 1000 轉(zhuǎn) /分鐘 ，這是整個調(diào)整時間大概為 ， 而電壓輸出的數(shù)值維持在 V上下波動 。 盡管在速度達(dá)到 1000 轉(zhuǎn) /分鐘 時， 電機(jī)轉(zhuǎn)速也有會較小的 波動，但 對總體的 調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的 效果 良好 ， 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)實時 情況如圖 425 所示。 圖 425 1000 轉(zhuǎn) /分鐘時調(diào)速情況 37 隨后在測控系統(tǒng)中測試了其他轉(zhuǎn)速檔位的調(diào)速控制測試，發(fā)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速只能實現(xiàn)在 350 轉(zhuǎn) /分鐘 到 1650 轉(zhuǎn) /分鐘 之間調(diào)速 ，電動機(jī)調(diào)速范圍如圖 426 所示 。 圖 426 電動機(jī)調(diào)速范圍 實驗結(jié)果分析 由于直流電動機(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，因此需要對設(shè)計系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行分析。 首先，本課題采用的直流電動機(jī)型號為 EG530AD 12v ccw，代表電機(jī)在額定電壓 12 V的情況下能夠達(dá)到 2400 轉(zhuǎn) /分鐘 的轉(zhuǎn)速，因此給電機(jī)的兩端輸入實驗臺提供的穩(wěn)壓 12 V的 穩(wěn)壓 電 源 ， 同時對電機(jī)的實時轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速在 2400 轉(zhuǎn) /分鐘上下輕微波動。由于本次實驗采用的 NI USB6008 數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出為 0~5 V，所以 使用實驗臺提供的穩(wěn)壓 5 V的直流電源 接入電機(jī)電樞兩端，同時對電機(jī)的實時轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)直流電動機(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。 實驗臺和數(shù)據(jù)采集卡同樣是輸出 5 V 的直流電壓， 但是直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速卻有很大的差異，因此使用萬能表的電壓檔 ，分別對測量兩種不同情況下，電動機(jī)電樞的電壓 并記錄下數(shù)據(jù)。 通過兩次測量得出的數(shù)據(jù)對比之后，發(fā)現(xiàn) 軟件平臺顯示 采集卡輸出為 5 V時，電機(jī)電樞兩端的電壓只有 V。 38 結(jié)合 實驗室 里的電器元件 ，可以搭建一個光電效應(yīng)測速的系統(tǒng) ， 利用實驗臺的硬件測速設(shè)備和計算機(jī)的軟件測速同時測速。同時給電機(jī)提供一個穩(wěn)壓 12 V的直流電壓，觀察發(fā)現(xiàn)硬件測速的 LED 顯示屏的轉(zhuǎn)速讀數(shù)為 2400 轉(zhuǎn) /分鐘，此時 LabVIED前面板的實測轉(zhuǎn)速顯示同樣為 2400 轉(zhuǎn) /分鐘； 當(dāng)給使用數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出端口給電機(jī)提供 5 V的電壓時，觀察發(fā)現(xiàn)硬件測速的 LED 顯示屏的轉(zhuǎn)速讀數(shù)為 1666 轉(zhuǎn) /分鐘， LabVIEW 前面板的實測轉(zhuǎn)速在 1600~1700 轉(zhuǎn) /分鐘之間波動。 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) 硬件測速與軟件測速所得的實測轉(zhuǎn)速相差在 20?轉(zhuǎn) /分鐘 內(nèi)。 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 編寫的測速程序中的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)測量以及數(shù)據(jù)運(yùn)算部分，實驗證明測速效果 穩(wěn)定 。 因此 直流電動機(jī)的調(diào)速范圍達(dá)不到課題設(shè)計要求的 主要 原因 為 NI USB6008 數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出端口提供的驅(qū)動電壓， 不足以讓電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到2020 轉(zhuǎn) /分鐘。 39 5. 改進(jìn)方案 由于在該課題的設(shè)計中，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 實驗設(shè)備條件下，對相應(yīng)的程序進(jìn)行添加修改，并對測控系統(tǒng)的硬件 整體 搭建作出調(diào)整或者添加新的電子元件，實現(xiàn)本課題的設(shè)計要求。 方案一 設(shè)計構(gòu)思 由于采集卡的模擬輸出端口的驅(qū)動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，同時外接一塊 L298N 模塊 ，芯片 引腳 如圖 51 所示 ， 此芯片 IN IN2 為信號輸入端， OUT OUT2 為信號輸出端， ENA 為使能端，可輸入 PWM 方波。 