南邮测控综合实验第五次实验报告.docx
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南邮测控综合实验第五次实验报告
南京邮电大学自动化学院
实验报告
实验名称：
直流电机转速测控系统
课程名称：
测控技术与仪器专业综合实验
所在专业：
测控技术与仪器
学生姓名：
林若愚
班级学号：
B12050518
任课教师：
戎舟
2014/2015学年第二学期
实验地点：
教5-214实验学时：
4
摘要：
本实验主要是以光电传感器为核心的直流电机转速控制系统。
主要是通过对电机驱动和转速数据测量模块的研究及其核心控制系统，该控制系统主要包括硬件装置和控制软件两部分。
介绍了直流电机调速的相关知识，及PID调整的基本原理和实现方法。
采用的电子元器件简单普遍，线路连接简单，安装调试容易，测量结果精确，具有较高的实用价值。
简单实用，很方便，实用价值高。
1、实验目的
1、理解所用传感器的工作原理，掌握传感器的使用；
2、掌握直流电机转速测试和控制电路的设计；
3、掌握计算机测控的原理和方法。
2、实验内容
基于ELVIS平台设计电机速度测试电路，设定预计转速，根据实际转速，实现相应的控制算法，完成对马达速度的闭环控制。
3、实验设备
（1）计算机1台
（2）ELVIS数据采集平台1台
（3）EE-SX672A光电传感器模块1个
（4）5V直流电机1个
4、实验硬件原理
1.直流电机转速测控系统结构和硬件
直流电机转速测控系统包括电机模块、EE-SX672A光电传感器模块、NIELVIS平台和计算机。
由传感器模块、电机上的转盘和数据采集卡对电机转速进行测试，在计算机中由程序计算出电机转速后采用PID算法得到对电机转速控制的输出直流电压。
（1）直流电机：
电机是使机械能与电能相互转换的硬件，直流电机就是把直流电能转换成机械能。
作为机电执行元部件，直流电机内部有一个闭合的主磁路。
主磁通在主磁路中流动，同时与两个电路交联，其中一个电路是用以产生磁通的，称为激磁电路，另外一个是用来传递功率，称为功率回路或者电枢回路。
现行的直流电动机都是旋转电枢式，也就是说激磁绕组及其所包围的铁芯组成的磁极为定子，带换向单元的电枢绕组和电枢铁芯结合构成直流电动机的转子。
（2）光电传感器
光电传感器一般由发送器、接收器和检测电路三部分组成。
发送器一般为半导体光源、发光二极管（LED）、激光二极管或及红外发射二极管，对准目标发射光束，光束连续发射，或以脉冲方式发射，脉冲宽度可调。
在接收器的前面，要装有光学元件如光圈和透镜等。
接收器一般由光电二极管、光电三极管或光电池组成。
接收器接收信号后通过检测电路输出有效信号。
光电传感器有凹槽形光电传感器、对射型光电传感器、反光型光电开关和扩散反射型光电开关等几种类型。
以凹槽型光电传感器为例，凹槽型光电传感器把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧。
发光器能发出红外线和可见光，在无阻的情况下光接收器能收到光。
但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。
输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一个控制动作，产生一个脉冲。
采用光电传感器对直流电机的转速进行测试，将电机转盘插入到光电传感器内部，当光线可以穿透转盘时，传感器上的红灯不亮，输出的是高电平；当光线不可以穿透转盘时，传感器上的红灯亮起，输出的是低电平。
所以当电机转动时，转盘在传感器内部转动，输出的是脉冲信号，测出脉冲信号的频率，继而可以求得转动的速度。
和平台连接时，采用NIELVIS平台的可调直流电源作为直流电机的输入，传感器的输出脉冲信号，送至ELVIS平台上的计数器进行测频。
2.电机转速测量
ELVIS平台的计数器由四个部分组成：
Countregister—计数寄存器，该寄存器用来存储当前的计数值。
它的存储范围跟计数器的分辨率有关，对于PXI-6259来说，计数器的分辨率是32bit，所以寄存器的计数范围是0~2^32-1，到达最大值后，又从0开始计数。
Source—被计数的信号从source端引入。
Gate—确定计数是否启动的门控信号。
Output—用于输出单个脉冲或脉冲序列。
计数器通常被应用在以下任务中：
对数字脉冲信号进行边沿计数；
生成单个数字脉冲或脉冲序列；
对脉冲的高低电平宽度、周期、频率等特性进行测量；
对编码器返回的旋转角度、线性位置等信息进行测量。
图1计数器相关范例程序的位置
（1）边沿计数
在边沿计数应用中，物理连接上只需将待计数的信号连入Source端即可。
