直流无刷电动机研发设计毕业论文.doc

直流无刷电动机研发设计毕业论文目录中文摘要Abstract第一章 绪论11.1 课题的背景及研究意义11.2 直流无刷电机控制系统的研究31.3 PCI总线的应用71.4 课题研究的主要内容91.5 论文的组织结构10第二章 直流无刷电机控制原理112.1 无刷直流电机的结构112.2 无刷直流电机工作原理132.3 无刷直流电机PID调速原理17第三章 系统硬件设计213.1 PCI运动卡控制电机的实现方法213.2 硬件总体设计思想223.3 数据采集卡及接线端子板233.4 直流电机及其驱动器253.4硬件连线示意图27第四章 系统软件设计284.1 软件总体设计思想284.2 图形化编程软件LabVIEW简介294.3 PCI控制卡的各子程序设计304.3.1 转速控制程序304.3.2 转速检测程序364.3.3 PID控制程序404.4 总程序框图41第五章 实验与结论435.1 硬件的安装与测试435.2 软件测试455.2.1 转速控制程序测试455.2.2 转速检测程序测试465.2.3 PID程序测试485.3 结果分析50第六章 总结与展望526.1本文工作总结526.2 研究展望52致 谢54参考文献55附录一 中文翻译57附录二 外文原文67第一章 绪论 1.1 课题的背景及研究意义直流无刷电动机是在直流有刷电动机的基础上发展起来的，这一渊源关系从其名称中就可以看出来。直流有刷电动机从19世纪40年代出现以来，以其优良的转矩控制特性，在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。但是，有机械接触一直是电流电机的一个致命弱点。电刷-换向器存在相对的机械摩擦带来了噪声、火化、无线电干扰以及寿命短等弱点，降低了系统的可靠性，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大限制了它的应用范围。为了取代直流有刷电动机的机械换向装置，人们进行了长期的探索。在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替直流有刷电机的机械电刷，从而诞生了直流无刷电机的基本思想。随后经过了几十年的努力，美国的D.Harrison等于1955年首次申请了用晶体管换相线路代替直流有刷电动机的机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电动机的诞生。无刷直流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步，在无刷直流电动机发展的早期，由于当时大功率开关器件仅处于初级发展阶段，可靠性差，价格昂贵，加上永磁材料和驱动控制技术水平的制约，使得无刷直流电动机自发明以后的一个相当长的时间内，性能都不理想，只能停留在实验室阶段，无法推广使用，1970年以后，随着电力半导体工业的飞速发展，许多新型的全控型半导体功率器件（如GTR、MOSFET、IGBT等）相继问世，加之高磁能积永磁材料（如SmCo、NsFeB）陆续出现，这些均为无刷直流电动机广泛应用奠定了坚实的基础。无刷直流电动机系统因而得到了迅速的发展。在1978年汉诺威贸易博览会上，前联邦德国的MANNESMANN公司正式推出了MAC无刷直流电动机及其驱动器，引起了世界各国的关注，随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流系统的热潮，这也标志着无刷直流电动机走向实用阶段。随着人们对直流无刷电机特性了解的日益深入，直流无刷电机的理论也逐渐得到了完善。1986年，H.R.Bolton对直流无刷电机作了全面系统的总结，指出了直流无刷电机的研究领域，成为直流无刷电机的经典文献，标志着直流无刷电机在理论上走向成熟。我国对直流无刷电机的研究起步较晚。1987年，在北京举办的联邦德国金属加工设备展览会上，SIEMENS和BOSCH两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了国内有关学者的广泛注意，自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。经过多年的努力，目前，国内已有无刷直流电动机的系列产品，形成了一定的生产规模。区别于有刷直流电机，无刷直流电机不使用机械的电刷装置，采用方波自控式永磁同步电机，以霍尔传感器取代碳刷换向器，以钕铁硼作为转子的永磁材料，性能上相较一般的传统直流电机有很大优势，是当今最理想的调速电机。在现今的工业领域中，无刷直流电机应用相当广泛，如航空航天和军事领域的炮兵雷达，自动定位，船舶舵，飞机自动驾驶仪，全自动控制应用等范围；在信息处理设备领域，包括信息输入，存储，加工，输出，传输和其他单元；电子设备中，如微型计算机软盘驱动器，硬盘驱动器，光盘驱动器，复印机，打印机，传真机等；视听设备包括录像机，录音机，摄像机使用，照相机，光碟，DVD等。今天，在各个领域，如医疗器械，纺织，化工，仪器仪表，电脑驱动器及家电的日益广泛应用等诸多方面，促进着国民经济的发展。