基于虚拟仪器的电机转速闭环控制系统文档格式.docx

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摘要（中文）………………………………………………………………………………Ⅰ

摘要（外文）…………………………………………………………………………………Ⅱ

1绪论…………………………………………………………………………………………1

1.1课题研究意义…………………………………………………………………………1

1.2课题研究现状及特点…………………………………………………………1

1.2.1研究现状………………………………………………………………………1

1.2.2系统特点………………………………………………………………………2

2系统硬件设计………………………………………………………………………………3

2.1硬件组成………………………………………………………………………………3

2.2系统工作原理…………………………………………………………………………3

2.3硬件介绍……………………………………………………………………………3

2.3.1电源模块…………………………………………………………………………3

2.3.2三菱FX1N-60MR可变程序控制器…………………………………………4

2.3.3FR-S500变频器………………………………………………………………4

2.3.4YVF系列三相异步电机………………………………………………………5

2.3.5旋转编码器……………………………………………………………………5

2.3.6数据采集卡和接线盒…………………………………………………………6

2.4硬件接线图……………………………………………………………………………8

3系统软件介绍………………………………………………………………………………9

3.1串口通讯知识………………………………………………………………………9

3.1.1串行通讯基本概念……………………………………………………………9

3.1.2RS232串行通信…………………………………………………………………9

3.1.3RS485串行通信………………………………………………………………10

3.2三菱FX系列PLC……………………………………………………………………11

3.2.1通讯模式………………………………………………………………………11

3.2.2通讯协议………………………………………………………………………11

3.3虚拟仪器简介……………………………………………………………………13

3.3.1虚拟仪器内部功能……………………………………………………………14

3.3.2虚拟仪器系统框图……………………………………………………………14

3.3.3控制系统结构…………………………………………………………………15

3.4labview概述…………………………………………………………………………15

3.4.1labview8.0简介………………………………………………………………17

3.4.2VISA介绍………………………………………………………………………19

3.4.3DAQ简介…………………………………………………………………………20

3.4.4在WEB上发布labview程序……………………………………………………20

4系统软件设计………………………………………………………………………………24

4.1软件开发流程图……………………………………………………………………24

4.2PLC程序设计…………………………………………………………………………24

4.3基于labview8.0的软件设计………………………………………………………25

4.3.1读取数据命令字符串设计……………………………………………………25

4.3.2读取PLC中数据程序设计………………………………………………………27

4.3.3启动变频器程序设计…………………………………………………………28

4.3.4停止变频器程序设计…………………………………………………………29

4.3.5电机速度计算…………………………………………………………………29

4.3.6小数点定位设计………………………………………………………………30

4.3.7电压信号输出程序设计………………………………………………………30

4.3.8算法程序设计…………………………………………………………………30

4.3.9保存数据程序设计……………………………………………………………31

4.4程序的前面板………………………………………………………………………32

4.5程序的后面板………………………………………………………………………33

5运行结果分析………………………………………………………………………………34

总结…………………………………………………………………………………35

参考文献…………………………………………………………………………………36

致谢…………………………………………………………………………………37

1绪论

1.1课题研究意义

在现代自动控制等诸多领域,机器人控制、模拟人行为的仿真实验、虚拟现实技术中需要控制电机,使电机的转速按预期转速变化。

基于传统开发平台的电动机转速自动控制系统，往往面临开发周期长，成本高，兼容性和扩展性弱的不足，从而也阻碍了电动机自动话系统的广泛应用。

LabVIEW是美国NI（NationalInstrument）公司的软件产品,是虚拟仪器编程语言的典型代表。

LabVIEW编程高效、灵活、面向对象,其强大的图形编程能力及可视化编程环境得到很多软件开发人员的青睐。

用LabVIEW开发的虚拟仪器有着传统的测控方法不可比拟的优势，将虚拟仪器技术应用于电动机转速控制领域，充分发挥虚拟仪器技术开发效率高、灵活性、兼容性强和网络通信的特点，设计与实现电动机的转速现场和在线监控，是为实现机电控制提供直接的调控数据。

以Labview8.0软件为开发平台，进行实时监控电机转速，实现自动化控制，显然具有一定的现实意义。

1.2课题研究现状及特点

1.2.1研究现状

随着科技的发展，电动机已经成为了我们日常生活和工业生产中必不可少的重要元素，广泛应用于汽车、铁路、造船、建筑、工程和化工等众多工业。

电机的发展史可以追溯到19世纪初，法拉第的电磁试验中建立的电动机试验模型，被认为是世界上第一台电动机，接着直流电机就应运产生了。

19世纪末电机技术的不断发展，出现了交流电机，从一相、二相、三相，发展到今天的同步、异步电机。

电机的发展史就是社会工业的进步史，同时又极大的推动了社会的发展。

电机技术不断发展的同时，电机转速控制系统的要求也不在不断提高。

随着电机应用领域不断扩展，电机的工作环境也趋于恶劣，从开始的手动控制转速发展到今天的应用逻辑电路或单片机实现转速控制。

单片机控制转速系统，是电机控制领域的革命，它有着以前控制系统无可比拟的优势：

成本低廉、对环境的适应性强、运行平稳、可扩展性好等。

但是单片机控制系统制成后不易调整且编程语言比较复杂，因此存在一定的局限性，所以提出基于LabVIEW的控制系统设计思想。

目前应用LabVIEW控制电机转速是一门新兴发展的技术，LabVIEW是应用G语言编制程序的，它可以通过编制测试软件来构成仪器。

在自动化和各个控制领域中得到广泛应用。

目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统，GPIB一起控制系统，VXI仪器系统以及这三着之间的任意组合。