程序中可以设定为对信号的上升沿或是下降沿迚行计数。
如果待计数的信号源是频率已知的标准时基信号，我们还可以将计数值转换为时间值从而实现对时间的精确测量。
如图5-2所示。
物理连线做法：
在MAX中鼠标右键点击6259，得到它的引脚定义图。
由于我们准备使用6259中的计数器0，它的Source端为37pin，PFI8引脚。
所以，我们利用BNC-2120上的波形发生器生成TTL脉冲，并将它与PFI8引脚相连。
接下来，看一下范例程序“简单边沿计数.vi”。
计数器通道选择6259/ctr0，设置计数方向（向上递增还是向下减小），待计数的脉冲边沿（对上升沿计数还是下降沿计数），开始计数值（一般设为0），然后运行程序即可。
图2边沿计数原理图
有时在计数应用中会增加一个门控信号，当门控信号有效时，才对脉冲边沿进行计数，门控信号无效，则计数不改变。
参考范例“门控边沿计数.vi”，它使用了“DAQ触发”属性节点，如图5-3所示。
在该属性节点中设置门控信号的输入引脚（演示程序中为6259/PFI1），以及停止计数的门控信号状态（演示程序中为高电平）。
经过这样的配置后，当PFI引脚上的信号为低电平时，计数器0正常计数；如果PFI引脚上的信号为高电平，则计数器暂停计数。
图3门控边沿计数通过属性节点设置
（2）脉冲生成
计数器生成单个数字脉冲和脉冲序列，并且可以通过软件设置脉冲的频率和占空比。
在物理连接上，输入端不需要任何连线，DAQmx驱动底层会选择计数器中适合的时基信号做为Source端的输入。
对于6259来说，它的内部有三个时基信号，频率分别为80M、20M和100kHz，计数器会自动对这些时基信号迚行分频处理，从而得到指定频率的脉冲序列，并通过OUT端输出。
如图5-4所示
图4脉冲生成原理图
在程序设计上，参考范例“连续脉冲生成.vi”。
程序中，DAQmx创建通道多态VI选择“计数器输出》脉冲生成》频率”，并设置输出脉冲的频率和占空比，DAQmx时钟VI选择“隐式》计数器”模式。
运行程序，将计数器0的OUT端输入的信号接入数字线p0.7，通过MAX中的测试面板观察输出脉冲序列的状态。
（3）脉冲测量
脉冲测量又可以细分为脉冲宽度测量、周期半周期测量、以及频率测量。
脉冲测量是使用已知频率的时基信号对未知信号迚行测量，在物理连接上，频率较高的时基信号接入Source端，而频率较低的待测信号接入Gate端。
如图5-5所示。
图5脉冲测量原理图
1.脉冲宽度测量
首先来看脉冲宽度测量，它的原理是将待测脉冲的高电平或低电平置为有效的门控信号，在这段时间内对Source端的时基信号迚行计数，将计数值乘以时基信号的周期，就得到Gate端信号的脉冲宽度。
如图5-6所示。
图6脉冲宽度测量原理图
程序设计上，参考范例“脉冲宽度测量.vi”。
对于DAQmx创建通道多态VI，选择“计数器输入》脉冲宽度”，同时需要设置开始边沿，如果选择上升沿，则对脉冲的高电平宽度迚行测量，如果选择下降沿，则对低电平宽度迚行测量。
同时，如果知道待测脉冲宽度的大致范围，还可以设置一个最小和最大阈值，驱动底层会根据这个值去自动选择合适的时基信号迚行更为精确的测量（范例设置下，驱动将选择6259的20M时基信号做为Source端的输入信号）。
2.周期/半周期测量
周期/半周期测量与脉冲宽度测量的物理连接和基本原理其实是一样的。
尤其半周期测量，它返回的是数字信号两次状态转换的时间间隔，本质就是脉冲宽度测量。
如图5-7所示。
图7周期/半周期测量原理图
它们在程序设计上也非常相似，参考范例“周期测量.vi”“半周期测量.vi”。
主要的区别就是“DAQmx创建通道”多态VI的选择不同。
物理连接上只需要将待测信号连入计数器的Gate端，其余的工作LabVIEW程序和DAQmx驱动会自动完成，非常方便。
运行程序，得到周期和半周期数值，跟前面脉冲宽度测量的结果对比，说明测量值是准确的。
3.频率测量
频率测量有三种方法：
周期取反法、平均法和分频法。
它们的适用情况不同，以下分别介绍。
（1）周期取反法
首先是周期取反法，它的原理和物理连接跟上期节目中介绍的脉冲周期测量是相同的。
即将内部时基信号或已知频率的标准信号接入Source端，将待测信号接入Gate端。
待测信号周期等于计数值乘以Source端信号周期。
对周期取倒数，就得到待测信号的频率。
如图5-8所示。
图8周期取反测频率原理图
程序参考范例“频率测量_1Ctr.vi”。
跟周期测量的程序非常类似，唯一的区别就是将“DAQmx创建通道”多态VI设置为“计数器输入》频率”。
并且设置待测频率的范围，以便驱动底层去自动选择适合的内部时基信号做为Source信号。