通過編寫程序，控制輸出電信號的 通斷 間隔，實現(xiàn)一個類似 PWM 方波控制轉(zhuǎn)速的 方法。 圖 51 L298N 芯 片引腳 測控系統(tǒng)的硬件設(shè)計 在已搭建的硬件設(shè)備上，仍然使用光電效應(yīng)傳感器測速 ， 數(shù)據(jù)采集端口依然使用采集卡的模擬輸入端口 AI3，作出調(diào)整的是把采集卡的數(shù)字輸出端口 、 40 分別與 L298N 芯片的 IN ENA 端口連接，其中 輸出一個高電平時，相當(dāng)于給電機(jī)提供一個啟動的指令，當(dāng)調(diào)節(jié) 端口高電平的通斷間隔，作用是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動、停止時間，理論上能實現(xiàn)對電機(jī)調(diào)速的功能。 L298N 芯片電路圖如圖 52所示。 圖 52 L298N 芯片電路圖 測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計 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，只需要將對模擬輸出端口的數(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。同時將數(shù)據(jù)采集等程序使用定時循環(huán)， 兩個循環(huán)之間的 周期設(shè)置為 5 ms。 圖 53 數(shù)字端口輸出程序 41 實驗結(jié)果及分析 將 L298N 模塊的 OUT3 與數(shù)據(jù)采集卡的 AI3 口連接，檢測能否按用戶需求輸出一個連續(xù)方波。假設(shè) 100 ms 為一個周期，設(shè)置數(shù)字端口輸出 高電平 50 ms，低電平50 ms，可以從軟件平臺看出數(shù)字端口輸出一個占空比為 50%的方波，如圖 54 所 示。同時用萬能表測量數(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 ，可以推斷出電壓的輸出不穩(wěn)定對電機(jī)的調(diào)速有很大的影響。 在同樣條件下的方波輸出時，連接到電動機(jī)，發(fā)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動較大，如圖 55 所示。 圖 54 數(shù)字端口輸出方波 圖 55 電動機(jī)的轉(zhuǎn)速波動情況 42 方案二 設(shè)計構(gòu)思 鑒于電機(jī)轉(zhuǎn)速不能達(dá)到 2020 轉(zhuǎn) /分鐘，其原因為數(shù)據(jù)采集卡的電壓輸出端不能提供一個穩(wěn)壓電源，因此可以考慮在采集卡輸出端和電機(jī)電樞直接加入一個升壓模塊，將采集卡的輸出電壓 0~5 V對應(yīng)升壓為 0~12 V，以達(dá)到電機(jī)正常工作的額定電壓，引入的可調(diào)開關(guān)電源實物圖如圖 56 所示。 圖 56 可調(diào)開關(guān)電源 測控系統(tǒng)的硬件設(shè)計 引入可調(diào)的電源開關(guān)，起到的 作用就是將數(shù)據(jù)采集卡模擬輸出端口的電壓升壓。同時也是將輸出的電壓和電流 放大。 測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計 在軟件設(shè)計方面，并沒有作過多的改動。因為添加了一個電源開關(guān)，所以在 PID控制模塊里要適當(dāng)修改 PID 的參數(shù)，經(jīng)過反復(fù)的調(diào)試，得出 P 為 、 I 為 、D 為 。 43 實驗結(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。 圖 57 2020 轉(zhuǎn) /分鐘調(diào)速框圖 隨后嘗試把轉(zhuǎn)速從 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，電動機(jī)停止了轉(zhuǎn)動。電機(jī)停止轉(zhuǎn)動的原因應(yīng)為輸出電壓低于電動機(jī)的啟動電壓，同時可以認(rèn)為 270 轉(zhuǎn) /分鐘為電機(jī)的最低啟動轉(zhuǎn)速。 圖 58 電機(jī)低速調(diào)速框圖 44 方案三 設(shè)計構(gòu)思 本課題使用的 NI USB6008 數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出端口的 輸出 電壓 范圍是 0 V~5 V，而且計數(shù)器端口不支持脈沖生成。在方案一中得出，由數(shù)字端口輸出占空比為 50%脈沖時，測量得到的電壓不穩(wěn)定，不利于控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。 因此，在現(xiàn)有的軟件設(shè)計里，使用 NI 公司另一款的 M 系列采集卡 USB6211。 測速系統(tǒng)的硬件設(shè)計 模擬端口： 電壓輸出使用 AO1 端口，信號輸出范圍最大值為 10 V，最小值為 10 V，接線端配置為 RSE，生成模式為 N 采樣。 計數(shù)器端口： 使用 PFI 0 端口輸出脈沖，參數(shù)設(shè)置為默認(rèn)。 模擬端口： 信號采集使用 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。 測速系統(tǒng)的軟件設(shè)計 模擬 端口：使用模擬輸入輸出端口時，原設(shè)計的系統(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。 