（机械电子工程专业论文）基于labview的电机实验系统的研究.pdf

摘要 本文在对比国内外电机特性测控系统的基础上，结合我校相关课程实验的需要，设计了基 于l a b v l e w 的电机实验系统。 该系统是基丁电机控制技术、计算机技术、现代测试技术和网络技术等丁体的虚拟仪器 系统，完成了硬件配置并开发了控制和测量系统软件。在系统硬件设计过释中，选川了研华的 数据采集卡和定时计数卡，为了保证系统的可靠性和精度的需要，信号的采集采川了数字式转 矩转速传感器，利用磁粉制动器实现对电机的加载；在软件设计中，充分利用l a b v i e w 图形 化开发平台在信号采集、数据处理、曲线拟合、图形化显示等方面的优势，实现了电机各种运 行方式的转换和控制、重要参数的测域记录、数据的计算、特性的显示、加载的控制、数据的 保存等功能，将电机的控制和测试变得智能化：为适应远程教学的需要将网络技术和虚拟仪 器技术结合，将程序发布到网页上，使远程浏览器可以浏览并申请控制服务器上的稃序：住机 械结构的设计上，通过不同尺寸联轴器的拆装使该测试系统能适用丁二不同电机的控制和特性测 量。 关键词：电机特性，测试，l a b v i e w 。磁粉制动器，远程面板 a b s t r a c t b a s e do nc o m p a r i s o no f d e v e l o p m e n to f c o n t r o la n dm e a s u r es y s t e mn a t i v e l ya n da b r o a d ，t h e e l e c t r i cm a c h i n ee x p e r i m e n ts y s t e mw a sd e s i g n e dw i t hl a b v i e wc o m b i n i n gw i t hr e q u i r e m e n to f c o u r s e se x p e r i m e n ti nt h ec o l l e g e t h i ss y s t e mw a sr e l a t e dt oe l e c t r i cm a c h i n ec o n t r o l ，c o m p u t e rt e c h n o l o g y , m o d e r nc o n t r o l ， m e a s u r et e c h n i q u e ，a n dn e t w o r kt e c h n i q u e h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o nw a sa c h i e v e d ，t h es o f t w a r ew a s d e v e l o p e d f o rt h er e q u i r e m e n to f s y s t e mh a r d w a r ed e s i g n ，a d v a n t e c h sd a t aa c q u i s i t i o nc a r da n d t i m i n gc o u n tc a r dw e r eu s e dt oc o n t r o la n dm e a s u r ee l e c t r i cm a c h i n e ，d i g i t a lt o r q u e - r o t a r yt r a n s d u c e r w i t hs a t i s f i e dr e l i a b i l i t ya n da c c u r a c yw a su s e dt oc o m p l e t ed a t aa c q u i s i t i o n ，m a g n e t i cp o w d e rb r a k e w a su s e dt oa c c o m p l i s he l e c t r i cm a c h i n el o a d i n g m a k i n gu s eo fl a b v i e w sa d v a n t a g e si nd a t a a c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g ，c u r v ef i t t i n g ，f r i e n d l yi n t e r f a c ei nt h es o f t w a r ed e s i g n ，i tr e a l i z e de l e c t r i c m a c h i n ec o n t r o l l i n ga n dm e a s u r i n gi nd i f f e r e n tw o r ks t m i o n s ，i m p o r t a n tp a r a m e t e rt e s t i n ga n d r e c o r d i n g , d a t ac a l c u l m i n g ，p e r f o r m a n c ec u r v ep l o t i n g ，l o a d i n gc o n t r o l l i n g ，d a t