机械设计制造及其自动化毕业设计-new基于labview的电机转速测量与控制虚拟仪器设计

机械设计制造及其自动化毕业设计-new基于labview的电机转速测量与控制虚拟仪器设计内容摘要：

特点。 电磁式则采用的是他励式，这种结构容易受到电源以及环境等其他因素的影响，导致输出的电压变化较大，所以应用得比较少。 交流测速发电机的 整体构造 与交流伺服电动机 十分 近似 ，在定子上有相互垂直的两 组 绕组，一 组 绕组 为励磁绕组， 另 一 组 绕组 为输出绕组 ，测速发电机的转子为杯型。 由于杯型 的 转子 在信号的输出中起到决定性的作用 ，所以其质量的 合格与否直接影响测速发电机的 能否正常运行。 目 前，其技术性能与其他的测速发电机相比，有结构简单、噪声细小、抗干扰能力强等特点，所以 是大多数商家的首选发电机。 步进电动机 步进电动机是一种直接 把 电脉冲信号转 化为 角位移或线位移 参数 的电器设备。 步进电动机 具有 运行 精 确 度高、同步运行 性能 好、调速范围 广、调速速度快、结构简单等的 优点 ， 因此 非常适合用于数字控制系统。 步进电动机的步距角  角的计算公式为： 360NZ  （ ） 式中 N—— 运行拍数 Z—— 转子齿数 若想改变步进电动机的转向，只需按相反顺序为三相绕组通电即可。 13 本课题使用的电机 本课题使用的电机为 KYJZ210 检测与转换（传感器）技术实验台里光电式传感器中的微特电机，电机型号为万宝至公司生产的 EG530AD 12v ccw 电机。 电机主要由大壳、轴承、回转子、永久磁石、电刷、电枢、小壳组成，如图 211所示。 图 211 电机构造 12v ccw 电机实物图 光电传感器中 EG530AD 12v ccw 电机实物图如图 212 所示。 图 212 电动机实物图 14 12v ccw 电机 外形尺寸 EG530AD 12v ccw 电机外形尺寸如图 213 所示。 图 213 EG530AD 12v ccw 电机外形尺寸 4. EG530AD 12v ccw 电机参数 EG530AD 12v ccw 电机参数如表 23 所示。 表 23 EG530AD 12v ccw 电机参数 型号 MODEL 电压 VOLTAGE 额定负载 RATED LOAD 额定转速 RATED SPEED 额定电流 RATED CURRENT 负载波动 LOAD FLUCTUATION 起动力矩 STARTING TORQUE 使用范围 OPERATING RANGE 额定值 NOMINAL V V gcm /min 2%r  mA（ TYP） /rpm g cm g cm EG530AD6F（ 6B） ~ 2400 132 EG530AD9F（ 9B） ~ 2400 92 EG530AD2F（ 2B） ~ 2400 73 15 5. EG530AD 12v ccw 电机机械特性 EG530AD 12v ccw 电机机械特性 如图 214 所示。 图 214 EG530AD 12v ccw 电机机械特性 电机转速控制理论 目前，控制电动机转速 广泛使用 的方法是 改变 电机电枢电压， 通过增加电机电枢 两端 电压使得电动机的转速提高；相反，降低电机电枢电压，电动机的转速就会相应下降。 但是要实现调节电枢电压来让电机转速能够快速达到用户的要求，就必须要引入一种可操作性高、稳定性好 、响应速度快 的控制理论。 随着科学的不断发展，现代控制理论也在不断完善，而且应用的范围也越来越广。 从早期的线性系统理论、非线性系统理论 以及 PID 控制理论， 到现今涌现出的智能控制理论、鲁棒控制理论、模糊控制理论、神经 网络控制理论 和预测控制理论 等。 PID 控制理论 在自动调节的发展历史中， PID 控制理论的出现是非常重要的，因为无论在简单的家用电器领域，还是复杂的航天航空领域，都可以看到它的身影。 