測(cè)控綜合實(shí)驗(yàn)五--直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)

1、南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化 學(xué)院實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告實(shí)驗(yàn)名稱：直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng) 課程名稱： 測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)所在專業(yè)： 測(cè)控技術(shù)與儀器 學(xué)生姓名： 方川 班級(jí)學(xué)號(hào)： B12050507 任課教師： 戎舟 2014 /2015 學(xué)年第 二 學(xué)期摘要：本系統(tǒng)采用EE-SX672A光電傳感器模塊，通過(guò)ELVIS數(shù)據(jù)采集平臺(tái)上的計(jì)數(shù)器模塊實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速(rad/min)的測(cè)量。同時(shí)，利用LabVIEW自帶的PID工具包實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。測(cè)試證明，本系統(tǒng)有較好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：教五-214 實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：81、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 理解所用傳感器的工作原理，掌握傳感器的使用；2、 掌握直流電機(jī)轉(zhuǎn)速

2、測(cè)試和控制電路的設(shè)計(jì)；3、 掌握計(jì)算機(jī)測(cè)控的原理和方法。2、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 基于ELVIS平臺(tái)設(shè)計(jì)電機(jī)速度測(cè)試電路，設(shè)定預(yù)計(jì)轉(zhuǎn)速，根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制算法，完成對(duì)馬達(dá)速度的閉環(huán)控制。3、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備（1） 計(jì)算機(jī) 1臺(tái)（2） ELVIS數(shù)據(jù)采集平臺(tái) 1臺(tái)（3） EE-SX672A光電傳感器模塊 1個(gè)（4） 5V直流電機(jī)4、 實(shí)驗(yàn)硬件原理轉(zhuǎn)速設(shè)定1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖PID控制ELVIS平臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量 圖1 系統(tǒng)框圖2.所用芯片或模塊介紹 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)包括電機(jī)模塊、EE-SX672A光電傳感器模塊、NI ELVIS平臺(tái)和計(jì)算機(jī)。由傳感器模塊、電機(jī)上的轉(zhuǎn)盤和數(shù)據(jù)采集卡對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)試，在計(jì)

3、算機(jī)中由程序計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速后采用PID算法得到對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的輸出直流電壓。2.1直流電機(jī) 電機(jī)是使機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的硬件，直流電機(jī)就是把直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。作為機(jī)電執(zhí)行元部件，直流電機(jī)內(nèi)部有一個(gè)閉合的主磁路。主磁通在主磁路中流動(dòng)，同時(shí)與兩個(gè)電路交聯(lián)，其中一個(gè)電路是用以產(chǎn)生磁通的，稱為激磁電路，另外一個(gè)是用來(lái)傳遞功率，稱為功率回路或者電樞回路。現(xiàn)行的直流電動(dòng)機(jī)都是旋轉(zhuǎn)電樞式，也就是說(shuō)激磁繞組及其所包圍的鐵芯組成的磁極為定子，帶換向單元的電樞繞組和電樞鐵芯結(jié)合構(gòu)成直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子。 2.2光電傳感器 光電傳感器一般由發(fā)送器、接收器和檢測(cè)電路三部分組成。發(fā)送器一般為半導(dǎo)體光源、發(fā)光二極管（L

4、ED）、激光二極管或及紅外發(fā)射二極管，對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，光束連續(xù)發(fā)射，或以脈沖方式發(fā)射，脈沖寬度可調(diào)。在接收器的前面，要裝有光學(xué)元件如光圈和透鏡等。接收器一般由光電二極管、光電三極管或光電池組成。接收器接收信號(hào)后通過(guò)檢測(cè)電路輸出有效信號(hào)。光電傳感器有凹槽形光電傳感器、對(duì)射型光電傳感器、反光型光電開關(guān)和擴(kuò)散反射型光電開關(guān)等幾種類型。以凹槽型光電傳感器為例，凹槽型光電傳感器把一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)接收器面對(duì)面地裝在一個(gè)槽的兩側(cè)。發(fā)光器能發(fā)出紅外線和可見光，在無(wú)阻的情況下光接收器能收到光。但當(dāng)被檢測(cè)物體從槽中通過(guò)時(shí)，光被遮擋，光電開關(guān)便動(dòng)作。輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)，切斷或接通負(fù)載電流，從而完成一個(gè)控制動(dòng)作