as t o r i n ga n ds oo n f o r t h er e q u i r e m e n to f r e m o t et e a c h i n g ，t h et e s t i n gs y s t e mc o m b i n e dn e t w o r kt e c h n i q u ea n d l a b v i e w ：a n di s s u e dt h ep r o g r a mi nt h ei n t e r a c te x p l o r e ，a n ds ot h a tr e m o t eu s e rc o u l db r o w s ea n d p u ti nf o rt h eu s eo f c o n t r o lp r o g r a mi nt h es e r v e r i nt h ed e s i g no f t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，t h en e e d o f r e m o v i n ga n da s s e m b l i n gv a r i o u ss i z e ds h a f tc o u p l i n g sw a sc o n s i d e r e dt o o ，s oi tc o u l dc o n t r o l d i f f e r e n te l e c t r i cm a c h i n e sa n dm e a s u r et h e i rd i f f e r e n tp a r a m e t e r se a s i l y k e y w o r d s ：e l e c t r i cm a c h i n ep e r f o r m a n c e ，t e s t i n g ，l a b v i ew m a g n e t i cp o w d e rb r a k e ，r e m o t e p a n e l i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰下吾过的研究成 果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证怕而使用过的材料。与我一同i 作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明井表示了谢意。 研究生签字 酞b 婚 时间：沙0 2 年f f 月己i 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业犬学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文 的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编 学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分 内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签字 导师签字 投蚴 彬殇 时间： 研 年7 ，月矽日 时间：知 厂年r ，月鸪日 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 基于l a b v i e w 的电机实验系统把控制、测试过程自动化，晟火限度减少人为干预。研究丰开 发该系统为学生进一步掌握机电系统设计过程和电机驱动与控制技术提供了良好的实验条什，它 具备以下特点： 1 实验系统具备接收某种程序控制的能力，即接收数字指令，按照这些指令来政变被测带【乜 机的状态，从而完成指定操作。 2 为满足多种不同种类和尺寸的电机的测试，系统能适应多种电机的拆卸与安装。 3 测试系统有良好的界面可以将控制量、显示量实时显示出来。 4 为使更多的学生受益，程序的前面板可以在网上发布，浏览器端可以远科浏览与控制测试 实验。 1 1 课题提出的背景和意义 1 1 1 电机实验系统的现状 传统的电机测试往往使用普通的指针式仪表，通过人l ：读数，记录、整理数据t 绘制曲线 和编写实验报告，由于测试点多，数据量大，数据记录时间长，数据处理和分析是很复杂的。 电机自动测试系统的采用，为解决上述问题开辟了一条崭新的途径。分析电机测试系统，可将 其分为两夫部分，即数据采集与控制部分与人机界面部分，目前自动测试系统对这两部分的实 现方案主要有以f ) l 种： 1 采用单片机与a d 、d a 接口芯片完成数据采集功能，采用r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 串行通信方式， v b v c 等编程工具开发人机界面软件，该方案适f ；i 于采集点少，控制简单的测试系统。 2 采用j j 业p c 机与i o 板卡完成数据采集功能。 ：业p c 机本身既承担数据采集功能义承担 人机界面功能。通常采用v b v c 等编程i ：具以及j o 板# 厂商提供的读写i o 扳f 的动态链接席开 发人机界面与硬件接口程序，该方案适用于中小型测试系统。 