本文采用LabVIEW软件为开发平台，以实验室现有设备条件设计一个电机转速闭环控制系统,以少量的硬件设备完成了电机转速的控制,具有精度和效率高,可扩展性强以及操作界面友好等特点。

1.2.2系统特点

该系统以虚拟仪器控制三相电机为主，以实验室现有条件设计一个闭环自动控制系统，该系统具有以下特点：

一、以虚拟仪器为开发平台，实现对PLC的读写操作，工作周期短；

二、通过采集卡输出电压信号，改变变频器频率，自动控制调节电机转速；

三、可以实现连续调速，开发周期短，可以无成本零编程的实现远程控制；

四、系统拥有的存储数据的功能可以将以往的监测数据存储下来，将保存的信息资料进行定期分析，优化系统参数。

1.3课题研究内容

本文以PC与PLC通信为主，根据实验室的现有条件，通过旋转编码器采集电机转速，传入PLC，然后通过串口输入labview，把设定转速和实际转速作比较，基于labview8.0软件以一定算法设计控制程序；

通过Pci-6024E采集卡输出0-5V电压信号，改变变频器频率来控制电机转速，从而实现闭环自动控制。

该系统控制精度理想，自动化程度高，人机界面友好，并成功实现WEB远程实时自动监控，该系统调试成功，已投入使用，运行正常。

2系统硬件设计

2.1硬件组成

该系统由PC机、电源模块、PLC、三菱电机、旋转编码器组成，硬件图如下：

图2-1系统硬件图

2.2系统工作原理

首先由计算机向PLC发送数据，启动变频器，从而启动电机，旋转编码器把电机速度相关信息传给PLC，然后PLC把数据传给计算机，计算机通过相关运算，把实际速度和设定速度作比较，通过Pci-6024E采集卡输出0-5V电压信号，改变变频器频率来控制电机转速，实现自动控制。

2.3硬件介绍

2.3.1电源模块

图2-2电源模块

此电源模块为PLC、变频器提供220V交流电源。

具有控制、显示、操作、零压、短路保护功能。

设置空气开关、电源指示灯、电源输出实验插座等。

220V实验插座采用4#护套插座及实验导线，具有良好的安全保护和误操作保护。

为电机、PLC输入回路控制信号等提供24V、0.8A直流开关电源，具有短路保护功能。

为PLC输出回路负载、交流电机信号等提供5V、3A直流开关电源，具有短路保护功能。

2.3.2三菱FXIN-60MR型可编程序控制器

图2-3可编程序控制器

三菱FX1N系列是功能很强大的微PLC，由电源、CPU、存储器、输入输出组成一个单元的可编程控制器。

同时在AC电源DC输入型中内置传感器用的DC24V供应电源。

此PLC具有43点输入、27点输出，输入输出设备最大可扩展至128 

点，扩展模块或者扩展单元只可以使用FX0N系列或者FX2N系列，另外也可和FX0N-3A、FX2N-16Link-m、FX2N-32CCL连接。

具有基本单元输入输出告诉处理功能，不用编制复杂的程序就能捕捉到最小50微妙（X0,X1）的短信号。

可连接RS232C、RS485通信功能扩展模块，如果使用Windows版编程软件，通过连接RS232C适配器上的调制解调器，可以远距离进行程序传送和可编程控制器的运行监控。

2.3.3FR-S500变频器

图2-4变频调速器

此变频器为单相200V系列，容量为0.4KW，通过改变频率来调节输出的电压，以此来改变电机的转速。

数字式拨盘，设定简单快捷。

柔性PWM，实现更低噪音运行。

15段速，PID，4-20mA输入和漏源型转换等多功能。

可提供RS-485通信功能的机型FR-S500（可通过电缆接FR-PU04面板）及FR-S540-K-CHR（可通过电缆接FR-PA02-02面板）。

外部端子控制。

这主要是通过改变内部的端子Pr.1-Pr.73的设置来实现各种功能。

根据实验需要，其实验操作为：

2.3.4YVF系列三相异步电动机

图2-5三相异步电机

该系列电机是在Y2系列电机的基础上，开发设计的通用型变频调速电机，能与目前市场上不同厂家的变频器良好地匹配，变频范围5-100Hz或3-100Hz。

YVF系列频调速电机和变频器配套使用，具有效率高，噪声低，节能效果明显，驱动平稳，变速范围广，快速响应性能优良等特点，可广泛应用于数控，纺织，冶金等要求高精度调速的场合，也可应用于以节能为目的的风机水泵类负载，单机平均节电率可达30-60。