就像在电脑的硬盘驱动器和软盘驱动器中的主轴电机，录音机中的伺服电机，都使用了大量的直流无刷电机。目前，在英美日德中等几个主要的电机生产国，直流无刷电机年平均增长率保持在102%，全球年总产量约为30亿台左右。随着应用的日益广泛，它的控制性能要求也不断提高，因此直流无刷电机控制系统的研究受到了越来越多研究者的关注。本文也是根据这一现状，着力于直流无刷电机控制系统的开发，展开了研究工作。1.2 直流无刷电机控制系统的研究随着各种微处理器的出现和发展，国外对直流电机数字控制系统的研究也在不断的发展和完善，尤其在80年代在这方面的研究达到空前的繁荣。首先实现了整流器件的更新换代，以晶闸管整流装置取代了使用己久的直流发电机一电动机机组及水银整流装置，使直流电机拖动完成了一次大的飞跃。同时，控制电路己实现高集成化，小型化，高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅度提高，应用范围不断扩大。我国在电机调速系统的水平还远落后于于发达国家，在电机调速的很多装备方面都还不够成熟。全数字化调速系统在国内并没有得到广泛的应用。目前，国内各大专院校、科研单位和厂家也都在开发数字直流调速装置。因此国内调速系统的研究也非常活跃，但很多电机调速的市场还是被国外公司所占据。在国家十五计划中，对电机调速系统方面的研究投入将高达500亿元，所以电机调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。早期，直流电机的控制系统采用模拟分立器件构成，由于模拟器件构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。随着电机运动控制器技术的发展，直流电机控制系统己经广泛使用电机运动控制器，实现了数字化控制，尤其是在无刷直流电机的控制系统当中。数字化调速系统与模拟系统相比具有以下优点。1. 提高了调速性能由于测速采用数字化，能够在很宽的范围内高精度测速，所以扩大了调速范围，提高了速度控制的精度。另一方面，一些模拟电路难以实现的控制规律和控制方法，例如各种最优控制、自适应控制、复合控制等都变得十分容易了，从而使系统的控制性能得到提高。2. 提高了运行的可靠性由于硬件高度集成化，所以零部件数量和触点大大减少；很多功能都是由软件(即程序)来完成的，使硬件得以简化，所以采用运动控制卡控制的电力拖动系统的故障率比模拟系统小。另外，数字电路的抗干扰性能强，不易受温度等外界条件变化的影响，没有工作点的温漂等问题，所以运行的可靠性高。3. 易于维修由于部分电机运动控制器可以与计算机相连，而计算机具有存储、显示、记录等功能，可以对系统的运行状态进行检测、诊断、显示和记录，并对发生故障的时间、性质和原因进行分析和记录，所以维修很方便，维修周期变短。作为数字化电机控制系统的代表，运动控制器是控制技术和运动系统相结合的产物。在现代电子技术的支持下，它通常以微处理器为核心，综合软件编程、运动轨迹设计、控制算法分析、各运动部件的实时驱动等功能，达到总体运动控制效果。在运动控制中，运动控制器还需对具体的运动速度、加速度、位置误差等进行实时监控，并对相关情况等作出反应。专用控制器的使用可把主机的轨迹插补与伺服闭环控制分离开来，减少了主机计算负担，且所有控制参数都可以由程序设定，系统硬件设计简单，位置环容易调整，有利于提高系统可靠性。随着自动化技术的进一步发展，运动控制器（步进、交流、直流）的应用已走出机械加工行业，越来越多地应用于其它工业自动化设备控制。常见的运动控制器控制方案有以下几种：1. 单片机系统采用单片机系统来实现运动控制，成本较低，但开发难度较大，周期长。这种方案适应于产品批量较大、控制系统功能简单、有单片机开发经验的用户。2. 专业运动控制PLC许多品牌的PLC都可选配定位控制模块，有些PLC的CPU单元本身就具有运动控制功能（如松下FP0）。这种方案一般适用于运动过程较简单、运动轨迹固定的设备，如送料系统、自动焊机等。如果需要简单修改少量运动参数，如速度、位移等，可与工业人机界面配合使用。3. PC机和I/O卡用I/O卡通过PC机也可以输出脉冲和方向信号来控制步进或数字式伺服电机，但所发的脉冲只能由软件编程来实现，所以在运动时发脉冲将占用PC机CPU大量的时间；另外，软件发脉冲受到微机定时器的限制，最大脉冲频率一般在100KHz左右，在控制伺服电机时会有速度和精度的矛盾问题；再者，在Windows环境下由于其多任务的机制，若没有深入Windows内核进行底层编程来发脉冲，几乎不可能保证脉冲的均匀性。4. PC机和PCI运动控制卡目前，由于以专用运动控制芯片为代表的高速、高性能专用微处理器的出现和PC机的广泛普及，开放式运动控制器的发展趋势是以专用运动控制芯片作运动控制处理器，以PC机作为信息处理平台，PCI运动控制卡通过PCI插槽嵌入PC机，即“PC机+运动控制卡”的模式。在这种方案中，PCI运动控制卡只需要从微机接收控制命令，然后自己完成与运动有关的控制：发脉冲/方向信号、检测限位/原点等信号，几乎不占用微机CPU时间。