3 采用通用# 式仪器完成数据采集功能，利用v b v c 等编程i 具以及仪器厂商提供的虚拟 仪器软件包进行开发，该方案适用于实验室中的高速数据采集系统 4 采用p l c 进行数据采集与控制，利用工控组态软件进行二次开发，该方案可靠性高，功能 强，抗干扰能力强，适用于大型现场测试系统。 1 1 2 新型电机实验系统 对比以上几种方案，我们设计了一个新型电机实验系统，该系统用普通p c 机做主机，以 l a b v i e w 为软件开发平台，控制电机运行状态，采集数据并进行处理、存储，实验完成厉可通过 主机打印出规范的实验报告，并方便的查看历史记录。整套设备成本低，适j _ = | 丁l 厂及实验室使 中国农业大学硕士学位论文 第章结论 用。 赢流电机是一种常规使用的动力装置其庸e j 范围泛，所以掌握了解其特性是重要的。 步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系【1 i 。在目前国内的 数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛，是较早使用的典型的机电一体化元件。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机、交流电机在常规f 使 用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使州。冈此“j 盘步进电机并l r 易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。另外，步进电机器种参数和性能指 标是比较复杂的，在产品样本上仅给出几种主要的参数和性能指标。许多情况f ，为了实现系统 设计目标，用户需要独立进行实验，掌握步进电机参数及特性的测试及控制方法。 计算机技术的飞速发展，给传统仪器注入了新的活力。首先是微电子技术，尤其是人规模 集成电路，促进了数字化仪器、智能仪器的快速发展，仪器的精度越来越高，功能越来越强， 性能越来越好。但是，传统仪器基本上没有摆脱独立使用的模式，对丁较为复杂、测试参数较 多的应用场合，使用起来很不方便，其局限性也就慢慢暴露出来”。 如果把计算机技术和仪器技术结合起来，充分利用飞速发展的计算机技术米实现或增强传统 仪器的功能，就能开辟出一块崭新的天地。尤其是近年来不断发展的网络技术己经具备了雄厚 的拓展应用领域的物质基础。通过i n t e r n c t 在全世界范围内联网，l a n 在某些单位内部组网，从而 实现各种数据、信息跨地域跨时间的传输与交换，这已经成为信息时代各部fj 寻求发展的必然趋 势。 本课题就是基于这样的思想。将虚拟仪器及其网络技术运_ = | 到电机的实验上，从而得出电机 的主要参数和特性，供教师作演示实验，或供异地的成员浏览、控制本地的实验系统。 1 2 虚拟仪器简介 1 2 1 特点 在计算机上插数据采集卡，实现信号的采集与控制，然后用软件进行信号分析与处理，输 出结果，实现传统仪器的功能，这就是虚拟仪器。所以，虚拟仪器是计算机硬件资源、仪器与 实验系统硬件资源和虚拟仪器软件资源三者的有效结合，其实质是利川计算机显示器的显示功 能，以多种形式表达输出检测结果 利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析雨l 处理：利用1 o 接口设备完成信号的采集、测鼓与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机 仪器系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测最仪器一样。闪此，虚 拟仪器的出现，使测量仪器与计算机的界限模糊了。与传统仪器相比，虚拟仪器有以r 八个特 点： 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什，易丁导致许多识别上j 操作错误。虚拟仪器与之不同它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。这 样。在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化与面板布置的简捷化，从而提高操作的止确 性与便捷性。同时，面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受“标准什”和“加川艺” 的限制，它们是由编程实现的，设计者可以根据用户的认知要求和操作要求，没计仪器面板。 2 中国农业大学硕士学位论文 始一章绪论 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。 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。 仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，而不需购买新的仪器。 研制周期较传统仪器大为缩短。 虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。 决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原冈在丁“虚拟仪器的关键是软什”。 