5、，產(chǎn)生一個(gè)脈沖。采用光電傳感器對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)試，將電機(jī)轉(zhuǎn)盤插入到光電傳感器內(nèi)部，當(dāng)光線可以穿透轉(zhuǎn)盤時(shí)，傳感器上的紅燈不亮，輸出的是高電平；當(dāng)光線不可以穿透轉(zhuǎn)盤時(shí)，傳感器上的紅燈亮起，輸出的是低電平。所以當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)盤在傳感器內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出的是脈沖信號(hào)，測(cè)出脈沖信號(hào)的頻率，繼而可以求得轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。和平臺(tái)連接時(shí)，采用NI ELVIS平臺(tái)的可調(diào)直流電源作為直流電機(jī)的輸入，傳感器的輸出脈沖信號(hào)，送至ELVIS平臺(tái)上的計(jì)數(shù)器進(jìn)行測(cè)頻。3、系統(tǒng)功能介紹3.1、電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量ELVIS平臺(tái)的計(jì)數(shù)器由四個(gè)部分組成：Count register計(jì)數(shù)寄存器，該寄存器用來(lái)存儲(chǔ)當(dāng)前的計(jì)數(shù)值。它的存儲(chǔ)范圍跟計(jì)

6、數(shù)器的分辨率有關(guān)，對(duì)于PXI-6259來(lái)說(shuō)，計(jì)數(shù)器的分辨率是32bit，所以寄存器的計(jì)數(shù)范圍是0232-1，到達(dá)最大值后，又從0開始計(jì)數(shù)。Source被計(jì)數(shù)的信號(hào)從source端引入。Gate確定計(jì)數(shù)是否啟動(dòng)的門控信號(hào)。Output用于輸出單個(gè)脈沖或脈沖序列。計(jì)數(shù)器通常被應(yīng)用在以下任務(wù)中： 對(duì)數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)行邊沿計(jì)數(shù)； 生成單個(gè)數(shù)字脈沖或脈沖序列； 對(duì)脈沖的高低電平寬度、周期、頻率等特性進(jìn)行測(cè)量； 對(duì)編碼器返回的旋轉(zhuǎn)角度、線性位置等信息進(jìn)行測(cè)量。圖2 計(jì)數(shù)器相關(guān)范例程序的位置本系統(tǒng)僅采用建的邊沿計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的測(cè)量。 在邊沿計(jì)數(shù)應(yīng)用中，物理連接上只需將待計(jì)數(shù)的信號(hào)連入 Source 端即可。程序

7、中可以設(shè)定為對(duì)信號(hào)的上升沿或是下降沿迚行計(jì)數(shù)。如果待計(jì)數(shù)的信號(hào)源是頻率已知的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)，我們還可以將計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換為時(shí)間值從而實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間的精確測(cè)量。如圖 1-2 所示。接下來(lái)，看一下范例程序“邊沿計(jì)數(shù).vi”。計(jì)數(shù)器通道選擇 Dev1/ctr0，設(shè)置計(jì)數(shù)方向?yàn)橄蛏嫌?jì)數(shù)，待計(jì)數(shù)的脈沖邊沿選擇為上升沿，開始計(jì)數(shù)值（一般設(shè)為 0），然后運(yùn)行程序即可。 圖3 邊沿計(jì)數(shù)原理圖3.2、PID轉(zhuǎn)速控制 PID是當(dāng)前工業(yè)控制中應(yīng)用最廣泛的算法。被控制的系數(shù)參數(shù)叫做過(guò)程變量（Process Varable,PV），被控制的過(guò)程變量指定的理想值叫做設(shè)定點(diǎn)（Set Point,SP）。PID控制器確定一個(gè)對(duì)被控系統(tǒng)的