这样微机可处理其它控制和检测任务：检测其它状态、处理键盘和显示消息、数据分析和计算等。大多数PCI运动控制卡都提供了Windows环境下的动态链接库DLL，使用非常方便，不仅大大缩短产品研制和开发周期，而且能够实现更完善的运动控制系统。国外广大的科技人员对基于专用运动控制卡的运动控制器进行了深入研究，并取得了较好的成绩，主要研究成果有美国Delta Tau公司、NI（美国国家仪器）和德国MOVTEC公司的各种运动控制卡等。国内针对运动控制卡的研究从近几年开始开展的比较多，但目前没有专门用于开放式体系结构的运动控制器，从现有的文献来看主要是各个高校或科研院所为自己设计的基于PC的数控系统的运动控制卡，并没有形成一种通用的、系列化供应于市场的产品。顺应国内这一研究现状，台湾的研华公司（advantech）一直致力于电机运动控制卡的研究开发，它的PCI总线系列电机控制采集卡是国内研究者使用的最为广泛的一类电机控制卡。本文设计的直流无刷电机控制系统正是基于研华公司生产的PCI-1710运动采集卡，并加入数字PID算法，构成闭环调速系统。就国内的直流电机调速现状而言，本设计研究内容还是具有一定的实用价值的。1.3 PCI总线的应用PC机加运动控制卡的直流无刷电机控制方案离不开PCI总线的使用，PCI运动控制卡需要插入到PC机的PCI插槽才能在PC机上进行相关的编程使用工作。PCI（Peripheral Component Interconnect，外设部件互连标准）是由Intel公司于1991年推出的一种局部总线。它是目前个人电脑中使用最为广泛的接口，几乎所有的主板产品上都带有这种插槽。PCI插槽也是主板带有最多数量的插槽类型，在目前流行的台式机主板上，ATX结构的主板一般带有56个PCI插槽，而小一点的MATX主板也都带有23个PCI插槽，可见其应用的广泛性。从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，并能在高时钟频率下保持高性能，它为显卡、声卡、网卡、MODEM等设备提供了连接接口，它的数据宽度为32bit/64bit，工作频率为33MHz/66MHz，目前常用的是32bit&33MHz。 PCI总线能从1991年沿用到现在，说明它有许多优点，比如即插即用(Plug and Play）、中断共享等。所谓即插即用，是指当板卡插入系统时，系统会自动对板卡所需资源进行分配，如基地址、中断号等，并自动寻找相应的驱动程序。而不像旧的ISA（Industry Standard Architecture，工业标准体系结构）板卡，需要进行复杂的手动配置。同时，PCI板卡的硬件资源则是由微机根据其各自的要求统一分配，决不会有任何的冲突问题，它解决了在同一台微机上使用多个不同厂家、不同型号的板卡时，板卡之间可能会有硬件资源上的冲突，以及板卡所占用的硬件资源可能会与系统硬件资源（如声卡、网卡等）相冲突的问题PCI总线系统体系结构如下图1.1，PCI运动控制卡插入PCI总线即可使用。图1.1 PCI总线系统体系机构1.4 课题研究的主要内容本次课题设计过程中，主要进行了硬件连线测试和软件编程开发，主要涉及到了如下的内容：1. 研究直流无刷电机的调速原理。本次设计是针对直流无刷电机的转速控制，因此了解直流电机调速的原理是设计的基础环节。2. 研究硬件设备的相关参数和特性。在开发电机调速程序之前，需要对硬件设备的相关参数和特性进行深入的了解。对于本课题，需要对PCI接口芯片PCI-1710的相关特性进行深入的了解，如配置空间、数据空间、传输方式、中断方式等等。3. 掌握在LabVIEW调用硬件配套DLL动态链接库的方法以及后续的软件开发流程，学会编程调用DLL能够使程序实现模块化，使得程序简化，编程变得更加容易。1.5 论文的组织结构本文围绕作者的研究开发工作，按照系统预期的设计目标和关键技术难点进行了如下章节安排：第一章 绪论，介绍了该课题的研究背景与现状，阐明了直流电机控制系统的研究意义，对直流电机控制方案进行了概述，最后对本课题的内容进行了概括。第二章 主要介绍了直流无刷电机的调速原理，PID控制原理。第三章 介绍了，PCI运动控制卡编程方法直流无刷电机控制系统的硬件平台，该系统的硬件由计算机，数字采集卡，电机驱动器及无刷直流电机组成，分别介绍了各组成部分的功能和实现过程。第四章 直流无刷电机控制系统的软件编程设计，介绍了电机调速系统的软件平台，该软件平台使用LabVIEW进行编程，调用PCI-1710的32-bit动态链接库DLL，本章详细介绍了速度控制、检测以及PID算法三个子VI的功能，整体框图结构以及模拟过程。第五章 直流无刷电机控制系统的实验和调试，给出了简单的调试过程和测试过程，并根据实验结果总结了PCI-1710板卡控制电机的总体性能和应用范围。第六章 论文的总结与展望，叙述了本次课题中收获与不足，并结合当前的研究成果提出了下一步意见。第二章 直流无刷电机控制原理2.1 无刷直流电机的结构永磁直流无刷电动机按控制电路分有桥式和非桥式两种，按电机绕组结构来分有星形和三角型两种方式。桥式星形接法的电机有转矩脉动小，输出转矩大等特点。