1 2 2 虚拟仪器的软硬件结构 虚拟仪器的硬件是计算机和为其配置的必要的电子仪器硬件模块。硬件主体是计算机，通 常是个人计算机，也可以是任何通用计算机。为计算机配置的电子仪器硬件模块是各种传感器、 信号调理器、模拟数字转换器、数字模拟转换器、数据采集 ( d a q ) 笱。 当给定计算机的计算能力和必需的仪器硬件后，构造和使_ j 虚拟仪器的关键就是席川不同 的软件实现不同的功能。虚拟仪器技术的应用软件主要有以f 三个目的：集成的开发环境，与 仪器硬件的高级接口和虚拟仪器的用户界面。虚拟仪器技术的应用软件由j 户编制，可以采用 各种编程软件，如c ，b a s i c 等。在这里，提高计算机软件编程效率也就成了一个非常现实的问 题。根据微软及其他计算机软件t 稳专家的观点在当今这个信息时代，提高软件编科效率的 关键是采用面向对象的编程方式。可视化编程语言环境v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c 的推出，为简 化计算机编程迈出了可喜的一步。但对一个普通的计算机用户( 而非编程专家) 来说，这一步 还是远远不够的。软件的可重用性在虚拟仪器的设计中起着重要的作用。近年来，基丁p c 机 和工作站基础上的图形接口标准和计算机能力的提高，促进了图形开发软件包雨i 图形开发环境 的迅速普及，图形开发方式为每一个虚拟仪器提供了可重用的代码模块，弗允许用户从其它代 码模块中分级调用。这些重用部分是一些封装良好的、原子型的程序代码，理想情况f ，重川 部分包括函数库、过程程序包、宏、类库等，它们通过各自的接口被细装在一起，每一部分完 成特定的功能。在虚拟仪器的图形软件开发平台研究方面，最有代表性的是n i 公司的l a b v i e w 虚拟仪器软件开发平台。 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yo f v i r t u a li n s t r u m e n t se n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是美国n i 公司利州虚 拟仪器技术开发的面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发平台。l a b v i e w 实际上是一个基丁 图形开发、调试和运行程序的集成化环境，是第一个借助于虚拟软面板用户界面和方框图建立 虚拟仪器的图形程序设计系统，也是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言。 l a b v l e w 作为开发环境有以下特点： 1 图形化编程降低了对使用者的编程经验的要求，易于f ：程师使h j 。 2 采用面向对象的方法和概念，便于软件的开发和再利用。 3 图元、框图及其构成的虚拟仪器在w i n d o w s ，w i n d o w snt ，u n i x 等平台之间兼容，便丁 软件的移植。 4 支持串行接口、g p i b 、v x l 等标准总线及各种数据采集g - 。 5 具有丰富的库函数，便f 提高开发速度。 6 能与各种现有的仪器驱动器配合以满足_ l ； 户需要。 3 中国农业大学硕士学位论文 第章绪论 7 具有较完整的代码接e l ，可调用w i n d o w s 动态链接库( d l l ) 中的幽数以弥补臼身 的不足。 另外从运行机制上已不再是传统上的冯诺伊曼计算机体系的顺序执行结构，而是，_ f ：行 机制这种方式确保程序仅在各节点已获得全部数据后才执行。也就是说在这种数据流程序概 念中，程序执行是数据驱动的或数据相关的。它不受揲作系统、计算机等因素的影响，不同任 务执行的先后完全由其优先级和所需的数据是否齐备决定，不同的任务，j 户若不加以强调设 置，其执行的先后次序是不定的。l a b v i e w 系统实际上是一台小型的多任务环境，它可完成系 统的调度。 1 3 网络化实验教学及现状 实验教学是许多学科教学中的一个重要环：饥开展这些学科的网络教学就必须解决实验教学 在网络远程教育中的实现问题。 为了解决实验的近距离性与教学手段的远距离性的矛盾，国内外一些远程教育机构曾采州过 各种方法。例如，为了解决科学技术课程远程教学的实验问题，英国开放大学曾专r j 设计了家庭 实验箱，编写了详细的实验指导书，并将它们一起寄给学生使刚，心毕再寄还。此外如借用实验 室、实验流动车、集中实验等也是曾经用过的方法。但这些方法，有的仅适合少数或简单实验的 情况，有的由于与理论教学不相衔接而导致效果不佳。 随着教学技术的进步，以及对远程实验教学研究的深入，人们又提出一些新方法。例如利f h 和发挥多媒体教学优势，将某些学生实验内容制成实验节目或录像带，向远程学生橘放。不过这 并不能替代必要的那种近距离的、亲自动手的学生实验，因为终究不能完全以“霜”实验来代替 “做”实验。再如计算机模拟实验，即学生在计算机控制的模拟环境中进行实验操作可以在一 定程度上解决某些实验的远程教学问题。但模拟实验毕竟不是“本体”实验，何况有许多实验不 宜或不能模拟。此外，还可以把计算机网络纳入远程实验教学课，这样，教师可以通过网络指导 学生做实验。从而把远距离教学和近距离实验教学的各自长处有机结合起来，以取得良好的教。 效果。 