智能儀器儀表設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)報(bào)告直流電機(jī)自動(dòng)控制儀

1、智能儀器儀表設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)報(bào)告單 位： 自動(dòng)化學(xué)院 學(xué)生姓名： 專 業(yè)： 測(cè)控技術(shù)與儀器 班 級(jí)： 0820801 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)老師： 成 績(jī)： 設(shè)計(jì)時(shí)間：2011 年 5月重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院制一、設(shè)計(jì)題目和要求1、題目：直流電機(jī)自動(dòng)控制儀2、技術(shù)要求：設(shè)計(jì)直流電機(jī)自動(dòng)控制儀，要求如下：1、學(xué)習(xí)電機(jī)測(cè)速的基本原理；2、學(xué)習(xí)直流電機(jī)調(diào)速的基本原理；3、通過(guò)曲線擬合的方法繪制直流電機(jī)的電壓轉(zhuǎn)速曲線；4、使用單片機(jī)或虛擬儀器構(gòu)造直流電機(jī)的自動(dòng)控制儀；5、控制儀能顯示當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速，能通過(guò)鍵盤輸入設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速（步進(jìn)達(dá)到50轉(zhuǎn)/分）。6、選擇合適測(cè)控設(shè)備，繪制系統(tǒng)的組建結(jié)構(gòu)圖，給出完整的設(shè)計(jì)流程圖

2、，討論減少誤差的方法。7、測(cè)量數(shù)據(jù)能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器及其他電腦上。3、給定條件：1、ni公司elvis試驗(yàn)平臺(tái)，labview軟件；2、光電開關(guān)，電阻、電容、三極管若干；3、單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)1套，直流電機(jī)1個(gè)；4、設(shè)計(jì)：1.確定總體方案2.選擇正確的電路搭建轉(zhuǎn)速測(cè)量電路以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路；3.使用虛擬儀器elvis平臺(tái)或單片機(jī)系統(tǒng)搭建自動(dòng)控制儀；4.繪制直流電機(jī)電壓轉(zhuǎn)速曲線圖，完成報(bào)告；二、設(shè)計(jì)報(bào)告摘要：虛擬儀器技術(shù)是計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制技術(shù)的一個(gè)新的發(fā)展方向。虛擬儀器是虛擬儀器技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，其中最具有代表性的圖形化編程開發(fā)平臺(tái)lab view,它是一個(gè)功能強(qiáng)大而又靈活的儀器和分析軟件應(yīng)

3、用地開發(fā)平臺(tái)。在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)彧中，電機(jī)是工業(yè)應(yīng)用機(jī)電能生產(chǎn)的基本裝備，同時(shí)也是速度調(diào)解控制系統(tǒng)的核心部件之一，應(yīng)用極為廣泛，特別是拖動(dòng)系統(tǒng)。因此弄清和熟悉電機(jī)的特性，研究其速度控制的方法尤為重要。關(guān)鍵字：lab view 直流電機(jī) 轉(zhuǎn)速調(diào)制引言：在本學(xué)期的專業(yè)課程學(xué)習(xí)中，我們接觸到了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、智能儀器儀表、虛擬儀器技術(shù)與數(shù)字化測(cè)量技術(shù)方面的知識(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)在研究、制造和開發(fā)等眾多領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用。在實(shí)際引用中，經(jīng)常需要改變生產(chǎn)機(jī)械的工作速度，改變方法有機(jī)械和電氣兩種。機(jī)械方法是通過(guò)改變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。電氣方法是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，電源的參數(shù)和電動(dòng)

4、機(jī)的連接方式，是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在不同的認(rèn)為特性曲線上以得到不同的相對(duì)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)度。本次課程涉及主要開發(fā)基于lab view的直流電機(jī)自動(dòng)控制儀，設(shè)計(jì)出電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)制vi，實(shí)現(xiàn)輸入電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速在自動(dòng)控制儀的作用下達(dá)到輸入值。軟件方面，主要采用美國(guó)ni公司推出的虛擬儀器開發(fā)軟件lab view作為平臺(tái)；硬件方米納，采用ni elvis虛擬儀器的教學(xué)實(shí)驗(yàn)套件，并結(jié)合多功能數(shù)據(jù)采集卡（daq）pci-6024e。通過(guò)反饋對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)制。2.1設(shè)計(jì)目的2.1.1 通過(guò)對(duì)直流電機(jī)自動(dòng)控制儀的設(shè)計(jì)，充分了解直流電機(jī)的工作原理以及工作機(jī)制。學(xué)習(xí)使用elvis可調(diào)電源來(lái)驅(qū)動(dòng)和控制小型直流電機(jī)；了解光電開關(guān)工作