如此实用的控制理论看似十分的复杂繁琐，其实简单来说就是对输入值和理论值先进行减法运算，再对偏差进行一系列的 P、 I、 D 的运算，随后 将 运算的 多次 叠加结果再去控制执行机构 ，其控制逻辑如图 215。 16 图 215 PID 控制逻辑 （ P） 比例控制， 也称作 P 控制， 就是把实测值与期望值的差值 0e 的大小与控制的变量成比例关系， 如果只使用 P 控制，那么系统输出就会 出现 一定的稳态误差，不利于系统的控制。 动态方程和传递函数分别为： p p oz Ke （ ） 0 1( s )ppeWKzP   （ ） 式 中 pK —— 比例控制参数 0e —— 实测值与期望值的偏差 P—— 比例度 积分控制（ PI） 比例 积分控制，也称作 PI 控制，由于 只 使用比例控制，系统会产生一定的稳态误差，这时就需要引入“积分项”。 而积分项对于误差又取决于时间的积分， 当 时间增加 的时候 ，积分项也就跟 着增大。 控制规律和传递函数分别为： 01( t) K [ ( t) ( ) d ]tpim T     （ ） ( s ) 1( s ) [ 1 T s ]( s ) pdiMWKE T s    （ ） 式中 (t) —— 偏差 17 iT—— 积分时间常数 积分 微分控制（ PID） 比例 积分 微分控制，也称作 PID 控制，在有比例控制的基础上，加入积分控制，消除了稳定 误差，之后又引入了微分控制，更加提高了系统的稳定性。 传递函数为： ( s ) 1( s ) [1 T s ]( s ) pdiMWKE T s    （ ） 式中 Td —— 微分时间常数 综上所述，使用单纯的比例控制时，当比例 参数 过大，意味着控制作用太强，很容易引起系统的振荡；当比例 参数 过小，控制的效果不明显。 而在比例控制的基础上再引入积分控制， 可以消除系统误差，不过积分时间过长，就会使系统超调从而发生振荡。 一般来说，比例 积分控制足够满足电动 机转速控制的使用要求，是否要加入微分控制，需要视 现实 情况而定。 其他控制理论 理论 智能控制，顾名思义，就是人工智能与自动控制相 融合 ，在人类不用参与的作用下，可以自动独立完成自动控制的效果。 与传统的控制理论不同，智能控制并不需要对数学公式或者计算进行过多的研究，开发人员只需将精力放在数据库和建模的研究上。 智能控制运用在实际生产中，会自动对外界进行认识、分辨、 计算 和规划，最终 能够 实现使被控对象按照用户的要求 达到预期的效果。 理论 在自动控制中，很多时候建立的模型都 是非线性模型，因此都存在模型的不确定性，而鲁棒控制正是解决这一系列的问题。 与传统的自适应控制系统的相比，前者的控制思想是对模型的参数进行判断，然后建立控制器。 由于建立的控制器都是参考模型的参数，所以不可能把将会出现的不确定性因素添加进去。 相反的是，鲁棒控制的设计理念真是尽可能把模型一切的不确定因素和信息添加到控制器里，在 18 运行中遇到的不确定参数时，依旧可以满足用户需求的性能指标。 理论 模块控制一种是基于模糊数学的基本思想的控制理论。 在过去的控制理论的领域中，一个控制系统的动态模式是否精确，往往会 直接影响到整个控制系统的效果，因此系统的动态信息越详尽，那么就可以达到精确控制的效果。 换言之，对于一些非常复杂的系统，因为存在的变量过多，造成很难去准确表达系统的动态，并实现控制的目的。 对于如此复杂而又不能准确表达的系统，则可以用模糊数学来解决这些问题。 神经网络控制作为早于其出现的智能控制理论的一个新分支，是自动控制领域里的前沿科学。 它为之前线性控制理论、自适应控制理论所不能 分析 的非线性、不确定的控制问题 给出了可行的方案。 在所有的生产过程中，进行的步骤都是非常复杂 的，因此建立其相对应的模型也是难以绝对相符合。 对于一些应用于复杂建模的控制理论，往往其控制效果也是不如人意。 