本论文的样机即采用三相桥式星形结构的电机，下面就以此类电机为例来说明永磁无刷直流电机的工作原理。与有刷直流电机具备的旋转的电枢和固定的磁场相反，无刷直流电机具有旋转的磁场和固定的电枢，所以无刷直流电动机不需要像有刷直流电机一样必须使用电刷与换向器来使电机旋转。图2.1是无刷直流电机的组成框图。图2.1 无刷直流电机的组成框图电机本体的主要部件有定子（A、B、C三相或者U、V、W三相）和转子。定子部分最重要的部件是电子的绕组，当电机接上电源后，电流流入绕组，产生磁动势，后者与转子产生的励磁磁场相互作用而产生电功率，并通过转子输出一定的机械功率从而实现了将电能转换为机械能这个过程。电机的转子是产生励磁磁场的部件，由三部分组成：永磁体、导磁体和支撑零部件。永磁体和导磁体是产生磁场的核心，由永磁材料和导磁材料组成。无刷直流电机要旋转，除了电机本体外，还需要转子位置传感器和电子换相电路的共同配合。转子位置传感器的作用是检测转子磁极的位置，并将位置信号提供给电子换相电路，为其正确驱动电子换相电路提供依据。电子换相电路的任务是将位置传感器的输出信号进行解调、预放大、功率放大，然后去触发末级功率晶体管，使电枢绕组按一定的逻辑程序通电，保证电机的可靠运行。在实际控制中，电子换相电路的功能是由直流无刷驱动器来完成的。2.2 无刷直流电机工作原理由于无刷直流电机机械特性方程同一般有刷直流电机机械特性方程在形式上完全一致。所以无刷直流电机的调速方式也和有刷直流电机的调速方法相似。有刷直流电机调速方法包括：改变电机主磁通调速；改变电枢回路电阻调速；调节电枢端电压调速。由于无刷直流电机通过永久磁铁励磁，所以只能通过改变电枢回路电阻或调节电枢端电压的方法来进行调速。最常用的是调节电枢端电压调速，从额定电压往下降低电枢电压，从电机额定转速向下变速，属于恒转矩调速方法。这种可以获得与电动机的固有机械特性相平行的人为机械特性，调速方向是基速以下只要输出的电压是连续可调的，即可实现电动机的无级平滑调速，而且低速运行时的机械特性基本上保持不变，所以得到的调速范围可以达到很宽，而且可以实现电动机的正反转。直流无刷电机的工作过程是电机本体、转子位置传感器和电子换向电路三者协同工作的过程。直流无刷电机的工作原理图如图2.2所示：直流电源电子换相电路电机本体输出位置传感器图2.2 无刷直流电机工作原理框图在直流无刷电机中，借助反映主转子位置的位置传感器器的输出信号，通过电子换相电路去驱动与电枢绕组连接的相应的功率开关器件，使电枢绕组依次通电，从而在定子上产生跳跃式的旋转磁场，驱动永磁转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断送出信号，然后通过控制器对这些信号的判断，不断送出驱动信号控制相应的功率器件开关，以改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变，这就是无刷直流电机的无接触式换相过程。无刷直流电机的电枢绕组的联结方式基本上有星形绕组和角形绕组两类，直流无刷电机中一般采用星形绕组。星形联结方式是把所有绕组的首端或尾端接在一起，与它们相配合的电子换相电路为桥式联结，也可以为非桥式联结，图2.3中A、B、C相绕组即为三相桥式星形联结。图2.3 三相桥式星形联结示意图现以三相桥式星形联结方式来介绍一下无刷直流电机的工作过程。无刷直流电动机的位置一般采用三个在空间上相隔120电角度的霍尔位置传感器进行检测，当位于霍尔传感器位置处的磁场极性发生变化时，传感器的输出电平将发生改变。无刷直流电机的转动离不开电子换相电路的支持。当电机内部的霍尔传感器感知出一个信号后，电子换相电路及时获取这个信号，并且很快地根据这个信号来正确判断输出与其相应的驱动信号。每一瞬间只有两个功率管导通，每隔60换相一次，每次换相一个功率管，桥臂之间左右换相，每个功率管导通120。各功率管的导通顺序是T1T2T2T3T3T4T4T5T5T6T6T1T1T2。只有电子换相电路实时跟进电机内部霍尔传感器捕获的信号并输出换流信号，电机才能正常运转。表2-1是无刷电动机正转直流通电控制方式开关切换表。表2-1 无刷电动机正转直流通电控制方式开关切换表位置传感器逆变桥开关管驱动信号H1H2H3T1T2T3T4T5T6101100001100110000110011000010001100011000110001000011直流无刷电动机的机械特性为： （2-1）式中：为开关器件的管压降；为电枢电流； 为电机的电动势常数；为每级磁通量；为电源电压；为电枢回路总电阻；为电磁转矩；为转矩常数。无刷直流电机的调节特性如图2.4所示。图2.4 无刷直流电机调节特性由于采用调节电枢端电压调速，属于恒定转矩调速，当转矩Te恒定时，式中只有一个变量，也就是通过改变输入电压来改变电枢绕组上的电压来控制转速。因此通过运动控制卡输入设定电压来调节电枢绕组电压，由直流无刷驱动器输出功率管开关信号和检测霍尔信号，能够达到控制转速的目的。同时直流无刷驱动器中的处理器也能将霍尔传感器的信号处理，并输出脉冲信号，脉冲信号的频率即对应一定的转速，计算公式如式2-2。 （2-2）式中： 为检测脉冲信号频率（Hz）； 为极对数； 为电机转速（r/min）。