5、原理，使用光電開關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量。2.1.2 進(jìn)一步掌握虛擬儀器語(yǔ)言lab view設(shè)計(jì)的基本方法、常用組件的使用方法和設(shè)計(jì)全過(guò)程。以及圖形化的編程方法；學(xué)習(xí)用曲線擬合法實(shí)現(xiàn)非線性校正；學(xué)習(xí)用lab view進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量。學(xué)會(huì)基本matlab操作。2.1.3 掌握自主學(xué)習(xí)的方法以及工程設(shè)計(jì)理念等技能。加強(qiáng)實(shí)踐與動(dòng)手能力，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。2.2、設(shè)計(jì)原理 本節(jié)介紹直流電機(jī)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)，以及對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)試與轉(zhuǎn)度調(diào)整的方法2.2.1 直流電機(jī)工作原理本次課程設(shè)計(jì)采用的電動(dòng)機(jī)是普通的12v直流電機(jī)，直流電機(jī)的工作原理是基于載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受理產(chǎn)生的電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩的基

6、本原理。在直流電動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程中，單從電樞線圈的角度看，每個(gè)導(dǎo)體中的電流方向是交變的；但從磁極看，每個(gè)磁極下導(dǎo)體中電流的方向是固定的，即不管是那個(gè)導(dǎo)體運(yùn)行大該極下，其中的電流方向總是相同的。因此，直流電動(dòng)機(jī)可以獲得恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。2.2.2 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)由定子（固定不動(dòng)）與轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)）兩大部分組成，定子與轉(zhuǎn)子之間由空隙，稱為氣隙。定子包括基座、主磁極、端蓋、電刷等；轉(zhuǎn)子部分包括電樞鐵心、電樞繞組、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)軸、風(fēng)扇等部件，如圖2.1。圖 2.12.2.3 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法硬件要求：pc機(jī)，ni elvis虛擬儀器的教學(xué)實(shí)驗(yàn)套件。另外阻值為1k和10k電阻

7、各一個(gè)，直流小電機(jī)一個(gè)，紅外發(fā)光二極管一個(gè)。兩個(gè)電阻起分壓作用，10k電阻為考察對(duì)象，紅外發(fā)光二極管是一對(duì)發(fā)送和接受紅外線的器件，如圖2.2所示，此外還需一個(gè)萬(wàn)用表在試驗(yàn)中進(jìn)行檢測(cè)。圖 2.2檢測(cè)原理：在12v電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上粘連一個(gè)帶缺口的圓形紙片（紙片不透光），紅外發(fā)光二極管在通電后一直發(fā)光，在沒(méi)有遮擋的情況下，光敏二極管接受光線始終導(dǎo)通。當(dāng)將電機(jī)置于集成光敏晶體管旁，紙片位置為兩個(gè)器件之間，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)過(guò)一周，光敏二極管導(dǎo)通一次，進(jìn)而在10k的電阻上產(chǎn)生高電平，將這個(gè)脈沖由ach4接到ni elvis虛擬儀器，數(shù)據(jù)采集波形，計(jì)算周期。程序圖如圖2.3。圖 2.31圖2.322.2.4 直

8、流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速n和其他參數(shù)的關(guān)系可表示為： (式2.1)式2.1中ua 電樞供電電壓（v） 勵(lì)磁磁通 （wb）ra 電樞回路總電阻（） ia電樞電流 （a）ce 電勢(shì)系數(shù) (式2.2)式2.2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2.1可以看出，式中ua，ra 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，所以對(duì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方法有一下三種：1.改變電樞回路電阻調(diào)速2.改變勵(lì)磁電流調(diào)速3.改變電樞電壓調(diào)速基于此次課程設(shè)計(jì)的硬件條件，我們選擇采用改變電樞電壓調(diào)速。在ni elvis虛擬儀器的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上搭建電路，再結(jié)合lab vi

9、ew軟件對(duì)加載在直流電機(jī)電樞上的電壓進(jìn)行控制,并繪制出電壓轉(zhuǎn)速曲線，再通過(guò)matalab擬合曲線，在此基礎(chǔ)上建立電機(jī)控制模型，最后再通過(guò)lab view編程實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的閉環(huán)控制。2.3 設(shè)計(jì)過(guò)程2.3.1 基于lab view對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)利用lab view軟件設(shè)計(jì)出程序圖，如圖（2.4）所示，i/o口依據(jù)電腦自動(dòng)選擇，本機(jī)為dev 1，supply選為“”，在elvis虛擬儀器的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上搭建電路，只需將電機(jī)接在supply 和ground上，連接好電路過(guò)后運(yùn)行，調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖 2.42.3.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)采集利用ni elvis虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集卡對(duì)10k電阻上的電

