电子电路]基于labview的直流电机控制系统的设计与分析

电子电路]基于labview的直流电机控制系统的设计与分析内容摘要：

)( 式 )( 中 ： aU —— 电枢供电电压（ V ）； aI —— 电枢电流（ A ）；  —— 励磁磁通（ Wb ）； aR —— 电枢回路总电阻（  ）； eC —— 电势系数； apNCe 60 )( 式 )( 中： P 为电磁对数， a 为电枢并联支路数， N 为导体数。 由式 )( 可以看出，式中 aU 、 aR 、  三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法 [4] 改变电枢回路电阻调速 各种 直流电动机 都可以通过改变电枢回路电阻来调速，如图 22(a)是改变电枢电阻调速电路图。 此时转速特性公式为： ewaaa C RRIUn )( )(式中 wR 为电枢回路中的外接电阻（  ）。 6 当 负载一定时，随着串入的外接电阻 wR 的增大，电枢回路总电 ( abR R R） 增大，电动机转速就降低。 其机械特性如图 22(b)所示。 Rw 的改变可用接触器或主令开关切换来实现。 这种调速方法为有级调速，调速比一般约为 2： 1 左右，转速变化率大，轻载下很难得到低速，效率低，故现在已极少采用。 改变励磁电流调速 当电枢电压恒定时，改变电动机的励磁电流也能实现调速。 由式（ ）可看出，电动机的转速与磁通  （也就是励磁电流）成反比，即当磁通减小时，转速 n 升高；反之，则 n 降低。 与此同时，由于电动机的转矩 eT 是磁通  和电枢电流 aI 的乘积（即eaT CT I），电枢电流不变时，随着磁通  的减小，其转速升高，转矩也会相应地减小。 所以，在这种调速方法中，随着电动机磁通  的减小，其转矩升高，转矩也会相应地降低。 在额定电 压和额定电流下，不同转速时，电动机始终可以输出额定功率，因此这种调速方法称为恒功率调速。 为了使电动机的容量能得到充分利用，通常只是在电动机基速以上调速时才采用这种调速方法。 采用弱磁调速时的范围一般为 :1～ 3:1，特殊电动机可达到 5:1。 这种调速电路的实现很简单 ， 只要在励磁绕组上加一个独立可调的 电源 供电即可实现。 励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小 ， 但低速时受到磁饱和 的限制，高速图 22 电阻调速电路与机械特性图 （ a）调速电路 （ b）机械特性 7 时受到换向火花和换向器结构强度的限制。 而且由于励磁线圈电感较大， 动态响应较差。 改变电枢电压调速 常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。 连续改变电枢供电电压，可以使 直流电动机 在很宽的范围内实现无级调速。 改变电枢供电电压的方法有两种，一种是采用发电机 电动机组供电的调速系统；另一种是采用晶闸管变流器供电的调速系统。 下面 分别介绍这两种调速系统。 1） 采用发电机 电动机组调速方法。 如图 23(a)所示，通过改变发电机励磁电流 IF 来改变发电机的输出电压 aU ，从而改变电动机的转速 n。 在不同的电枢电压 aU 时，其得到 的机械特性便是一簇完全平行的直线，如图 23(b)所示。 由于电动机既可以工作在电动机状态，又可以工作在发电机状态，所以改变发电机励磁电流的方向，如图 23(a)中切换接触器 ZC 和 FC，就可以使系统很方便地工作在任意四个象限内。 由图可知，这种调速方法需要两台与调速电动机容量相当的旋转电机和另一台容量小一些的励磁发电机 (LF)，因而设备多、体积大、费用高、效率低、安装需打基础、运行噪声大、维护不方便。 为克服这些缺点， 50 年代开始采用水银整流器（大容量）(a) 调速电路 (b) 机械特性 图 23 发电机 电动机调速电路机械特性图 8 和闸流管这样的静止交流装置来代替上述的旋转变流机组。 目前已 被更经济、可靠的晶闸管变流装置所取代。 2） 采用晶闸管变流器供电的调速方法。 有 晶闸管变流器供电的调速电路如图 24(a)所示。 通过调节触发器的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。 在此调速方法下可得到与发电机 电动机组调速系统类似的调速特性。 其开环机械特性示于图 24(b)中。 图 24(b)中的每一条机械特性曲线都由两段组成，在电流连续区特性还比较硬，改变延迟角 a 时，特性呈一簇平行的直线，它和发电机 电动机组供电时的完全一样。 但在电流断续区，则为非线性的软特性。 这是由于晶闸管整流器在具有反电势负载时电流易产生断续造成的。 