2.3直流无刷电机PID调速原理对直流电动机转速的控制即可采用开环控制，也可采用闭环控制。与开环控制相比，速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比，其性能大大提高；理想空载转速相同时，闭环系统的静差率(额定负载时电动机转速降落与理想空载转速之比)要小得多；当要求的静差率相同时，闭环调速系统的调速范围可以大大提高。因此使用闭环PID调节直流无刷电机的转速能使得电机控制系统更加精确。电机的PID控制分为位置式PID控制和增量式PID控制。由于位置式PID采用全量输出，输出的是执行机构的实际位置，每次输出均与过去状态有关，计算时要对偏差进行累加，工作计算量大，并且一旦数据处理计算芯片出现问题，将会使输出大幅波动，从而造成执行机构大幅波动。而增量式PID每次只输出控制量的增量，所以本文采用增量式PID控制。增量式PID算法公示如下所示： （2-3）式中： 为比例系数；积分系数；积分系数 （2-4）所以由增量式控制算法来计算输出的公式为： (2-5)式中，为第k-1次的全量输出，为第k次的增量输出。直流无刷电机的数字PID调速分为又单闭环调速系统和双闭环调速系统，单闭环调速系统原理更为简单，实现起来更加方便，因此本文选择了单闭环直流调速系统来进行电机转速的PID调节,以转速为变量来进行调节。如图2.5为单闭环PID直流无刷电机调速系统调速原理图。图2.5 单闭环PID直流无刷电机调速系统调速原理图单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。无刷电机运行时，检测到的转速 经过负反馈，与给定转速相减得到转速偏差， 经过增量式PID程序的调节，产生所需电压调节信号，再与给定电压相加得到实时控制电压，该电压即是PCI-1710是技术输出给ZD-7204的控制电压。为了便于理解，上述转速下降时转速调节的过程可以简单表示如下：PID控制调节器是对信号进行比例积分微分校正运算的装置。比例调节对干扰有及时而有力的抑制作用；积分调节的作用是消除静态误差；微分调节主要用来加快系统的动作速度，减少超调，克服振荡。选用合适的PID参数，可以使电机调速系统快速稳定的调节转速。如何选择控制算法的参数，要根据具体过程的要求来考虑。一般来说，要求被控过程是稳定的，能迅速和准确地跟踪给定值的变化，超调量小，在不同干扰下系统输出应能保持在给定值，操作变量不宜过大，在系统和环境参数发生变化时控制应保持稳定。PID调节器的参数整定方法有很多，但可归结为理论计算法和工程整定法两种。用理论计算法设计调节器的前提是能获得被控对象准确的数学模型，这在工业过程中一般较难做到。因此，实际用得较多的还是工程整定法。这种方法最大优点就是整定参数时不依赖对象的数学模型，简单易行。当然，这是一种近似的方法，有时可能略嫌粗糙，但相当适用，可解决一般实际问题。试凑法是工程整定法的一种整定方法，通过不断的试凑参数来寻找调节效果较好的PID参数，参考测量值跟踪与设定值曲线，来调整P、I、D三者参数的大小的，具体操作可按以下口诀进行：参数整定找最佳，从小到大顺序查；先是比例后积分，最后再把微分加；曲线振荡很频繁，比例度盘要放大；曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳；曲线偏离回复慢，积分时间往下降；曲线波动周期长，积分时间再加长；曲线振荡频率快，先把微分降下来；动差大来波动慢，微分时间应加长。下面以PID调节器为例，具体说明试凑法的整定步骤：让调节器参数积分系数=0，实际微分系数=0，控制系统投入闭环运行，由小到大改变比例系数，让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获得满意的控制过程为止。取比例系数为当前的值乘以0.83，由小到大增加积分系数，同样让扰动信号作阶跃变化，直至求得满意的控制过程。积分系数保持不变，改变比例系数，观察控制过程有无改善，如有改善则继续调整，直到满意为止。否则，将原比例系数增大一些，再调整积分系数，力求改善控制过程。如此反复试凑，直到找到满意的比例系数和积分系数为止。引入适当的实际微分系数和实际微分时间，此时可适当增大比例系数和积分系数。和前述步骤相同，微分时间的整定也需反复调整，直到控制过程满意为止。表2-2为PID各参数影响效果。表2-2 PID各参数影响效果Effects of(on) 上升时间超调量调节时间稳态误差稳定性 Kp Ki Kd第三章 系统硬件设计3.1 PCI运动卡控制电机的实现方法本次设计采用实物连线软件控制的方法，以直流电动机为核心，通过PCI串口实现对电动机的闭环控制。PC机和PCI-1710板卡作为上位机，通过直流无刷驱动器连接到电机，并通过LabVIEW界面对转速进行实时监控调节。如图2.6所示。图2.6 基于PCI运动卡的电机控制系统结构框图首先向PC机输入转速信号，在LabVIEW中通过直流电机的数学模型计算得到直流电机的控制电压，采用控制卡控制直流电机。