10、壓脈沖進(jìn)行采集，根據(jù)頻率計(jì)算周期，由，則1s內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)為f,故轉(zhuǎn)速和頻率數(shù)值上相等。其程序如圖2.5所示。圖 2.5由此采集到電機(jī)轉(zhuǎn)速和電樞電壓的數(shù)據(jù)，見2.4.1并利用matlab對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。進(jìn)而得到轉(zhuǎn)速n與電樞電壓v之間的關(guān)系。數(shù)據(jù)見附錄。2.3.3 自動(dòng)調(diào)速的設(shè)計(jì)在得到轉(zhuǎn)速n與電樞電壓v之間的關(guān)系后，再次對(duì)程序圖進(jìn)行修改。修改后的程序圖見附錄。2.4 設(shè)計(jì)結(jié)果及測(cè)試數(shù)據(jù)2.4.1 利用matlab對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合需擬合的數(shù)據(jù)：x=1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.51 1.60 1.69 1.78 1.87 1.97 2.06 2.16 2.25 2.34 2.

11、44 2.53 2.62 2.72 2.81 2.91 3.00 3.09 3.19 3.28 3.37 3.47 3.56 3.66 3.75 3.84 3.94 4.03 4.12 4.22 4.31 4.44 4.50 4.59 4.69 4.78 4.87 4.97 5.06 5.16 5.25 5.34 5.44 5.53 5.62 5.72 5.81 5.91 6.00 6.09 6.19 6.28 6.37 6.47 6.56 6.66 6.75 6.84 6.94 7.03 7.12 7.22 7.31 7.41 7.50 7.59 7.69 7.78 7.87 7.97 8.

12、06 8.16 8.25 8.34 8.44 8.53 8.62 8.72 8.81 8.91 9.0 9.09 9.19 9.28 9.37 9.47 9.56 9.66 9.75 9.84 9.94 10.03 10.12 10.22 10.31 10.41 10.50 10.59 10.69 10.78 10.87 10.97 11.06 11.16 11.25 11.34 11.44 11.53 11.62 11.72 11.81 11.91 12.0;y=10.1 10.6 10.8 12.4 14.3 16.2 18.2 20.0 22.3 24.7 26.9 28.0 30.3

13、32.0 34.0 36.0 37.8 39.5 41.5 43.4 45.2 47.0 48.9 50.9 52.5 54.5 56.6 58.5 60.3 62.1 63.6 65.5 67.0 68.6 70.5 72.8 74.7 76.5 78.3 80.5 81.6 83.8 85.5 87.6 89.5 91.3 93.2 95.2 96.8 98.6 99.9 101.5 103.3 105.2 106.8 108.8 110.5 112.3 114.2 116.5 117.9 119.8 121.8 123.7 125.5 127.3 129.2 130.8 132.7 13

14、4.5 136.6 138.5 140.2 142.2 144.2 146.0 148.2 150.0 151.8 153.5 155.5 157.5 159.5 161.5 163.2 165.0 167.0 168.9 170.8 172.7 174.8 176.7 178.6 180.5 182.5 184.2 186.5 188.2 190.2 191.8 194.2 196.2 198.2 200.2 202.2 203.9 205.5 207.0 209.0 211.2 213.0 214.9 216.8 218.8 220.0 222.2 24.5 226.6;matlab程序：

15、擬合曲線見附錄。擬合曲線關(guān)系式：y=0.00085x+0.06854x：電機(jī)轉(zhuǎn)速 y：控制電壓2.4.2 測(cè)得多組步進(jìn)數(shù)據(jù)如圖2.6 圖2.6-1 圖2.6-2 圖2.6-3 圖2.6-4 圖2.6-5 圖2.6-6 圖2.6-7 圖2.6-82.4.3 不同轉(zhuǎn)速設(shè)定值下電機(jī)對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)速及誤差如表1輸入轉(zhuǎn)速輸出轉(zhuǎn)速 絕對(duì)誤差輸入轉(zhuǎn)速輸出轉(zhuǎn)速 絕對(duì)誤差28802870.89.265006490.69.430503064.5-14.568506861.49-11.4932003219.4-19.472007188.511.534503444.75.375507557.31-7.313700368

16、5.814.278507843.96.139503970-2081508157.84-7.8442504255.8-5.885008514.8-14.845004515.6-15.688508870.1-20.147504757.6-7.690509043.276.7350004982.917.194009407.9-7.952505244.45.697509760.4-10.455505556.4-6.41000010016.8-16.859505945.564.441125011255.1-5.162506255.8-5.81245012456.8-6.81370013708.9-8.9