变电枢电压调速是直流电机调速系统中应用最广的一种调速方法。 在此方法中，由于电动机在任何转速下磁通都不变，只是改变电动机的供电电压，因而在额定电流下，如果不考虑低速下通风恶化的影响（也就是假定电动机是强迫通风或为封闭自冷式），则不论在高速还是低速下，电动机都能输出额定转矩 ，故称这种调速方法为恒转矩调速。 这是它的一个极为重要的特点。 如果采用反馈控制系统，调速范围可达50： 1～ 150： 1,甚至更大。 3） 采用大功率半导体器件的 直流电动机 脉宽调速方法。 脉宽调速系统出现的历史久远，但因缺乏高速大功率开关器件而未能及时在生产(a)调速电路 （ b）机械特性 图 24 晶闸管供电的调速电路机械特性图 9 实际中推广应用。 今年来，由于大功率晶体管 (GTR)，特别是 IGBT 功率器件的制造工艺成熟、成本不断下降，大功率半导 体器件实现的 直流电动机 脉宽调速系统才获得迅猛发展，目前其最大容量已超过几十兆瓦数量级。 PWM(脉宽调制 )是常用的一种调速方法，其基本原理是：用改变电机电枢 (定子 )电压的接通和断开的时间比 (占空比 )来控制马达的速度，在脉宽调速系统中，当电机通电时，其速度增加；电机断电时，其速度减低。 只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持一稳定值。 [5] 其中 前两种是改变电机参数的方法，后一种是改变电源参数的方法。 对于要求在一定内无极平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式最佳。 因为改变电阻只有极调速，而调节磁通范围很小，不然将造成飞车事故。 且本控制系统采用的直流电机为小功率电机，所以直流调速系统以变压调速为主。 10 第三章 虚拟仪器与 LabVIEW 介绍 虚拟仪器概述 本章主要从概念、发展阶段、研究现状、发展方向、优点等五个方面对虚拟仪器做了详细地介绍。 虚拟仪器的概念 所谓的虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的通用硬件平台上，由用户设计定义，采 用虚拟面板，测试功能由软件实现的一种计算机仪器系统。 这里的“虚拟”有两层含义 [6]： （ 1）虚拟的仪器面板。 在虚拟仪器里由软件在计算机显示器上生成类似于真实仪器的操作面板，物理的开关、按键、旋钮以及数码管等显示器件都是由与实物外观很相似的图形控件来代替，操作人员通过鼠标或者键盘操纵软件界面中的这些控件来完成仪器的控制。 （ 2）由软件实现仪器的测量功能。 在虚拟仪器系统中，仪器功能是由软件编程来实现的。 它不仅能实现传统仪器的测量功能，也能实现传统仪器不能实现或者很难实现的一些数据处理功能，如 FFT分析、小波 分析、数字滤波、回归分析、统计分析等。 通过不同软件模块的组合，还可以实现多种自动测试功能。 虚拟仪器的前景 随着计算机技术、微电子技术、通信技术的不断发展，以及网络时代的到来和信息化要求的不断提高，虚拟仪器正在深入各行各业，影响着人类的生产、教学、科学实验、国防等，甚至进入家庭自动化管理。 由于可充分利用 PC、网络和通讯的相关技术，虚拟仪器有望取代测量技术传统领域的各类仪器。 “没有测量就没有鉴别，科学技术就不能前进”。 虚拟仪器技术将不但成为测量技术领域的主流，而且将会在科学技术的各个领域得到广泛应用。 11 虚拟仪器的优点 一台性能优良的虚拟仪器不仅可以实现传统仪器的大部分功能，而且在许多方面有传统仪器无法比拟的优点，如使用灵活方便、功能丰富、价格低廉、可以一机多用、可重复开发等。 虚拟仪器与传统仪器相比，有以下 6个特点 [7]： （ 1）传统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操作元件，易于导致许多识别与操作错误。 而虚拟仪器可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。 同时，虚拟仪器面板上的学生研究和操作元件的种类与小时不受“标准件”和“加工工艺”限制，它们是由编程来实现的，设计者可以根 据用户的认知要求和操作要求设计仪器面板。 （ 2）在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。 （ 3）仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好的。 （ 4）仪器的改进和功能扩展只需要更新相关软件设计，而不需购买新的仪器。 （ 5）研制周期较传统仪器大为缩短。 （ 6）虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，与网络及其它周边设备互联。 