虚拟实验室和虚拟实验的产生和麻片 使网络化实验教学得以真正实现，它彻底解决了以往所 有远程教育模式中理论教学的远距离和实验教学的近距离性的矛盾，使整个教育完全远程化。 n l 公司在这方面起步较早，该公司开发的测试网络仪器平台如l a b v i e w 支持t c p i p 协议，它 提供t t c p 和u d p 的网络虚拟仪器模块( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 能够与远捌廊j _ j 程序建立通 讯，利用远平譬网络v i ，还可以对其他设备的分散v i 进行控制。从l a b v l e w 5 o 及以上版本都增加了 网络功能，提高和加速了开发网络应h j 程序的能力。在因特网应用方面，l a b v i e w 提供了专h 的 w e b f l l t 务器( l a b v l e ww e b s e r v e r ) 用户可以通过从浏览器中驱动h j l a b v i e w 图形化编科语肓 ( 即g 语言) 设计的c g i 程序，并以屏幕硬拷贝图形方式返回服务器端转| 序运行结果。2 0 0 0 年8 月， n 【公司推出了具有因特网功能的l a b v i e w6 i 版本，使用户可以用由n i 公司阏站免费p 载的 l a b v i e w 播放器插件从浏览器中直接控制服务器端l a b v i e w 程序的运行，并可显示运行的结果 3m v r i c h e l ( v i r t u a lr e a l i t yi nc h e m i c a le n g i n e e r i n gl a b o r a t o r y ) 实验室，由关i 亘m i c h i g a n 人学 4 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 一i ii _ _ _ _ _ 墨皇墨囊嘲麓 化学工程系为配合课程( w h a t i s e n g i n e e r i n g ) ) 的教学而建立的实验目的是引导学生尽快地掌握 实验、问题求解、数据采集和科学分析的方法。o r a n g e 实验教学虚拟实验系统，由柏林人学于1 9 9 6 年研制完成，它由一组支持教学实验的创建、执行和发布的低层服务构成。s t e g a w s k i m a l l s c h a u m a n n r 对基于l a b v i e w 的大学实验系统架构进行了探索，提出了远程测量模型，对基于p x t 的多用户测量系统具有指导意义”“。最近，韩国的s h i nd o n g i l 等开发了一套基丁网络的互动式 虚拟实验室系统，并通过原型系统的学生用户调奔，证实了该系统的高效。 用虚拟仪器建立远程虚拟实验室在我国也得到了一定的研究，如上海复口人学、浙江医科人 学、上海同济大学、上海交通大学、j “州蹙南火学、华中理r 大学、四川联合人学笛已经在实验 室中引入了虚拟仪器系统“+ 8 。 1 4 基于w e b 的虚拟仪器 网络化的出现和发展，正在极人的改变人们生活的箨个方面，具体划计鼙测试技术与仪器 领域：微机化的仪器连网、高档测量仪器设备及测撬信息的地区性、全国性及全球- 陛资源共享， 远程数据采集与测控，远程设备的故障诊断等等。继“计算机就是仪器”和“软料：就是仪器” 的概念之后，“网络就是仪器”的提法也已经出现。 基于w e b 的虚拟仪器，就是把虚拟仪器技术和面向i n t e m e t 的w e b 技术，二者有机结合所产生 的新的虚拟仪器技术”“。以前虚拟仪器的主要：【：作是把传统仪器的前面板移植到普通计算机上， 利用计算机的资源处理相关的测试需求；现在基丁| w e b 的虚拟仪器则是把仪器的前面板移植剑 w e b 页面上，通过w e b 服务器处理相关的测试需求。圈i 1 为虚拟仪器羽i w e b 结合的基本模型，从 图中可以看出现在的测试系统是虚拟仪器与w e b 的结合，他们结合的纽带就是n t e m e t ，网络现在 是无所不容、无所不能。 i n t e m e t 虚j ：c l 仪器虚拨仪船 图11 虚拟仪器和w e b 结台的基本模型 1 5 本课题研究的主要内容 本课题实现以f 功能： 1 步进屯机、直流电机的控制 2 步进电机空载启动与运行特性的测试 3 步进电机带负载启动与运行特性的测试 4 真流电机特性的测试 5 实验的发布与远程浏览、控制 第二章实验系统总体方案设计和硬件选择 电机实验系统是以虚拟仪器技术为核心开拉的电机特性测试实验台，目的是配台有关电机谋 程的教学，使学生掌握电机在不同工况f 所表现出来的特性。 2 1 实验台的构成 电机实验台由以卜儿部分构成( 图2 1 ) 墨2 1 实骂盎台总体构成 1 电机及其驱动器 我们选用了常用的永磁直流电机、混合式步进电机及其相应的驱动器- 2 控制装置 该部分应能够产生所需要的控制信号并且能够模仿实际1 况产生不同的负载包括： 21 计算机 2 2 定时计数卡；p c i - 1 7 8 0 2 3 数据采集昔：p c b | 7 i o h g 3 加载装置及其驱动器 南苑电器设备有限公司生产的f z i - j 型磁粉制动器和相应的功率放火器。 4 测量显示部分 利用转速莆1 转矩传感器、数据采集卡、定时计数卡等硬件配合l a b v i e w 软竹。