17、表12.4.4 輸出轉(zhuǎn)速誤差曲線如圖2.7圖2.7根據(jù)圖2.7所示誤差曲線可得，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速誤差在+20轉(zhuǎn)/分內(nèi)波動(dòng)，且在低速下波動(dòng)較大。三、設(shè)計(jì)總結(jié)及設(shè)計(jì)中的相關(guān)問(wèn)題我們?cè)谛〗M成員的努力下，成功完成了此次課程設(shè)計(jì)。在第一次調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)程中，出現(xiàn)很多尖峰。發(fā)現(xiàn)紙片缺口過(guò)小，切口下端不齊。重新修建并調(diào)節(jié)daq采樣頻率后得到理想的波形圖。在之后對(duì)直流電機(jī)電樞電壓與轉(zhuǎn)速進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。由于電機(jī)的老化，在電壓過(guò)低的時(shí)候，電機(jī)無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，因此在利用matlab擬合數(shù)據(jù)的時(shí)，曲線與橫軸不相交。得到轉(zhuǎn)速與電壓的關(guān)系時(shí)候，重新對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)后，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與輸入轉(zhuǎn)速始終存在偏差，且偏差不穩(wěn)定。在進(jìn)行相應(yīng)系數(shù)

18、的調(diào)整，達(dá)到設(shè)計(jì)要求?？陀^存在的是設(shè)備老化，導(dǎo)致加在電樞兩端的電壓有一定的波動(dòng)，且在采集過(guò)程中，由于是傅里葉變換得來(lái)，故微小偏差就會(huì)帶來(lái)很大的差異。延伸：在電機(jī)調(diào)速過(guò)程中加入pid控制，在之后的時(shí)間中可以對(duì)這個(gè)課題進(jìn)行深化。四、設(shè)計(jì)心得體會(huì)課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問(wèn)題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對(duì)我們實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過(guò)程。本次的課程設(shè)計(jì)是基于labview的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量與控制，很好的結(jié)合了當(dāng)今工業(yè)對(duì)電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用，相對(duì)于上學(xué)期的課程設(shè)計(jì)，雖然都是基于同一個(gè)平臺(tái)，但是這次的題目實(shí)用性更強(qiáng)，是對(duì)我們所學(xué)專業(yè)知識(shí)如自動(dòng)控制原理、傳感器與檢測(cè)、虛擬儀

19、器設(shè)計(jì)、光電檢測(cè)等課程知識(shí)的綜合檢驗(yàn)與應(yīng)用，他需要我們獨(dú)立的設(shè)計(jì)一個(gè)完整的檢測(cè)與控制系統(tǒng)，很好的鍛煉了我們從單一模塊到系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試能力的轉(zhuǎn)變與提高?；仡櫰鸫舜握n程設(shè)計(jì)，至今我仍感慨頗多，從選題到定稿，從理論到實(shí)踐，我們小組兩個(gè)人都付出了很多努力，也收獲了很多，在此次設(shè)計(jì)中不僅可以鞏固了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上所沒(méi)有學(xué)到過(guò)的知識(shí)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)也使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合的重要性，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，才能做出實(shí)際的有用的東西，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)還鍛煉了我們的團(tuán)隊(duì)合作精神，只

20、有大家在分工明確的基礎(chǔ)上齊心協(xié)力，才能使團(tuán)隊(duì)獲得成就。在這次設(shè)計(jì)的過(guò)程中我們也遇到了很多困難，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足之處，對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，而且缺少自主分析問(wèn)題的能力，比如當(dāng)我們搭建好軟硬件平臺(tái)開始調(diào)試的時(shí)候，卻發(fā)現(xiàn)怎么也顯示不出期望的波形，大家在一起也討論了很久，結(jié)果還是在測(cè)速的問(wèn)題上停滯不前，后來(lái)在老師的指點(diǎn)下，我們才發(fā)現(xiàn)原來(lái)是硬件電路中一個(gè)光電器件接反了，而大家都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)。這也讓我明白做電子類設(shè)計(jì)每一步都要細(xì)心嚴(yán)謹(jǐn)，不能馬虎。附：主要參考書目：數(shù)字化測(cè)量技術(shù)基于labview的虛擬儀器設(shè)計(jì)虛擬儀器技術(shù)分析與設(shè)計(jì)數(shù)字信號(hào)處理附錄：最終程序圖附

21、錄：擬合曲線附錄：電樞電壓v、頻率f電樞電壓v頻率hz電樞電壓v頻率hz電樞電壓v頻率hz電樞電壓v頻率hz1.5115.54.1268.66.85119.89.37172.71.617.64.2270.56.84121.89.47174.91.69204.3172.86.94123.79.56176.71.7822.34.4174.77.03125.59.66178.61.8724.74.576.57.12127.39.75180.51.9726.94.5978.37.22129.29.84182.52.06284.6980.57.31130.89.94184.22.1630.34.7881.