由于预测控制理论中可以对已建立的模型进行反馈校正，不断完善其模型的算法，因此适合用于复杂的生产过程。 伴随 预测控制理论的 飞速发展 ，其在生产控制中必定能起到更大的作用。 19 3. 虚拟仪器的概述 虚拟仪器的简介 20 世纪 70 年代中期， NI 公司提出了虚拟仪器（ Virtual Instrument）的概念。 在以计算机等硬件平台的基础上，利用虚拟仪器，用户可以在虚拟面板选择合适的控件，编 写程序系统。 由于虚拟仪器具有开发架构的特点，因此用户可以更快速 实现测试系统的建立。 同时，虚拟仪器的出现，打破了传统仪器在数据采集、运算、传输等方面的限制，是一个高自动化、低运行成本的运载平台。 虚拟仪器构成如图 31所示。 图 31 虚拟仪器的构成 虚拟仪器的特点 使用 虚拟仪器的 好处 除了能与计算机建立成灵活的 测试平台 ，关键是通过其他各种类型 的接线口，就可以建立起各种各样的自动测试系统。 与传统的仪器相比，虚拟仪器的特点有以下几点： ，控制控件种类繁多，用户使用时容易发生误操作。 相比之下，虚拟 仪器的功能面板则将复杂的控件分类号，用户使用时更加方便、快捷。 ， 虚拟仪器 可以完成各种硬件不能达成的功能。 20 ，用户可以 按所需 地设置。 虚拟仪器的性能，只要联网 下载升级 同版本 的软件。 ，研发的时间 缩 短。 虚拟仪器与传统仪器的比较如表 31 所示。 表 31 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器 传统仪器 开发维护费低 开发维护费高 技术更新周期短 技术更新周期长 软件占主导地位 硬件占主导地位 价格较 低 价格昂贵 用户可以按需求定义功能 商家定义功能 可与计算机实现同步功能 固定不变 可通过互联网与其他设备连接 独立设备 虚拟仪器的组成 虚拟仪器主要由硬件平台和软件平台组成，结构框图如图 32 所示。 图 32 虚拟仪器结构框图 21 4. 转速测量与控制系统的设计 系统设计构思 结合 实验室现有的实验仪器的基础上，要设计出尽量满足实验要求的系统。 因此将整个设计分为硬件 测速系统 设计和软件 控制系统 设计这两个方面。 测控系统的设计思路为先启动电机，然后 使用 光电传感器将电机的转速转化 为高低电平的脉冲信号，接着通过 NI USB6008 的 AI 端口采集数据，再与计算机的LabVIEW 软件进行通信，使用 LabVIEW 软件里的控件编程，从而计算脉冲的频率并换算出 直流电动机的实时转速，紧接着再使用 PID 控件实现转速的控制，由 NI USB6008 的 AO 端口 提供 电压输出 ，改变电机转速达到用户的需求， 最后对 实验结果分析总结。 测控系统的设计流程如图 41 所示。 图 41 直流电动机测控系统设计流程 测控系统的硬件设计 22 直流电动机的测控系统中硬件设计包括了将转速转化为电信号、数据采集、信号放大 、电信号输出这几个方面。 其中将转速转化为电信号的有光电传感器 TLP850完成，数据采集、信号放大、电信号输出则由 NI 公司推出的 USB6008 采集卡完成。 光电传感器 TLP850 TLP850 是由东芝 公司生产的一款可控制的光电耦合器电子元件，该款光电传感器把发光器以及接收器 装在了一个 完全密封 的塑料壳内，两者之间用透明的绝缘体完全隔离开。 其中发光 器 的引脚 是 电压的输入端， 接收 器的 引脚 是 脉冲 信号输出端。 TLP850 相关参数 光电传感器 TLP850 相关参数如表 41 所示。 表 41 光电传感器 TLP850 相关参数 Maximum Ratings 最大额定值 (Ta=25℃ ) CHARACTERISTIC 参数 SYMBOL符号 RATING 数值 UNIT 单位 LED发光源 Forward Current 正向电流 FI 50 mA Forward Current Derating 正向电流减率 /FIC  /mA C。