对不同i 况p 的各种参数进行测量并显示。 2 2 实验台工作原理麓介 原理如图2 2 所示 原理如图2 2 所示 6 中国农业大学硕士学位论文 第二章测控系统总体方案设计和碰件选择 第二章实验系统总体方案设计和硬件选择 电机实验系统是以虚拟仪器技术为核心开发的电机特性测试实验台，目的是配台有关电机课 程的教学，使学生掌握电机在不同1 ：况f 所表现出来的特性。 2 1 实验台的构成 电机实验台由以下几部分构成( 图2 1 ) 图2 1 实验台总体构成 1 电机及其驱动器 我们选用了常用的永磁直流电机、混合式步进电机及其相应的驱动器。 2 控制装置 该部分应能够产生所需要的控制信号，劳且能够模仿实际i 。况产生不同的负载，包括： 2 1 计算机 2 2 定时计数卡：p c i 1 7 8 0 2 3 数据采集卡：p c i 1 7 1 0 h g 3 加载装置及其驱动器 南苑电器设备有限公司生产的f z l j 型磁粉制动器和相应的功率放火器。 4 测量显示部分 利用转速和转矩传感器、数据采集卡、定时计数卡等硬件配合l a b v l e w 软件对不同i 况p 的各种参数进行测量并显示。 2 2 实验台工作原理简介 原理如图2 2 所示 6 圄22 实验鲁工作原理 首先，由l a b v i e w 编程控制定时计数 产生赢流电机所需要的p w m 信号或步进电机所需要 的方波及方向信号( 或模拟信号) ，该信号经过驱动器放大后驱动电机运转，通过改变直流电机 输入的平均电压可以改变直流电机的转速，通过p i d 调节可以对直流电机进行调速；利川改变脉 冲信号周期或频率的方法实现步进电机速度的改变通过改变脉冲数量控制步进电机位置，还可 以通过改变步进电机驱动器方向信号电平的高低实现方向的控制。 其次，利用l a b v i e w 编程通过数据采集昔产生控制信号，进而控制磁粉制动器的无级加载。 再次转矩转速传感器采集到转矩、转速信号分别经过定时计数卡和数据采集每送到计算机 处理、显示。 2 3 实验台各组成部分介绍 2 3 1 电机及其驱动器 选用淄博博山杰瑞微电机有限公司生产的9 0 z y t l 0 5 型永磁直流电动机，它采川铁氧体永 久磁铁激磁，系封闭自冷式。作为小功率离流电动机，可在各种装置中j = i 作驱动元件。它的性 能参数如下： 电压：2 4 v ，功率：2 3 0 w ，最大转速：3 0 0 0 r m i n ，最大电流：1 3 5 a ，转矩：7 3 3 m n m 。 步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制 元件。它由专用电源供给电脉冲，这种电动机的运动形式与普通匀速旋转的电动机有一定的差别， 它是步进式运动的，所以称为步进电机，义冈其绕组上所加的电源楚脉冲电压，有时也称为脉冲 电动机。 选用现有的北京和利时电机技术有限公司生产的5 6 系列混合式步进电机及其s h 一2 0 4 0 3 细分 驱动器。 1 步进电机 5 6 b y g 2 5 0 d - s a s s b l ，0 2 4 1 是两相混合式步进电机，技术数据见f 表 衰2 1 技术数据 旧 步噩；i 角静态相电相电相电感保持转矩 定位转矩窄载启动转动惯量 流( a )阻( n ) 2 ( m a ) ( n m )( n m )频率( k h z )( g e m 。) 209 i 82 4l5 5 417 20 0 7304 6 0 注：表中电机空载启动频率的测试条件为驱动电压4 8 v 1 ) c ：空载启动频率为半步力式 该电机驱动方式是双极恒流。接线如图2 3 所示： a + a - 开+b 。 图23 步进电机接线 2 驱动器 s h 一2 0 4 0 3 是两相混合式细分驱动器，其特点是： 利j j 驱动器面板上的拨码开关可组合实现整步、改善半步、四细分、八细分、十八细分、 三十二细分和六十四细分七种运行模式；利用面板上的拨码开关可输出0 9 a 、1 2 a 、15 a 、 1 8 a 、2 1 a 、2 4 a 、2 7 a 、3 a 八种输出电流：驱动器内部的开关电源设计保证了可以适应较 宽的电压范围，用户可根据各c a 的情况在1 0 v 到4 0 v d c 之间选择：若上位控制机在半秒钟内 没有发出步进脉冲信号，驱动器将c a 动进入节电的半电流运行模式，电机绕组的相电流将减为 设定值的一半，在此状态下电机和驱动器的功耗得以降低，但电机的输出力矩也相应r 降。在 f 一个脉冲到来时驱动器c a 动恢复输出电流额定值：驱动器设计了错相保护电路，j = | 户接错相 时，驱动器不会损坏，但电机运行不正常，主要表现在出力极小。 接线如图2 4 所示： 2 3 2 传感器 图24 驱动器与步进电机接线图 传感器是把非电量变换成电量( 电压、电流) 或电参数( 电阻、电感、电容等) 的器件，它是1 | 电量电测系统的一个核心部分，由它将1 电量变换为电量( 或电参数) 后，输至测鼙电路，再州指 示仪表或数字仪表显示。 传感器是实现自动检测和自动控制的主要环仉应用传感器时，要根据其特性与性能指标选 用。 8 主里垒些茎堂堡士学位论文第_ 二章测控系统总体方案设计和硬件选择 本系统需要测量电机的转矩和转速，选用了北京三承恒微公司生产的转矩转速传! 栅3 s c 一5 0 该传感器属于数字量传感器，其特点有： 1 可同时测量电机转速、扭矩等多个值。 