周期取反这种测量方法的特点是简单，且仅使用一个计数器，它适用于低频信号的测量，即待测信号频率应该低于Source端时基信号频率的百分一。
如果待测信号频率较高，将产生较大的同步误差，导致测量结果不准确。
在时基信号已定的情冴下，待测信号频率越高，越接近时基信号频率，产生的测量误差将越大。
如图5-9所示，如果时基信号频率为20M，待测信号频率为50k，则在Gate信号的一个周期内，应该得到的时基信号脉冲计数值为400。
但由于同步误差的存在会产生+-1的计数偏差，所以实际得到的测量值为49.88k或50.13k。
误差相对比较小。
但如果待测信号频率为5M，则在Gate信号的一个周期内，应该得到的时基信号脉冲计数值为4，此时+-1的计数偏差将产生很大的误差，实际测量的频率值将为4M或6.67M。
所以这种情冴下，我们需要考虑使用另外的方法来迚行频率测量。
图9同步误差对比分析
（2）平均法
第一种适用于高频信号测量的方法叫平均法。
根据同步误差产生的原理，在Gate信号有效的时间内，Source信号的脉冲数量越多，同步误差就越小。
平均法就是根据这样的原理，如图5-10所示。
在Source端信号频率已定的情冴下，延长Gate端的有效时间来提高测量精度。
与周期取反法不同的是，平均法需要2个计数器，将频率较高的待测信号接入其中一个计数器的Source端，然后用另一个
计数器，通过内部时基信号生成指定时间长度的Gate信号。
物理连接上，我们只需将待测信号接入其中一个计数器的Source端，在程序中，这个计数器也就是我们应该选择的计数器通道。
其它的配置和物理连接，DAQmx驱动会自动帮我们完成。
图10平均法测频率原理图
程序参考范例“频率测量_2Ctr_一段时间内.vi”“DAQmx创建通道”多态VI选择“计数。
器输入》频率”，由于使用了两个计数器，所以测量方法接线端选择“HighFrequencywith2Counters”。
但在“计数器”通道接线端，只需选择Source端与待测信号相连的那一个计数器，另一个计数器驱动会自动地帮我们选择。
同时，需要指定测量时间。
DAQmx定时VI选择隐式，表示采样率由待测信号本身的频率决定。
（3）分频法
另一种适用于高频信号测量的方法叫分频法。
在周期取反法中，当待测信号，也就是Gate端信号频率接近Source端的时基信号频率时，会产生较大的同步误差。
所以分频法中，先将待测信号做分频处理，降低它的频率，以保证测量结果的准确性，然后将得到的频率值乘以分频系数，就可以还原出待测信号的真实频率。
所以，分频法也需要使用2个计数器才能实现。
物理连接上，同样只需将待测信号接入一个计数器的Source端即可。
其它的连接，驱动会自动帮我们完成。
如图5-11所示。
图11分频法测频率原理图
程序参考范例“频率测量_2Ctr_分频.vi”。
“DAQmx创建通道”多态VI同样选择“计数器输入》频率”，测量方法选择“LargeRangewith2Counters”。
设置待测频率的范围，以便DAQmx选择合适的时基信号。
设置分频系数，使得待测信号分频后的频率低于时基信号频率的百分之一。
具体针对实验要求，采用合适的测频方法，测试直流电机的转速。
（5）PID转速控制
PID是当前工业控制中应用最广泛的算法。
被控制的系数参数叫做过程变量（ProcessVarable,PV），被控制的过程变量指定的理想值叫做设定点（SetPoint,SP）。
PID控制器确定一个对被控系统的输出量，驱动过程变量接近设定点。
具体原理参考自控原理教材。
控制直流电机的转速就是控制直流电机的电压。
直流电机的输入电压与转速应该成正比关系，在实验过程中，选择0~5V之间不同的直流电压输入待直流电机，测电机的转速，拟合得到输入和输出的关系式。
得到上述关系后，可根据将PID的输出增量转换成电压增量值，调节ELVIS的直流电源输出电压，送至直流电机，从而控制电机的转速。
系统结构介绍
1.系统结构
图12系统框图
2.电路图和实物图
图13电路简图
图14实物图
5、软件程序
图15PID控制和结果显示部分
图16数据采集部分
图17线性拟合部分
6、实验数据及结果分析
图18线性拟合情况图
图19转速设定在30的时候
图20转速重设定为60的时候实际转速改变情况
图21转速又重设定为70的时候实际改变情况
图22转速最终改为20的时候的实际情况
七、总结及心得体会
实验的调试以及查找错误是实验的关键。
建立一个系统很简单，但是，要得到理想的实验结果，需要对实验程序进行不断地调试与改善，才能得到实验结果。
在本次实验中，难点在于PID参数的控制，只有设定了比较好的PID值，才能让直流电机的控制更加稳定。
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