测控综合实验五直流电机转速测控系统.docx

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测控综合实验五直流电机转速测控系统

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：

方川

班级学号：

B12050507

任课教师：

戎舟

2014/2015学年第二学期

摘要：

本系统采用EE-SX672A光电传感器模块，通过ELVIS数据采集平台上的计数器模块实现电机转速（rad/min）的测量。

同时，利用LabVIEW自带的PID工具包实现对电机转速的控制。

测试证明，本系统有较好的实时性和稳定性。

实验地点：

教五-214实验学时：

8

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

4、实验硬件原理

1、系统结构框图

图1系统框图

2.所用芯片或模块介绍

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。

2.1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。

2.2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。

3、系统功能介绍

3.1、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2计数器相关范例程序的位置

本系统仅采用建的边沿计数实现转速的测量。

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1-2所示。

接下来，看一下范例程序“边沿计数.vi”。

计数器通道选择Dev1/ctr0，设置计数方向为向上计数，待计数的脉冲边沿选择为上升沿，开始计数值（一般设为0），然后运行程序即可。

图3边沿计数原理图

3.2、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0~8V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。

3.电路图和实物图

图4系统实物图

五、软件程序

5．1程序流程图

图5软件流程图

本系统的LabVIEW程序实现了对转速的测量与控制，可以手动输入期望转速，当前转速与期望值的误差接至PID函数的输入端，PID的输出端加到电机上的电压增量，从而达到转速控制的的目的。

5.2模块说明

（1）DAQ通道配置

图6DAQ通道配置

配置计数器模块为边沿计数模式，并设置为上升沿计数，开启DAQ通道。

（2）转速测量模块

图7转速测量

通过测量1s的计数值，因为光电码盘有4个透光孔，所以每分钟转速公式为V=Count*60/4=Count*15;这时的转速单位为rad/min。

（3）PID速度控制模块

图8PID速度控制

这部分的计算采用rad/s为单位，将期望转速-当前转速作为error输入到SamplePID函数中，PID输出再根据转速与电压的线性关系（见5）计算出电压增量传给VariablePowerSupply函数。

（5）电压限幅与可变电压控制模块

图9电压限幅与可变电压控制

经过简单的限幅算法将输出电压限制在0-8V，并通过测量0-5V电压输出时的转速（rad/min）拟合出V-U曲线

图10速度-电压曲线

六、实验数据及结果分析

6.1期望转速为70rad/s时的响应

图11

可以看到当前转速在期望转速做小幅震荡。

6.2期望转速为90rad/s时的响应

图12

可以看到当前电机的转速快速跟踪上了期望值。

6.3期望转速为100rad/s时的响应

图13

可以看到当前电机的转速快速跟踪上了期望值。

电压与转速关系

U/v

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

V/rad/min

150

585

1005

1440

1860

2370

2790

3195

3615

4035

换算成rad/s单位的U-V曲线：

U=V/14+0.328;

七、总结及心得体会

通过本系统的参数整定部分部分可以看出，Kp很小，Kd远远超过了Kp，跟普通系统的参数大相径庭。

这是由于V-U曲线大概估算出一个合理的Kp，然后在这个值附近做调整，直到系统能出现一个较小振幅的等幅震荡。

定下此时的Kp,增大Kd来减小震荡，最后再调Ki,I参数的作用是消除系统静差，这个参数不要过大，否则会影响系统稳定性。