2 信号检测采用了数字化处理技术，输出频率参量，且满足t t l 电平标准，可以直接接入 p c i - 1 7 8 0 的i 0 1 2 1 。且具有精度高、稳定性好、抗干扰强等特点。 3 无须调节零点，操作简单。 外接电源为其提供电流3 0 0 m a ，电压为+ - 1 2 v 的电源( 图2 5 ) 。 2 3 3 数据采集卡 图2 5 传感器航夺插座 实验台对数据的采集与处理应满足以f 儿个条件： 1 采样精度高，数据准确。 2 采样范围宽，能实现不同频率f 的采样。 3 自动处理分析数据，得出分析结果。 4 操作方便，易于控制。 数据采集g - 选用现有的p c i 1 7 i o h g ，这是一个基于p c i 总线的多功能数据采集 ，包括 五个测量和控制功能：1 2 位a d 转换，d a 转换，数字输入，数字输出和定时计数( 剀2 6 ) 。 9 中国农业大学硕士学位论文 第二章铡控系统总体方案设计和硬件选样 一i 墨雹皇童蔓 图26p c i _ 17 1 0 h g 结构框图 1 a d 转换 1 6 路单端输入或8 路双端差分输入模拟通道：模拟信号输入范围可由软件选择：电压输入 范围可选择l o v ，5 v ，i v 。o 5 v ，0 1 v ，o 0 5 v ，0 0 1 v ，00 0 5 v ，0 _ 一1 0 v ， o l v ，o - _ o 1 v 。o _ o 0 1 v ；a d 转换后的数据可以是电压值或者二进制数值：a d 转换时间 8 us ；转换板上带有4 k 的f i f o ：转换分辨率1 2 位：精度：满量程的o 0 1 1 l s b ( 增益为 0 5 ，1 ) ，满量程的o 0 2 i l s b ( 增益为5 ，1 0 ) ，满量程的o 0 4 i l s b ( 增益为5 0 ，1 0 0 ) ，满 量程的o 0 8 i l s b ( 增益为5 0 0 ，l o o o ) ：输入阻抗1 gq 5 p f ；触发方式为软件触发、可编群 同步触发或外部触发：数据传输方式有程序控制和中断方式：采样速率最人1 0 0 k h z 。 2 d a 转换 两路d a 输出通道：输出范围：使f j 内部参考电压：o + 5 v ，o + 1 0 v ；使州外部参考电 压：o x v ( 一l o x 1 0 ) ；输出控制方式为双缓冲方式或直通方式：建立时间为2 6us ：输 出驱动能力3 m a ；输出阻抗o 引q 。 3 数字输入输出 1 6 路数字输入和1 6 路数字输出通道：输入电压低电平时最人o 4 v ，高电平时最小24 v ： 输入负载低电平时最大o 4 v ( 在- o 2 m a 时) 、高电平时最小2 7v ( 在+ 2 0ua 时) ；驱动能力低 电平时最大+ o ，4 v ( 在吸电流8 0 m a 时) ，高电平时最小2 4 v ( 在源电流一o 4 m a 时) 。 4 可编程计数器 3 个1 6 位可编程计数器t 0 、t 1 和t 2 ，其中t o 供用户使用，可以通过软件选择内部时钟 ( 1 0 0 k h z ) 或者接外部时钟( 最大1 m h z ) 。 其连接方式为： 1 0 1 如图2 7 为单端输入，输入通道相对于地，主要用在干扰噪声较低的场合。 测得 电压 2 图2 8 为双端差分输入 测得 电雎 图27 单端输入 被测 f i i 0 v 。被测 竹叶 图28 双端差分输入 _ l j 两个通道共同采集一个信号，通过两个信号之间的差值得到需要的测擎值。这种方式主 要用在噪声高或要求高的场合。 使用l a b v i e w 对p c i 1 7 1 0 h g 编程之前，需要首先安装设备，并进行一些必要的配置。安袈 和配置主要步骤如图2 9 。 中国农业大学硕二匕学位论文 第一章铡控系统总体方案设汁和硬件选掸 薯- i 墨甚啊皇曼赋 【安装d a q 设备硬件 上 i 安装。a q 设备软件 0 配置d a q 设备 上 配置通道 进行l a b v i e w 编程 囤29 安装与配鼍 在a dc h a n n e l sc o n 6 9 u f a t i o n 框的c h a n n e l 栏分别选2 ，3 ，4 ，5 设置成d i 懿r e m i a l 。在d av o l t a g e r e f - c h a n n e l i 选择i n t e r n a l ( p , 3 部参考电压) ，电压栏选0 - 5 v 。如图2 1 0 所示，点击o k ，完成殴置。 图21 0 数据采集卡配置 数据采集卡厂商提供了数据采集专的驱动程序。l a b v i e w 可以利j = j 此驱动科序对采集r 进 行相关操作，例如：启动数据采集卡，关闭数据采集仁，读取某一通道电压值，输出模拟信号 等等，从而实现了数据采集。 2 3 4 定时计数器 数据采集卡只有一个定时计数器对用户开放，不能满足需要，所以我们义选用了p c i 一1 7 8 0 定时计数 。p c i 1 7 8 0 是一款基于p c i 总线的8 路定时计数矗，该 使_ j 了a m 9 5 13 ：毒片， 能够通过c p l d ( 可编程逻辑器件) 实现计数器，定时器功能。