同时采集卡采集电动机的转速信号，并反馈给计算机，与理论的控制转速比较得到转速差，通过LabVIEW中的数字PID程序进行转速调节，从而形成闭环控制，使得实时转速更加接近于理论转速，达到转速调节的效果。3.2 硬件总体设计思想本次设计所用硬件包括计算机（带 PCI 插槽），数据采集卡及相应的DIN导轨安装的接线端子，直流电机驱动器，无刷直流电机。其中，在计算机上使用LabVIEW编程为核心进行运算，控制以及检测结果显示；利用采集卡的模拟输出功能输出电压信号到电机驱动器，电机驱动器会将检测到的电机转速信号以脉冲的方式反馈给采集卡；PCI数据采集卡用来将采集到的电机转速信号传送至计算机，并进行PID调节，电机驱动器及电机作为最终执行机构。硬件总体连接示意图如图3.1。图3.1 硬件总体连接示意图3.3 数据采集卡及接线端子板数据采集卡采用研华科技生产的 PCI-1710，是一款基于 PCI 总线的多功能数据采集卡。其先进的电路设计使得它具有更高的质量和更多的功能。这其中包括五种最常用的测量和控制功能：12 位A/D转换，D/A转换，数字量输入，数字量输出及计数器/定时。它的主要特点是： 1. 16路单端或 8 路差分模拟量输入， 或组合方式输入； 2. 12位 A/D 转换器， 采样数率可达 100KHz； 3. 每个通道的增益可编程； 4. 单端或差分输入自由组合； 5. 卡上 4K 采样 FIFO 缓冲器； 6. 2 路 12 位模拟量输出； 7. 16 路数字量输入及 16 路数字量输出； 8. 可编程触发器/定时器； 9. 板卡 ID 10. PCI 总线数据传输本次设计主要用到其12位模拟输出和单端模拟量输入功能。采集卡如图3.2。 图3.2 研华PCI-1710多功能数据采集卡接线端子采用研华生产的与该采集卡配套使用的ADAM-3968-AE 型DIN导轨安装的68脚SCSI-II接线端子，这样 PCL-1710 的 68 个针脚和 ADAM-3968 的 68 个接线端子一一对应，可通过将输入信号连接到接线端子来测试PCI-1710 管脚。如图3.3所示。图3.3 研华ADAM-3968-AE型68脚接线端子模拟量输出电路：PCI-1710有两个 D/A 转换通道，AO0-OUT、AO1-OUT，可以使用内部提供的-5V/-10V的基准电压产生 0到+5/+10 的模拟量输出。电机的控制电压是05V，所以本文采用内部参考电压是-5V则采集卡输出0V 到+5V的输出电压。两个D/A转换通道分别用于转速调节和转向调节。模拟量输入连接：PCI-1710提供 16 路模拟量输入通道AI0AI15，当测量一个单端信号时，只需一根导线将信号连接到输入端口，被测的输入电压以公共地为参考。 PCI-1710模拟量输入/输出连线示意图如图3.4示。 图3.4 PCI-1710模拟量输入/输出连线示意图3.4 直流电机及其驱动器根据实验条件下的实际情况，电动机采用80BL165-3130无刷直流电机，其基本数据如表3-1所示。表3-1 80BL165-3130无刷直流电机特性表型号额定电压VDC额定功率W额定转速rpm额定扭矩NM轴距mm机身长mm极数80BL165-313031075024002.5141654电机驱动器采用ZD-7204通用无刷电机驱动器，如图3.6所示，它采用国际最新电机专用数字处理器DSP 为核心配以高速度数字逻辑芯片高品质功率模块，组成具有集成度高、体积小、保护完善、接线简洁明了、可靠性高等一系列优点。该驱动器可提供：操作面板速度设定，外部模拟电压调速、外部电位器调速，脉宽调速等功能。采用高速核心控制部件控制，具有操作安全（控制部件和功率部件全隔离）、调速方式灵活多样、转速即时显示、保护功能齐全、功率部件提供硬件保护等特点。本次设计用到该驱动器的转速输出及外部电压调速功能，转速输出的信号接采集卡的模拟输入端。图3.5 ZD-7204型直流电机驱动器通过ZD-7204上的无刷电机绕组ABC相MA、MB、MC连接到无刷电机的定子端，进行转速的控制，通过霍尔传感器ABC相检测端HA、HB、HC连接到无刷电机的霍尔传感器检测端口，即可进行转速信号的检测。同时也提供了外部输入电压控制转速和转向功能，分别将电压信号连至SV端和F/R端即可。公共端COM相当于地端。3.4硬件连线示意图硬件接线示意图如图3.6所示。数据采集卡插在计算机的PCI插槽里，AO0_OUT连接至驱动器的SV端，用以输出电压信号，AO1_OUT连接至F/R端用以控制正反转。AI13采集口连至驱动器PG端，用来检测脉冲信号。通过驱动器上的MA、MB、MC连接到无刷电机的定子A、B、C三相，进行转速的控制，通过HA、HB、HC连接到无刷电机的霍尔传感器检测端口，即可进行转速信号的检测。图3.6 硬件接线示意图第四章 系统软件设计4.1 软件总体设计思想软件设计以LabVIEW为工具，程序主要分为三部分的内容：转速控制、转速检测以及PID。在转速控制程序中输入设定转速，通过采集卡的模拟输出功能输出控制电压信号到电机驱动器，驱动电机旋转，用霍尔传感器检测电机转速脉冲，并通过采集卡将接收的转速脉冲信号发送给计算机，由转速检测程序处理得到转速信号，通过PID程序进行转速调节并实时显示结果，使直流电机达到最佳转速。