决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于“虚拟仪器的关键软件”。 LabVIEW 概述 编程语言 的介绍 LabVIEW 是实验室虚拟仪器集成环境 (Laboratory Virtual Instrument Engineering Wo rkbench)的简称，是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境，得到工业界和学术界的普遍认可和好评。 它可以把复杂、繁琐、费时的语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能 (图形 )，用线条将各种功能 (图形 )连接起来的简单图形编程方式，为没有编程经验的用户进行编程、查错、调试提供了简单方便、完整的环境和工具，尤其适合于从事科研、开发的科学家和工程技术人员使 用。 LabVIEW是一种虚拟仪器开发平台软件，能够以其直观简便的编程方式、众多的源代码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户快捷地构筑自己在 12 实际工程中所需要的仪器系统创造了基础条件。 而且 LabVIEW与其它计算机语言相比，有一个特别重要的不同点 :其它计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码行，而 LabVIEW采用图形化编程语言 —— G语言，产生的程序是框图的形式，易学易用，特别适合硬件工程师、实验室技术人员、生产线工艺技术人员的学习和使用，可在很短的时间内掌握并应用到实践中去。 特别是对于熟悉 仪器结构和硬件电路的硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人员来说，编程就像设计电路图一样。 因此，硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人员们学习 LabVIEW驾轻就熟，在很短的时间内就能够学会并应用 LabVIEW，也不必去记忆那眼花缭乱的文本式程序代码。 LabVIEW 的功能十分强大。 像 C或 C++等其它计算机高级语言一样， LabVIEW也是一种通用编程系统，具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、 GPIB、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储，甚至还有目前十分热门的网络功能。 LabVIEW也 有完善的仿真、调试工具，如设置断点、单步执行等。 LabVIEW的动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中的数据及其变化情况，比其它语言的开发环境更方便、更有效。 本论文程序设计使用的是 ，该版本拥有强大的子 VI库，依据它们，我们可以更加方便的构建多样化的 LabVIEW控制系统。 双击 LabVIEW图表，启动如图 31所示对话框。 图 31 LabVIEW 启动后对话框 13 编程语言的优点 LabVIEW 具有强大的编程能力与可读性，具体来说有七大优点 [8]： 第一，图形化的编程方式，设计者无需写任何文 本格式的代码，是真正的工程师的语言。 第二，提供了丰富的数据采集、分析及存储的库函数。 第三，既提供了传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供独到的高亮执行工具，使程序动画式运行，利于设计者观察程序运行的细节，使程序的调试和开发更为便捷。 第四， 32bit是编辑器编译生成 32bit的编译程序，保证用户数据采集、测试和测量方案的高速执行。 第五，囊括了 DAQ、 GPIB、 PXI、 VXI、 RS232/485在内的各种仪器通信总线表针的所有功能函数，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与仪器。 第六，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。 第七，强大的 Inter功能，支持常用网络协议，方便网络、远程测控仪器的开发。 LabVIEW 编程基础 所有的 LabVIEW程序（即虚拟仪器 VI）都是由前面板和框图构成的。 下面通过一个简单的加减法程序的实现来说明。 （ 1）前面板（ Front Panel） 在 LabVIEW中，前面板式虚拟仪器 VI的图形用户界面，其中包。