8、輸出量，驅(qū)動(dòng)過(guò)程變量接近設(shè)定點(diǎn)。具體原理參考自控原理教材。 控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速就是控制直流電機(jī)的電壓。直流電機(jī)的輸入電壓與轉(zhuǎn)速應(yīng)該成正比關(guān)系，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，選擇08V之間不同的直流電壓輸入待直流電機(jī)，測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，擬合得到輸入和輸出的關(guān)系式。得到上述關(guān)系后，可根據(jù)將PID的輸出增量轉(zhuǎn)換成電壓增量值，調(diào)節(jié)ELVIS的直流電源輸出電壓，送至直流電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。3.電路圖和實(shí)物圖圖4 系統(tǒng)實(shí)物圖五、軟件程序創(chuàng)建DAQ通道，計(jì)數(shù)上升沿?cái)?shù)量51程序流程圖 開啟DAQ通道進(jìn)入主循環(huán)DAQ讀取外部數(shù)字信號(hào)，測(cè)量當(dāng)前轉(zhuǎn)速模塊PID轉(zhuǎn)速模塊，控制周期為10ms 圖5 軟件流程圖本系統(tǒng)的LabVIEW程

9、序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量與控制，可以手動(dòng)輸入期望轉(zhuǎn)速，當(dāng)前轉(zhuǎn)速與期望值的誤差接至PID函數(shù)的輸入端，PID的輸出端加到電機(jī)上的電壓增量，從而達(dá)到轉(zhuǎn)速控制的的目的。5.2模塊說(shuō)明（1）DAQ通道配置 圖6 DAQ通道配置配置計(jì)數(shù)器模塊為邊沿計(jì)數(shù)模式，并設(shè)置為上升沿計(jì)數(shù)，開啟DAQ通道。（2）轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊 圖7 轉(zhuǎn)速測(cè)量通過(guò)測(cè)量1s的計(jì)數(shù)值，因?yàn)楣怆姶a盤有4個(gè)透光孔，所以每分鐘轉(zhuǎn)速公式為V=Count*60/4=Count*15;這時(shí)的轉(zhuǎn)速單位為rad/min。（3）PID速度控制模塊 圖8 PID速度控制這部分的計(jì)算采用rad/s為單位，將期望轉(zhuǎn)速-當(dāng)前轉(zhuǎn)速作為error輸入到Sample PID函

10、數(shù)中，PID輸出再根據(jù)轉(zhuǎn)速與電壓的線性關(guān)系（見5）計(jì)算出電壓增量傳給Variable Power Supply函數(shù)。（5） 電壓限幅與可變電壓控制模塊圖9 電壓限幅與可變電壓控制經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的限幅算法將輸出電壓限制在0-8V，并通過(guò)測(cè)量0-5V電壓輸出時(shí)的轉(zhuǎn)速（rad/min）擬合出V-U曲線圖10 速度-電壓曲線六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析 6.1期望轉(zhuǎn)速為70rad/s時(shí)的響應(yīng) 圖11可以看到當(dāng)前轉(zhuǎn)速在期望轉(zhuǎn)速做小幅震蕩。6.2期望轉(zhuǎn)速為90rad/s時(shí)的響應(yīng)圖12可以看到當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速快速跟蹤上了期望值。6.3期望轉(zhuǎn)速為100rad/s時(shí)的響應(yīng)圖13可以看到當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速快速跟蹤上了期望值。電壓與轉(zhuǎn)速關(guān)系U/v0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0V/rad/min15058510051440186023702790319536154035換算成rad/s單位的U-V曲線：U=V/14 + 0.328;七、總結(jié)及