【導(dǎo)讀】感器測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，再經(jīng)過對(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。理論，讓轉(zhuǎn)速能夠在短時(shí)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(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速會(huì)繞著紅色線的設(shè)置轉(zhuǎn)速來回波動(dòng)并逐漸接近 1000 轉(zhuǎn) /分鐘 ，這是整個(gè)調(diào)整時(shí)間大概為 ， 而電壓輸出的數(shù)值維持在 V上下波動(dòng) 。 盡管在速度達(dá)到 1000 轉(zhuǎn) /分鐘 時(shí)， 電機(jī)轉(zhuǎn)速也有會(huì)較小的 波動(dòng)，但 對(duì)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(shí)時(shí) 情況如圖 425 所示。 圖 425 1000 轉(zhuǎn) /分鐘時(shí)調(diào)速情況 37 隨后在測(cè)控系統(tǒng)中測(cè)試了其他轉(zhuǎn)速檔位的調(diào)速控制測(cè)試，發(fā)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速只能實(shí)現(xiàn)在 350 轉(zhuǎn) /分鐘 到 1650 轉(zhuǎn) /分鐘 之間調(diào)速 ，電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍如圖 426 所示 。 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。 首先，本課題采用的直流電動(dòng)機(jī)型號(hào)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(shí)驗(yàn)臺(tái)提供的穩(wěn)壓 12 V的 穩(wěn)壓 電 源 ， 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)速在 2400 轉(zhuǎn) /分鐘上下輕微波動(dòng)。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。 實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(dòng)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(duì)測(cè)量兩種不同情況下，電動(dòng)機(jī)電樞的電壓 并記錄下數(shù)據(jù)。 通過兩次測(cè)量得出的數(shù)據(jù)對(duì)比之后，發(fā)現(xiàn) 軟件平臺(tái)顯示 采集卡輸出為 5 V時(shí)，電機(jī)電樞兩端的電壓只有 V。 38 結(jié)合 實(shí)驗(yàn)室 里的電器元件 ，可以搭建一個(gè)光電效應(yīng)測(cè)速的系統(tǒng) ， 利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)的硬件測(cè)速設(shè)備和計(jì)算機(jī)的軟件測(cè)速同時(shí)測(cè)速。同時(shí)給電機(jī)提供一個(gè)穩(wěn)壓 12 V的直流電壓，觀察發(fā)現(xiàn)硬件測(cè)速的 LED 顯示屏的轉(zhuǎn)速讀數(shù)為 2400 轉(zhuǎn) /分鐘，此時(shí) LabVIED前面板的實(shí)測(cè)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(shí)，觀察發(fā)現(xiàn)硬件測(cè)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(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速在 1600~1700 轉(zhuǎn) /分鐘之間波動(dòng)。 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(cè)速與軟件測(cè)速所得的實(shí)測(cè)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(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 。 因此 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍達(dá)不到課題設(shè)計(jì)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(dòng)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(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。 方案一 設(shè)計(jì)構(gòu)思 由于采集卡的模擬輸出端口的驅(qū)動(dòng)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(shí)外接一塊 L298N 模塊 ，芯片 引腳 如圖 51 所示 ， 此芯片 IN IN2 為信號(hào)輸入端， OUT OUT2 為信號(hào)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(hào)的 通斷 間隔，實(shí)現(xiàn)一個(gè)類似 PWM 方波控制轉(zhuǎn)速的 方法。 圖 51 L298N 芯 片引腳 測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 在已搭建的硬件設(shè)備上，仍然使用光電效應(yīng)傳感器測(cè)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(gè)高電平時(shí)，相當(dāng)于給電機(jī)提供一個(gè)啟動(dòng)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(dòng)、停止時(shí)間，理論上能實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 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(dòng)，只需要將對(duì)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(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。 圖 53 數(shù)字端口輸出程序 41 實(shí)驗(yàn)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(cè)能否按用戶需求輸出一個(gè)連續(xù)方波。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。同時(shí)用萬能表測(cè)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(dòng) ，可以推斷出電壓的輸出不穩(wěn)定對(duì)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(shí)，連接到電動(dòng)機(jī)，發(fā)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，如圖 55 所示。 圖 54 數(shù)字端口輸出方波 圖 55 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)情況 42 方案二 設(shè)計(jì)構(gòu)思 鑒于電機(jī)轉(zhuǎn)速不能達(dá)到 2020 轉(zhuǎn) /分鐘，其原因?yàn)閿?shù)據(jù)采集卡的電壓輸出端不能提供一個(gè)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(gè)升壓模塊，將采集卡的輸出電壓 0~5 V對(duì)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(shí)物圖如圖 56 所示。 圖 56 可調(diào)開關(guān)電源 測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 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(shí)也是將輸出的電壓和電流 放大。 測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 在軟件設(shè)計(jì)方面，并沒有作過多的改動(dòng)。因?yàn)樘砑恿艘粋€(gè)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(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。 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(shí)，電動(dòng)機(jī)停止了轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的原因應(yīng)為輸出電壓低于電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電壓，同時(shí)可以認(rèn)為 270 轉(zhuǎn) /分鐘為電機(jī)的最低啟動(dòng)轉(zhuǎn)速。 圖 58 電機(jī)低速調(diào)速框圖 44 方案三 設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)，測(cè)量得到的電壓不穩(wěn)定，不利于控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 因此，在現(xiàn)有的軟件設(shè)計(jì)里，使用 NI 公司另一款的 M 系列采集卡 USB6211。 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。 計(jì)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(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。 測(cè)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 模擬 端口：使用模擬輸入輸出端口時(shí)，原設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)器端口：使用計(jì)數(shù)器輸入端口時(shí)，由于硬件已經(jīng)將脈沖的頻率測(cè)量出來，因此可以將數(shù)據(jù)端圖表控件顯示轉(zhuǎn)速。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 由于受實(shí)驗(yàn)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(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、無延遲。 而在本課題設(shè)計(jì)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(shí)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(dòng)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(jì)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(shí)的學(xué)習(xí)，到實(shí)驗(yàn)中每一步的設(shè)計(jì)，都離不開老師的敦敦教誨。每當(dāng)遇到設(shè)計(jì)的瓶頸時(shí)，老師總會(huì)及時(shí)出現(xiàn)并指導(dǎo)我如何去解決 難題。 同時(shí)，我還要感謝在設(shè)計(jì)中給予我?guī)椭耐瑢W(xué)，因?yàn)槊看蔚膶W(xué)術(shù)交流中總能得到一定的啟發(fā)，對(duì)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(duì)我學(xué)業(yè)中的鼓舞和支持。 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。 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(shí)用技術(shù)教程 [M].北京：中國鐵道出版社 .2020. 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