此外，该 还提供8 个1 6 位计 数器通道，8 路数字最t t l 输出和8 路数字最t t l 输入，其特点有： 1 p c i 1 7 8 0 有1 2 种可编程的计数器模式，用于提供触发式输出、p w m 输出、周期性中断 输出、延迟输出和测量频率及频宽。 2 用于降低噪声的特殊屏蔽电缆。 中国农业大学硕士学位论文第二章测控系统总体方案设计和硬件选择 p c i 1 0 1 6 8 屏蔽电缆是为p c i 1 7 8 0 专f j 设计的，用来降低噪声。该电缆采州舣绞线，并且 输入信号线和输出信号线是分开屏蔽的。这样能使信号间的交叉干扰降剑鼹小，井使e m i e m c 问题得到了最终的解决。 3 板载地址i d 拨码开关 p c i 1 7 8 0 带有一个d i p 拨码开关，当p c 机箱中安装了多块p c i - 1 7 8 0 板 时，可使_ l j 此开 关来定义每块板卡的i d 地址，此功能在用户使_ i j 多块p c i - 1 7 8 0 板# 构建臼己的系统时极为有 用。如果采集卡的i d 设置正确，用户就可以很方便的在硬件配置和软件编稗过程中区分荆访 问每块卡。 4 即插即用功能 p c i 1 7 8 0 是一个即插即用设备，完全符合p c i 规格r e v 2 2 标准。在安装插 时，h 户不 需要设置任何跳线和d i p 拨码开关。实际上，所有与总线相关的配置，比如基地址、中断，均 由即插即用功能自动完成。 它的应用包括： 事件计数、触发式输出、可编程频率输出、频率测最、脉宽测量、p w m 输出、产生周期 性中断和延时功能等。 具体结构框图如图2 11 - l j l _ 一 严 漆f 1 _ _ _ 嘲攘 l 器旷 0 蝻 r 哪 啦一蘸翌“憎隐 u - 重 l l 圈| 。曼簖 ll些攀隹 图21 1p c i - 1 7 8 0 结构框图 2 3 5 加载装置磁粉制动器及其功率放大器 实验台的加载装置应该满足下列要求： 1 能够可靠地加上规定的实验载荷，且有足够的准确性。 2 能保证实验台在运转过程中，载荷不受外来因索的影响。 中国农业大学硕士学位论文第二章测挖系统总体方案设计和硬件选择 3 需要时应在运转过程中能方便地按一定规律改变实验载荷的数值和方向。 4 加载装置容易安装和调整。 常用的加载装置有机械制动器、电磁测功器和磁粉制动器。其中磁粉制动器是一种性能优 越的自动控制元件，它以磁粉为j 1 ：作介质，以激磁电流为控制手段，达到控制制动或传递转矩 的目的。 它具有以f 特点： 1 激磁电流转矩之间呈良好线性关系，体现了良好的转矩可控制性，通过调协激磁电 流，就能十分方便的控制传递或制动转矩。电流一转矩特性曲线见图2 1 2 。 2 传递或制动转矩仅受激磁电流的控制，而与相对转速及其它因素无关体现了转矩控制 的准确性，犬人提高了控制精度。转速一转矩特性曲线见图2 1 3 。 3 散热结构合理热容量大，允许在连续滑差状态f 长期运行。 4 无响应时间短，转矩时间常数小，响应速度快，结合、分离平稳无冲击、无振动、无噪 音。 5 机械结构紧凑，强度高，磁回路设计合理，漏磁小，不漏电，体积小转矩人，l 作可靠， 性能价格比高，使用寿命长。 6 空转转矩小，开合性能好操作方便，准确。可靠。 本系统采用南苑电器设备有限公司生产的f z l j 型磁粉制动器。其参数如r ： 额定转矩：1 n m ，滑差功率：02 k w ，激磁电流：o _ _ 0 4 a ，许_ l _ j 转速：l5 0 0 r m i n 。 图21 2 电流一转矩特性曲线 图213 转速一转矩特性曲线 磁粉制动器的功率放大器功用：实现输出电流与输入电压信号成正比关系；带电流反馈控 制、短路保护。其原理图如图2 1 4 。 交 接线图如图2 1 5 。 图21 4 磁粉制动器原理图 1 4 磁粉制动器 图21 5 磁粉制动器接线 2 2 0 v 交流输入经过整流滤波变直流电压，控制输入信号通过t l 4 9 4 脉宽调制输出一定频 率的脉冲，这个脉冲信号经放大后推动功率电路，再经过电压变换，输出一定电压值，经过整 流和稳流电路输出恒定电流，为磁粉制动器提供激励电流。 中国农业大学硕士学位论文 第二章测控系统软件设汁 鼍高螬奠量_ i 量量皇皇兰 第三章实验系统软件设计 软件的主要功能设计如表3 1 所示，流程自左向右： 表3 1 电机实验系统的软件功能及流程 电控步进电机 速度 机制 位置 实 方向 验 自动升降速 虚 直流电帆 p w m 拟 p i d 闭环调速 仪 磁粉制动器 器 测量转速 系 转矩 统 数据处数据的表格化 理f | | 线拟台 数据的保存 3 1 虚拟仪器系统的选择 根据i o 接口设备总线类型的不同，虚拟仪器的构成方式可以分为p c - d a q p c i 插仁式虚拟仪 器系统、通用接口总线g p i b 虚拟仪器系统、v x i ( v m ee x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t s ) 总线虚拟仪器系 统和p x i ( p c ie x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t ) 总线虚拟仪器系统。 3 1 1p c - d a q p ci 插卡式虚拟仪器系统 p c i 总线虚拟仪器系统通常也叫做p c d a q 插管式虚拟仪器系统，由传感器、信号调理电 路、数据采集卡、计算机四部分组成( 图3