USB控制伺服电机实验报告

USBUSB0/290/29伺服控制系统课程设计预习报告姓 名：专 业： 电气工程及其自动指导教师：完成日期： 2016.10.30一、课程设计目的1、掌握初步的自动控制系统集成概念和工程动手能力，学会分析和解决实际工作中出现的问题；2、培养学生能够运用现代工程工具和信息技术工具对复杂电气工程问题进行预测和模拟，并理解其局限性。二、课程设计内容及要求综合运用直流电机调速、电力电子与PWM控制、自动控制与PID闭环调节、转速传感器与检测等基本原理与技术知识，在基于计算机的LabVIEW/DAQ测控平台上，完成双直流电机同步伺服控制系统的建立，调整控制参数，设计人机接口，观察实验波形和调速效果，得出实验结论。具体要求包括：1、检索伺服电机控制系统的技术资料，了解其应用现状与发展趋势。2、参阅LabVIEW/DAQ实验平台的官方英文资料，熟悉实验开发系统。3、掌握整个伺服电机实验系统的结构、原理，重点熟悉各环节在整个系统中地位及工作原理。4、掌握LabVIEW/DAQ数据采集、PID控制、PWM驱动器设计方法。5LabVIEW环PWM输出控制。6、独立完成课程设计报告的编写。USBUSBPAGEPAGE27/297、进行课程设计的答辩汇报。三、课程设计实验设备设备名称数量表设备名称数量计算机1台LabVIEW开发软件系统1套NIUSB-6341系列数据采集套件1套直流电机2套H桥驱动电路2套转速编码器2套直流电源1台四、实验设备的使用1、LabVIEW的编程方法简述LabVIEW （ Laboratory Virtual instrument是一种图形化的编程语它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。LabVIEW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它还内置了便于应用TCP/IPActiveX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图形化的程序语言，又称为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程文件，它是一个真正的32位编译器。像许多重要的软件一样，LabVIEW提供了WindowsUNIX、Linux、Macintosh的多种版本。具体来说，它是直观的前面板与流程图式的编程方法的结LabVIEWG的开发环境。流程图式的程序设计与LabVIEW设计虚拟仪器，可以提高效率4～10倍。设计和更新自己的虚拟仪器系统。2、USB-6341的基本规范简述(1)数字I/O/PFI：USB-6341的数字I/O/PFI的各种特[2]如下表表2 数字I/O/PFI的静态特性参考地下拉电阻输入电压保护

配置要求：共24个，8(P0.<0..7>),16(PFI<0..7>/P1,PFI<8..15>/P2)DGND各端子可通过编程独立配置为输入或输出常规50kΩ，最低20kΩ±20V，最多两个引脚表3 端口的波形特性端口0(P0.<0..7>)的特性：端口/采样容量波形生成(DO)FIFO波形采集(DI)FIFO

配置要求：最高8位2,047个采样255个采样表4 DO或DI采样时钟频率PCIe/PXIePCIe/PXIe0MHz～1MHz，取决于系统和总线活动USBUSB0MHz～1MHz，取决于系统和总线活动表5 数据传输要求PCIe/PXIe 分散-收集）I/OUSB数字线滤波器设置

USB信号流、编程控制I/O16010.24μs5.12禁用表6 PFI/端口1/端口2功能功能功能定时输出源时输入、定时输出多个AI、AO、计数器、DI、DO定时信号去抖动滤波设置90ns5.12μs、2.56ms、自低转换；每个输入可独立配置表7 工作条件输入高电压(VIH)输入高电压(VIH)最小值2.2V最大值5.25V输入低电压(VIL)最小值0V最大值0.8V输出高电流(IOH)P0.<0..7>-24mA，最大值PFI<0..15>/P1/P2-16mA，最大值输出低电流(IOL)P0.<0..7>24mA，最大值PFI<0..15>/P1/P216mA，最大值正向阈值(VT+)2.2V，最大值数字I/O特性:反向阈值(VT-)迟滞差值(VT+-VT-)0.8V，最小值0.2V，最小值IIL输入低电流(VIN=0V)-10μA，最大值IIH输入高电流(VIN=5V)250μA，最大值通用计数器:表8 通用计数器计数器/定时器计数器/定时器数量32位分辨率计数器测量

