基于虚拟仪器的电机转速测控系统

基于虚拟仪器的电机转速测控系统内容摘要：

序，囊括了DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS232/485在内的各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使得不懂总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口设备和仪器。 u 提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，诸如DLLs (动态链接库)、DDE(共享库)、ActiveX等。 u 支持动态数据交换(DDE)和TCP/IP等强大的网络功能，支持常用网络协议，方便联络、远程测控仪器的开发。 转速测控软件 如图24所示：转速测控软件 转速控制软件转速测量软件 图24 转速测控软件结构第三章 转速测控原理在工程实践中，我们经常会遇到各种需要测量转速的场合，例如，在发动机、电动机等旋转设备的试验、运转和控制中，常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时转速。 而另一些问题除了要求能精确地测量转速外，还要保证测量的实时性，要求能测量瞬时转速。 因此转速测量方法的研究是很有必要的。 转速的测量方法可分为模拟式和数字式两种，模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是电压量，而数字式通常采用光电编码器、圆光栅等作为检测元件[20]，得到脉冲信号。 随着微型计算机的广泛应用，智能化微电脑式代替了一般机械式或模拟量结构，电机的数字式测量方法应用越来越广泛。 其方法共有三种计数法、计时法和计数计时法。 这几种方法均有各自的特点和使用范围。 1）计数法：计数法是在设定的定时时间t内读取盘脉冲数m。 由m/t计算出转速，对于相同的t，盘脉冲的多少，反映了转速的高低，其原理图如图31：图31 计数法对计算机而言，定时时间t是非常精确的，但由于t采样的起始点和终点与盘信号位置有一定的随机性，不一定正好对应整数个盘脉冲，因而会造成不足一个盘脉冲的多计或少计，如图38阴影线部分，转速测量的误差主要来自于177。 个盘脉冲，当t较小，尤其是作瞬时转速测量时，这个177。 1个盘脉冲会带来较大的误差。 因此计数法适合高速场合。 2）计时法 计时法是通过对时钟脉冲计数测出相邻两个盘信号间的时间间隔，有1/T=1/m来计算转速值，其测速原理图如图32:图32 计时法这种方法的测量误差的产生和计数法相同，不同的是误差来自于177。 1个时钟脉冲，是非常小的。 但测量的转速的量程有一定的限制，转速愈高，测量的计数值m 愈小，因此计时法比较适合用于在低速场合。 1） 同步计时计数法这种方法的特点是不固定定时时间t，主要是设法使m和t同步，从整数个盘脉冲开始计时，同样与整数个盘脉冲结束，记录的是整数个盘脉冲。 其原理如图33。 图33 同步计时计数法PA控制各计时器的关闭，在t时间内，实际计数时间t1开始于t上升后第一个盘脉冲的上升沿，终止于t 下降第一个盘脉冲的上升沿，因而得到整数个盘脉冲，消除了177。 1个脉冲引入的误差，在t1的下降沿分别读取盘脉冲数和时钟脉冲数，即可求得转速。 由于本系统电机转速最高能达到10000转/分钟，速度很高，所以本系统采用了计数法测速。 实现试验台的异地远程调用必须首先使试验平台的控制完全由计算机来实现，这是实现远程试验的必备条件。 这种控制主要包括两个方面:试验台电机转速的控制1）脉宽调制技术用微机来实现直流电机的调速十分方便，目前常用的方法是利用PWM（脉冲宽度调制技术），PWM广泛应用在从测量、通信、功率控制与变换等许多领域。 简而言之，PWM是一种脉宽可以控制的固定频率的脉冲，通过改变脉宽就可以改变电压的平均输出幅度，非常适合直流电机的调速。 下图34所示电压幅度为5V的脉冲，当脉冲占空比是50﹪时， ﹪时。 图34 脉宽调制在一个开关周期 T 内，设定ton，在 0＜t ≤ton时刻导通，有电流通过电机，在ton＜ t ≤ T 时刻断开，无电流通过电机，这样占空比ρ： ρ＝ ton / T 有 Ud =ρUs Ud：电机两端平均电压，Us：外接驱动电压由以上公式得出，改变ρ即改变占空比就可以改变控制电压的脉冲宽度，从而控制电动机两端平均电压Ud的大小，达到调速的目的，这种调速方法就叫做脉宽调速(PWM)。 2）直流电机控制过程 直流电机控制系统一般由五大部分组成，原理图如下所示35：脉冲宽度发生起起器隔离及电平转换速度设定驱动器电动机图3－5 直流电机控制原理a)速度设定 速度设定一般通过键盘上的功能键和数字键输入。 也可以通过从电位器上取出一定的电压经A/D转换，获得相应得数字量，操作是通过调节电位器来实现调速。 b)脉冲宽度发生器 计算占空比，产生PWM脉冲c)隔离及电平转换 PWM信号不能直接输入驱动电路，必须通过相应得隔离电路和电平转换电路。 d)驱动器 为了驱动电机转动，必须将PWM信号放大，以便控制电机的转速。 e)电动机 作为被控对象，用来带动执行机构。 3）直流电机控制为了提高直流电机控速的精度，通常采用闭环控制系统，也就是在开环的基础上增加电机运行速度检测回路，将检测到的速度与设定值进行比较，并由数字PID调节器进行调节。 控制流程图如36：计算机（转速计算，PID算法）D/A转速控制器直流电机 转速传感器计数器图36 直流电机转速控制框图本系统直流电机的控制接口选择的是包含专用接口芯片的转速控制器，计算机输出的010V转速控制电压经隔离后输入到直流电机转速控制器，转速控制器就可以调节加到直流电机上的平均电压，从而控制直流电机的转速。 2）PID控制在电气传动系统中常用的控制器有：PID控制器、双模控制器等。 PID（比例积分微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。 PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，同时由于计算机具有快速、灵活多样的逻辑判断以及高效的信息加工能力的特点，在实现PID控制时，可以对PID控制器进行多种改进，形成多种多样的数字PID控制器，因而在电气控制领域PID控制器的使用最为广泛。 PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。 它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp， Ki和Kd）即可。 在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。 首先，PID应用范围广。 虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。 其次，PID参数较易整定。 也就是，PID参数Kp，Ki和Kd可以根据过程的动态特性及时整定。 如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。 第三，PID控制器在实践中也不断的得到改进，下面两个改进的例子。 在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。 由于这些不足，采用PID的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。 PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个问题而产生的。 现在，自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。 在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好，但它们仍存在一些问题需要解决：如果自整定要以模型为基础，为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的。 闭环工作时，要求在过程中插入一个测试信号。 这个方法会引起扰动，所以基于模型的PID参数自整定在工业应用不是太好。 如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一个不必要的自适应转换。 另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题。 因此，许多自身整定参。