编程方面，研华提供了PCI-1710的动态链接库DLL，并已经在LabVIEW程序中将DLL封装成各个子VI，功能齐全，极大地方便了编程者的调用。图4.1为软件总体设计框图。图4.1 软件总体设计框图4.2 图形化编程软件LabVIEW简介LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是由美国国家仪器（NI）公司研制开发的一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，被公认为是标准的数据采集和仪器控制软件。它采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器，是 LabVIEW的程序模块。LabVIEW提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。目前它已经广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。它集成了与满足 GPIB、VXI、RS-232和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能，同时还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。LabVIEW 程序称为虚拟仪器或简称为VI，每个VI都由前面板和框图程序以及图标连接端口3部分组成。LabVIEW不同于基于文本的编程语言(如Fortran和C)，它是一种图形编程语言通常称为G编程语言，用它编程时，基本上不需要编写程序代码，而是“绘制”程序流程图，可以说是其编程过程就是通过图形符号描述程序的行为。LabVIEW 使用的是科学家和工程师们所熟悉的术语，还使用了易于识别的构造G语言的图形符号。即使具有很少编程经验的人也能学会使用LabVIEW，并能够发现和了解一些有用的基本编程原则。LabVIEW是工程人员开发虚拟仪器常用的一种软件工具。它有很多特点和优点：LabVIEW不仅提供了与遵从GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能，还内置了支持TCPIP，ActiveX等软件标准的库函数，而且其图形化的编程界面使编程过程变得生动有趣。另外，LabVIEW是真正的32位编译器；提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，如DLL(动态连接库)和DDE(共享库)等。程序前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，用于模拟真实仪器仪表的面板，功能类似于传统仪器的前面板。虚拟仪器前面板控件和传统仪器面板上的旋钮、开关、按钮等在功能和外观上极为相似，甚至有时基本相同。每一个程序前面板都有一段框图程序与其对应。框图程序由端口、节点、图框和连线构成。其中端口被用来同程序前面板的控制和显示传递数据，节点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数据流动方向。用LabVIEW 图形编程语言进行程序设计，其过程与设计传统仪器思路过程基本一致。框图程序提供VI的图形化源程序，用LabVIEW图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码，但避免了用传统的文本语言进行编程时，从设计编程流程图再到程序编写等的繁琐过程。程序框图就相当于传统仪器与前面板相联系的硬件电路。4.3 PCI控制卡的各子程序设计4.3.1 转速控制程序转速控制程序主要完成对转速控制的输出，电压信号直接由PCI-1710输出到驱动器即可进行调速。这一模块主要用到1个低级I/O Vis：SelectDevicePop，供用户选择安装的设备列表，同时输出设备编号（Devnum）选择的设备，和连接的子设备的数量（Subdevcnts）。还有3个高级I/O Vis：DeviceOpen、DeviceClose、AOVoltageOut。其中DeviceOpeni和DeviceClose类似于设备管理器，用来执行基本的设备操作；AOVoltageOut为模拟输出的调用设备函数，输入数值即可改变一个模拟输出通道（AO0_OUT或者AO1_OUT）的输出电压状态。转速控制程序流程图如图4.2所示。图4.2 转速控制程序流程图（1）DeviceOpen子程序如图4.3所示。图4.3 DeviceOpen的程序结构及编程连接示意图DeviceOpen.vi为设备打开函数，功能是从注册文件或者配置文件中得到合适的使设备工作的参数，同时分配内存来存储这些参数，使设备做好IO操作的准备工作，这个函数必须在调用其他函数调用前调用。其中，DevNum为设备号接口，其数值为在设备管理器中已安装驱动的设备列表里的列出的序列号，这里取0。DriverHandle为设备是由研华设备管理器指定的设备的驱动模块。Error out为系统出现错误时的输出。