4边沿计数、脉冲、脉冲宽度、半周期、周期、双边沿间隔位置测量 X1、X2、X4正交编码（带复位通道Z）；双脉冲编码采样内部基准时钟

脉冲、动态更新的脉冲序列、频分、等时采样100MHz、20MHz、100kHz外部基准时钟频率

PCIe/USBPXIe

0MHz～25MHz0MHz～25MHz；0MHz～100MH（PXIe_DSTAR<A,B）上基准时钟精度输入输入连线选项

50ppmGateSourceHW_ArmAuxB、ZUp_DownPCIe 任意PFIRTSI内部信号PXIe 任意PFI、PXIe_DSTAR<A,BPXI_TRIG、PXI_STAR、多种内部信号USBUSBFIFOPCIe/PXIe数据传输USB任意PFI号127个采样/计数器各计数器/定时器专用分散-收集DMA控制器、编程控制I/OUSB信号流、编程控制I/O频率发生器:内部要求：通道数

表9 频率发生

数值：1分频数输出连接电流限制:

20MHz、10MHz、100kHz1～1650ppm任意PFI或RTSI接线端警告：对于PCIe，未安装磁盘驱动电源连接器时P0/PFI/P1/P2和+5V端子（连接器0）组合不得超出最大值1AV端子（连接器0）不得超出最大值5V，P0/PFI/P1/P2组合不得超出最大值2A。对于USB，5V端子（连接器0）不5V，P0/PFI/P1/P2组合不得超出最大值2A超出电流限制可能引起设备和/或计算机/机箱不可预期的后果！最大工作电压:最大工作电压指信号电压和共模电压之和。通道对地电压11VMeasurementCategoryIII和中，请勿使用设备进行测量。设备引脚：图1 NIPCIe/PXIe-6341引脚图2 NIUSB-6341螺栓端子引脚图3 NIUSB-6341BNC前面板和螺栓端子引脚3、双路隔离直流电机驱动模块的使用[3]接口定义图4 接口定义控制信号接口5和GND为控制信号电源，如果控制信号为3.3V+5V接3.3V；ENAENB分别为电机接口1和电机接口2的使能信号，可以外接PWM；IN1~IN4为两路电机正反转、制动(或称刹车)控制信号。图5 控制信号接口控制逻辑如表10和表11所示。其中0为低电平、1为高平、×为任意电平，悬空时为高电平。表10 电机接口1控制信号逻辑表11 电机接口2控制信号逻辑使用数字控制引脚控制电机转动接线方法6字控制引脚的电源与驱动板控制信号电源应共地，但不要与电机电源PGND共地。当使用5V接电源+5V；当使用3.3V单片机时，驱动板+5V接电源+3.3V。数字控制引脚和驱动板控制信号可共用一电源或各自（但一定要共地ENA为与单片机的一个GPIO或PWM输出端口相连，当ENA转或刹车有效，如果是PWM信号，那么可对电机进行调速；IN1和IN2与数字控制引脚的两个GPIO见表10。图6 使用单片机控制电机转动接线示意4、增量式输出的霍尔编码器的使用编码器简介：霍尔编码器是一种通过磁电转换将输出轴上的机械几何位移编码器接线说明：图7 电机编码器实物这是一款增量式输出的霍尔编码器。编码器有AB相输出，5V通过ABIO五、课程设计原理分析直流电机的优缺点：直流电机优点：起动和调速性能好，调速范围广平滑，过载能力较强，受电磁干扰影响小；直流电机具有良好的启动特性和调速特性；直流电机的转矩比较大；维修比较便宜；直流电机的直流相对于交流比较节能环保。直流电机缺点：直流电机制造比较贵，有碳刷；与异步电动机比较，直流电动机结构复杂，使用维护不方便，而且要用直流电源；复杂的结构限制了直流电动机体积和重量的进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有害的影响。电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。所以，普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。直流电机的主要应用189419001913世纪80年代后，随着世界经济的发展，电动工具技术得到迅速发展。到新世纪初，世界电动工具1其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。（3）H。所谓H桥驱动电路是为直流电机而设计的一种常见电路，它主要实现直流电机的正反向驱动，其典型电路形式如下：图8 H桥典型电路从图中可以看出，其形状类似于字母“H”，而作为负载的直流电机是“桥一样架在上面的所以称之“H桥驱动4个开关所在位置就称为“桥臂”。 从电路中不难看出，假设开关ADBC42个工作状态：A）刹车——将B、D（或AC）接通，则电机惯性转动产生的电势将被短路，形成阻碍运动的反电势，形成“刹车”作用。B）惰行——4H桥驱动，而实际应用中很少用开关构成桥臂，通常使用晶体管，因为控制更为方便，速度寿命都长于有接点的开关（继电器）。细分下来，晶体管有双极性和MOS（L298）只是将它便、可靠而做成了一块电路。双极性晶体管构成的H桥：图9 双极性晶体管构成的HMOS管构成的H桥：图10 MOS管构成的H桥HTA和TB同时导通，那么电流就会从正（该电流仅受电源性能限制），驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。