計數(shù)器端口：使用計數(shù)器輸入端口時，由于硬件已經(jīng)將脈沖的頻率測量出來，因此可以將數(shù)據(jù)端圖表控件顯示轉(zhuǎn)速。 實驗結(jié)果及分析 由于受實驗室的條件限制， 不能進(jìn)行相應(yīng)的硬件搭建 。 從理論上分析， NI 45 USB6211 的電壓輸出范圍是 10 V~10 V，可 以滿足電機(jī)的 2020 轉(zhuǎn) /分鐘的轉(zhuǎn)速要求。數(shù)據(jù)采集卡端口參數(shù)如表 51 所示。 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 2 mA/4 mA 量程數(shù) 4 數(shù)字 I/O 板上存儲量 4095 B 通道數(shù) 8 DIO 計時器 /定時器 定時方式 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 16 mA/50 mA GPS 同步 否 可編程輸入濾波器 否 時基穩(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)計的過程中，本人閱讀了大量電動機(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) 電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，這樣的調(diào)速方法的優(yōu)點是精確、無延遲。 而在本課題設(shè)計中，本人也嘗試使用數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字端口輸出 PWM 波，采集顯示到的脈沖雖然符合要求，但是采集卡輸出的 電壓并不穩(wěn)定，要實現(xiàn)穩(wěn)定控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速有一定的難度，因此采用數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出端口，通過 PID 理論控制電動機(jī)電樞兩端的電壓， 從數(shù)據(jù)上看控制的效果良好。在 LabVIEW 界面中編寫程序，與傳統(tǒng)的編程相比更加簡潔、直觀。 47 致謝 本設(shè)計是在我的導(dǎo)師戴新老師的指導(dǎo)下完成的。從課題的相關(guān)知識的學(xué)習(xí)，到實驗中每一步的設(shè)計，都離不開老師的敦敦教誨。每當(dāng)遇到設(shè)計的瓶頸時，老師總會及時出現(xiàn)并指導(dǎo)我如何去解決 難題。 同時，我還要感謝在設(shè)計中給予我?guī)椭耐瑢W(xué)，因為每次的學(xué)術(shù)交流中總能得到一定的啟發(fā)，對本次課題的順利完成起到了很 大的作用。 當(dāng)然，在生活中少不了父母和親人的照顧，感謝他們對我學(xué)業(yè)中的鼓舞和支持。 最后，我要衷心感謝所有的評閱老師和答辯老師，感謝你們在百忙當(dāng)中評閱我的設(shè)計并提出寶貴的建議。 郭志斌 二 0 一三年六月 于廣州 48 參考文獻(xiàn) [1] 雷振山 .LabVIEW 7 Express 實用技術(shù)教程 [M].北京：中國鐵道出版社 .2020. [2] 黃長藝 . 機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) [M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 .2020. [3] 龍華偉、顧永剛 . LabVIEW 與 DAQ 數(shù)據(jù)采集 [M].北京：清華大學(xué)出版社 . [4] 王文成、李健 .基于單片機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的設(shè)計 [J].沈陽：儀表技術(shù)與傳感器 . [5] 白旭 .利用虛擬儀器技術(shù)測量轉(zhuǎn)速的方法研究 [J].成都：計量與測試技術(shù) . [6] 于家明 , 何禮高 .基于虛擬儀器的電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng) [J].電機(jī)與控制應(yīng)用 . [7] 張力 .基于 Labview 的旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速測量儀的設(shè)計 [J].宜昌：三峽大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版） . [8] 王同峰等 .基于虛擬儀器技術(shù)的非接觸式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速測量方法 [J].儀器儀表 用戶 . [9] 陳東、姚成法 .基于 labview 步進(jìn)電機(jī) PID 控制系統(tǒng)設(shè)計 [J].西安：工業(yè)儀表與自動化裝置 . [10] 何道清、張禾 .傳感器與傳感器技術(shù)（第二版） [M].北京：科學(xué)出版社 . [11]張超、胡大可、方云杰 .基于虛擬儀器的串激電機(jī)轉(zhuǎn)速測量裝置的實現(xiàn) [J].沈陽：儀表技術(shù)與傳感器 . [12]周潤景、郝曉霞 .傳感器與檢測技術(shù) [M].北京：電子工業(yè)出版社 .2020. [13]黃松嶺、吳靜 .虛擬儀器設(shè)計基礎(chǔ)教程 [M].北京：清華大學(xué)出版社 .2020. 49 附件 1 程序前面板 50 附件 2 程序后面板