2.3.5旋转编码器

旋转编码器是用来测量转速的装置。

旋转编码器直接与旋转轴连接时，可以测定旋转圈数，即每转一圈会发数一点数目的脉冲信号，这样就可以根据脉冲数的多少计算出旋转的圈数。

它分为单路输出和双路输出两种。

技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。

单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向

2.3.6数据采集卡和接线盒

1数据采集卡PCI-6024E介绍

PCI-6024E数据采集卡是NI公司推出的数据采集产品，其主要性能参数如下：

分辨率12-Bit；

采样率200kS/s；

该DAQ卡包括16路模拟输入通道（12位A／D转换器／单端16路／双端8路），输入范围±

5V，±

10V，±

1V，±

0.2V可选；

输入增益可为0.5、1、10或100；

2路模拟输出通道（12位D／A转换器）；

8条数字I/O线，TTL逻辑电平。

2个24位计数器，分辨率24位；

一个DMA通道。

图2-6采集卡接线引脚图

2采集卡接线盒

图2-7采集卡接线盒

本设计采用CB-68LP（I/O）接线盒，主要用来和变频器连接，输出电压

信号，控制变频器频率。

2.4硬件接线图

图2-8硬件接线图

首先将PCI6024E安装好，连接好接线盒，通过查取PCI采集卡相关资料可知：

输出电压信号为56和22端口，56接变频器端口5，22接变频器端口2；

根据PLC编制相关程序，Y0接变频器端口STF，Y0端COM口接变频器端口SD，X0接旋转编码器端口A，X0端COM口接旋转编码器端口0，旋转编码器端口24V接电源24V端口，计算机监控软件通过RS232转RS422串口线与PLC相连，用导线把变频器、三菱PLC和电源相连便组成了一个闭环控制系统。

3系统软件介绍

3.1串口通讯知识

3.1.1串行通信基本概念

数据通讯中有两种类型的通信形式，即并行通信（ParallelCommunication）和串行通信（SerialCommunication）。

例如，如果有8位数据需要传送，那么并行通信一次就可以完成8位的传输量；

而串行一次只能传送1位。

图1表示了两种不同的通信模式，常用的串行通信也有两种，分别为RS-232和RS-485。

图3-1串行传输

图3-2并行传输

3.1.2RS232串行通信

图3-3RS232串行传输

RS-232的信号准位是参考地线而言的，如图2所示。

相对于参考接地端1传输端传送数据；

接收端则相对于参考接地端2复现出传送端的传送的数据。

由图可知，由于两个接地端准位不一定一样，而且很容易受到干扰，所以信号在RS-232线路传输时，很容易产生错误。

3.1.3RS485串行通信

图3-4RS485串行传输

RS-485的信号被传送出去时会分成正负两条线路，当到达接收端后，在将信号相减还原成原来的信号；

如果将原始的信号表示成（DT），而被分成的信号分别标示成（D+）及（D-），则DT=（D+）-（D-）。

同理，接收端在接收到信号后，也依据上式还原成原来的样子。

如果线路受到干扰，两条线路的信号分别为（D+）+Noise与（D-）+Noise。

接收端还原信号为（DT）=[（D+）+Noise]-[（D-）+Noise]，与先前结果一样，所以RS-485可以有效的防止噪声的干扰。

3.2三菱FX系列PLC

PLC即可编程控制器（ProgrammablelogicController，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。

在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：

“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

”

3.2.1通讯模式

FX系列PLC根据使用的通信模块与通讯协议的不同，可分为4种通信模式：

⑴N:

N链接网络通信模式；

⑵并行链接通信模式；

⑶无协议通信模式；

⑷计算机链接通信模式。

N:

N通信方式和双机并行通信方式是PLC之间的通信模式，本文不予以讨论。

FX系列PLC可以通过编程口或通信口与计算机通信。

通过编程口通信，计算机只能与一台PLC通信，实现和PLC中的软元件间接访问构成二级控制系统；

通过通信口通信，计算机可与多台PLC通信，实行对PLC中的软元件直接访问，构成总线型网络控制系统。

PLC使用不同的通信适配器，但通信规程和通信程序取决于编程口还是通信口，与PLC无关。

3.2.2通讯协议

1）计算机与PLC之间的通信是建立在以RS232标准为基础的异步双向通信，PLC有特定的通信格式，内部不需要编写专门的通信程序，只要把数据存放在相应的数据寄存器中，每个数据寄存器都有对应的物理通信地址，通信时由计算机直接对物理通信地址进行操作。

通信过程中，传输字符和命令字以ASCⅡ码为准。

FX系列PLC采用面向字符的传输规则，用5个通信控制字符，其约定说明见表3-1。

表3-1

字符

ASCII码

注释

ENQ

05H

来自计算机的查询信号

ACK

06H

无校验错误是应答信号

NAK

15H

有校验错误是应答信号

STX

02H

数据块的起始标志

ETX

03H

数据块的结束标志

0～F

30H～46H

十六进制字符

2）如果是写