图11H4242个非门通过提供一种方向输人，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。图11 具有使能控制和方向逻辑的H桥电路采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两个DIR－L0，DIR－R11Q1Q4（12DIR－L而DIR－R0，那么Q2Q3图12 分立元件的H桥驱动电路图PID（1）比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造系统的不稳定。（1）比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造系统的不稳定。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数 Ti，Ti调节输出一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数 Ti，Ti越小，积分作用就越强，反之积分作用就弱，加入积分调节可使律结合，组成PI调节器或PID调节器。越小，积分作用就越强，反之积分作用就弱，加入积分调节可使律结合，组成PI调节器或PID调节器。微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反映的是变PD或PD或PID制器。化率，而当输入没有变化是，微分作用输出为零。微分作用不能PIDTITd的具体数值。系统整定的实质，就是通过改变控制参数使调节器特性和被控过程特性配合好，来改善系统的动态和静态特性，求得最佳的控制效果。系统的良好控制效果一般要求：瞬时响应的衰减率以保证系统具有一定的稳定性储备Td的具体数值。系统整定的实质，就是通过改变控制参数使调节器特性和被控过程特性配合好，来改善系统的动态和静态特性，求得最佳的控制效果。系统的良好控制效果一般要求：瞬时响应的衰减率以保证系统具有一定的稳定性储备尽量减小稳态偏差(余差)、最大偏差和过渡过程时间。工程上得到广泛应用的PID参数整定方法通常有：动态特性参数法、临界比例度法、衰减曲线法、现场实验整定法等。它直接在过程控制系统中进行，其方法简单，计算简便，而且容易掌握.。在实际应用中，将调节器的整定参数按先比例、后积分、统过渡过程曲线。若曲线还不够理想，则改变调节器的δ、TI、Td值，进行反复凑试，以寻求最佳的整定参数，直到控制质量接在过程控制系统中进行，其方法简单，计算简便，而且容易掌握.。在实际应用中，将调节器的整定参数按先比例、后积分、统过渡过程曲线。若曲线还不够理想，则改变调节器的δ、TI、Td值，进行反复凑试，以寻求最佳的整定参数，直到控制质量符合要求为止。控制器设计总体指标可以概括为：稳、准、快，均衡调节以Kp、Ki、Kd较大超调，Ki应选的小一些。在控制中期，系统偏差以减小，但为了不过分影响稳定性，Ki可适当增大一些。在调节过程后期，为减小稳太误差，提高控制精度，Ki可选取更大一些。在较大超调，Ki应选的小一些。在控制中期，系统偏差以减小，但为了不过分影响稳定性，Ki可适当增大一些。在调节过程后期，为减小稳太误差，提高控制精度，Ki可选取更大一些。在控制初期，为尽快消除偏差，提高响应速度，Kp应该取大一些；在控制过程中期，为了防止超调过大造成震荡，Kp要减小些；在控制过程中期，为了防止超调过大造成震荡，Kp要减小些；在控制过程后期，则要克服超调，使系统尽快稳定，Kp值要再在控制过程后期，则要克服超调，使系统尽快稳定，Kp值要再减小一些。纯大滞后系统在控制中，容易产生超调，使系统失稳。其主要原因是：其时滞阶段对误差的积分太大。因此，为了改善纯大滞后系统的相应特性，对积分因子提出了新的要求。其主要原因是：其时滞阶段对误差的积分太大。因此，为了改善纯大滞后系统的相应特性，对积分因子提出了新的要求。直流电机闭环伺服调速控制系统框图转速给定转速给定PWMn控制器驱动器电机装置—转速反馈图13 转速伺服闭环控制系统原理框图六、实验步骤准备1USB-6341的对应关系表1771089IN1端口，计数器3792293器的IN3USB-6341表12板卡引脚与驱动器端子接线表驱动器引脚驱动器引脚板卡引脚驱动器引脚板卡引脚+5V96IN189(PFI12)GND94IN294ENA96IN393(PFI14)ENB96IN494USB-6341390pwmUSB-6341数据采集卡的硬件资源引脚编号如下：表13 USB-6341计数器端子编号计数器/定时信号CTR0SRC默认的引脚编号（名称）81(PFI8)CTR2SRCCTR2GAT(PFI0)(PFIE1)CTR0GATE83(PFI9)CTR2AUX75(PFI2)CTR0AUX85(PFI10)CTR2OUT93(PFI14)CTR0OUT89(PFI12)CTR2A73(PFI0)CTR0A81(PFI8)CTR2Z74(PFICTR0Z83(PFI9)CTR2B1)75(PFI2)CTR0B85(PFI10)CTR3SRC78(PFI5)CTR1SRC76(PFI3)CTR3GATE79(PFI6)CTR