（2）DeviceClose子程序如图4.4所示。图4.4 DeviceClose的程序结构及编程连接示意图DeviceClose.vi为设备关闭函数，功能是释放由设备打开函数分配的参数值以及关闭打开的采集卡PCI-1710。其各个接口的定义与DeviceOpen.vi相同（3）AOVoltageOut子程序如图4.5所示。图4.5 AOVoltageOUT的程序结构和编程连接示意图其中channel为所选输出通道，为采集卡输出端子板上与电机驱动器电压输入端相连的通道，本次设计采用0号通道AO0_OUT，故设置为0；Voltage为模拟输出电压值设定，输入一定的电压值对应着一定的转速。DriverHandle是打开装置的代码，各个子VI的DriverHandle相连。转速控制程序的前面板和程序框图分别如图4.6和4.7所示。图4.6 转速控制程序前面板图4.7 转速控制程序框图4.3.2 转速检测程序 转速检测程序主要完成对电机转速信号的测量，驱动器会将电机的霍尔信号转换为脉冲信号，在LabVIEW中需要测量出这个脉冲信号并转换为转速信号。这一模块除了用到3个通用的VIs：SelectDevicePop、DeviceOpen和DeviceClose外，还用到3个低级I/O Vis：SingleChannelINTSetup、BufferChangeHandler和OverrunHandler。以及5个高级I/O Vis：EnableEvent、WaitFastAIOEvent、AllocDSPBuf、FAIStop和FreeINTBuf。转速检测程序流程图如图4.8所示。图4.8 转速检测程序流程图（1）SingleChannelINTSetup子程序如图4.9所示。图4.9 SingleChannelINTSetup的程序结构和编程连接示意图SingleChannelINTSetup主要功能是启动单通道FAI（Fast Analog Input，快速模拟输入），并设置信号采集相关参数。通过FAIINTStart数据端设置内/外触发源，采样率（SampleRate），采集通道，增益（本次设计中电压幅值+/-5V，故设置为0），是/否循环等参数。（2）AllocDSPBuf子程序如图4.10所示。图4.10 AllocDSPBuf VI的程序结构和编程连接示意图AllocDSPBuf作为缓冲区用于储存脉冲信号相关数据，它的信号输出端DisplayBuffer包含了显示缓冲区的信息，其中主要包括了采集转速脉冲的电压幅值和脉冲频率。（3）WaitFastAIOEvent子程序如图4.11所示图4.11 WaitFastAIOEvent的程序结构和编程连接示意图 WaitFastAIOEvent用于处理FAIO（快速模拟输入/输出）中的事件信号，包括缓冲区的变化，缓冲区不足，或者是采集终止等情况。当模拟量输入的缓冲区数据准备好是，AI BufferReady会输出“1”的信号，进行下一步的信号传输。当模拟输入终止时，AI Terminated输出“TRUE”的信号，该端连至采集循环的循环开关，用于控制连续采集的进行或终止。（4）BufferChangeHandler子程序如图4.12所示。图4.12 BufferChangeHandler 的程序结构和编程连接示意图BufferChangeHandler用于处理从采样缓冲相对于用户缓冲区数据发生变化时的情况。当BufferChange端接收到WaitFastAIOEvent的AI BufferReady信号，DisplayBuffer端就会继续传输脉冲信号的相关数据到脉冲信号处理单元，进行脉冲的分析和转速显示。转速控制程序的前面板和程序框图分别如图4.13和4.14所示。图4.13 转速检测程序前面板图4.14 转速检测程序框图4.3.3 PID控制程序PID控制程序完成对控制转速和检测转速信号的比较并进行PID调节。美国国家仪器公司（简称NI）提供了在LabVIEW中使用的PID控制工具包，可帮助工程师结合NI数据采集设备快速有效地搭建一个数字PID控制器，精确可靠地完成系统需求。它提供了PID.vi、PID Advanced.vi等10个PID功能Vis。本文使用了稍简易的PID.vi，它的VI连接示意图如图4.15所示。图4.15 PID.vi连接示意图通过setpoint输入转速设定值，process variable输入检测转速值，在PID gains输入PID调节的比例、积分、微分参数，通过output输出PID调节值，经过放大后与设定值相加作为转速输出值，即可达到调节效果。理论误差为1r/min。4.4 总程序框图 将3个子程序整理合并之后得到本文设计的基于PCI控制卡的直流无刷电机控制系统总程序。总程序前面板及框图分别如图4.16和图4.17所示。图4.16 直流无刷电机控制系统程序前面板图4.17 直流无刷电机控制系统程序框图第五章 实验与结论5.1 硬件的安装与测试首先研华提供的驱动光盘插入计算机，安装板卡的驱动程序及配置软件（DevMgr），然后关机。将PCI-1710板卡插入计算机的PCI插槽，打开计算机，在“设备管理器”中将看到如图5.1