【《电机转速信号分析系统设计》13000字】

电机转速信号分析系统设计摘要随着我国科技技术的飞速发展，自动化工业成为了我国工业体系的主导。自动化电机成为了其中不可或缺的重要组成部分。使用测量仪器测量电机的运转状态，对电机进行实时的运转信号分析，能够提高电机维护的效率，降低故障发生的可能性，具有十分重要的意义。由于近年来虚拟仪器的日渐完善，虚拟仪器渐渐代替了传统仪表对各类设备进行测量，为此提供了一个重要的测量平台。本次设计使用了LabVIEW作为测量平台，NIELVISIII作为信号采集器，使用光电传感器与磁电传感器对电机进行测量、频谱分析，以及测量出数据的曲线拟合。论文主要做了如下工作：首先介绍了数种转速测量的方法，各种常用传感器的原理与应用，虚拟仪器与LabVIEW的概述与NIELVISIII的主要性能参数。其次使用LabVIEW编写程序，将采集到的信号进行滤波、显示与频谱分析，得出转速。接着分析得到的各种信号波形图产生的原因，以及频谱信号分析。最后对测量数据进行曲线拟合，得出曲线吻合度，并分析误差原因。关键词：信号分析；转速测量；频谱分析；虚拟仪器目录第一章绪论 11.1选题发展背景 11.2转速信号分析在经济市场中的作用 11.3选题的目的、意义 11.4课题主要研究内容 2第二章系统硬件设计 32.1方案论证 32.2转速信号测量方法 32.3选用转速传感器概述 42.3.1光电式转速传感器概述 42.3.2磁电式转速传感器概述 52.4硬件连接 52.5NIELVISIII简介与主要参数 6第三章系统软件设计 83.1软件选用 83.1.1虚拟仪器概述 83.1.2LabVIEW介绍 93.2软件设计流程 103.3程序后面板设计 113.3.1信号输入部分 113.3.2滤波部分 123.3.3频率信号得出以及频谱测量部分 133.3.4完整程序框图 163.4程序前面板设计 173.4.1运行程序 18第四章转速信号测量分析 194.1转速波形分析 194.1.1光电信号转速波形分析 194.1.2磁电信号的转速波形分析 204.2频谱信号分析 214.2.1光电传感器频谱信号分析 224.2.2磁电传感器频谱信号分析 234.3对比分析 24第五章转速信号曲线拟合 255.1转速频率与输入电压之间的函数关系 255.2曲线拟合 255.2.1使用LabVIEW进行拟合： 255.2.2使用Matlab进行曲线拟合 275.3测量误差的分析 28第六章总结与展望 296.1总结 296.2展望 29参考文献 31第一章绪论1.1选题发展背景电机，是一个运用电能的机器。在电机中的各个部件发生的电磁反应，将电能转化为其它我们需要使用的机械能。电机在全球自动化工业市场上占据着举足轻重的地位，广泛用于各大自动化领域。如今，电机产业已经发展到了一个成熟的阶段，现阶段本世代的电机拥有更高的可靠性、更好的耐用性与兼容性。在外观与使用感受上，新世代的电机减轻了重量，杂音更少，观感上也更加美观。电机的运行效率不断提高。这样一来，如何更好地检测、控制电机的转速，进而对整个工业设备进行较好的控制成为了问题的关键。那么，有数字直观显示的转速信号分析系统成为了电机转速测量的关键所在。目前国内外公司有许多不同进行电机测速的方法，测速方式基于不同的理论方法，有模拟测速法、同步测速法（机械或闪光频闪测速）、计量测速法。电磁电容式的测速法和与电机内特殊放射性材质反应来放出脉冲信号的测速方法也十分常见。光电式传感器是小型电机运用最广的测速工具。光电式测速系统最有优势的便是其惯性低、噪声低、分辨率较高与精度较高。以及光栅、CCD、光导纤维等技术的出现与应用，使光电传感器在电机测控领域得到广泛的应用，其电机转速测量系统的准确性强、采样快、测量电机转速范围广等种种优点，使得光电传感器在测控方面有着广阔的应用前景。1.2转速信号分析在经济市场中的作用转速信号分析在自动化工业、科学技术、家用电器等各个领域都有应用，分布十分广泛。它往往可以成为电器或控制系统中必不可少的核心部件，被测参数在不同的实际应用中有不同的含义，在经济市场中，速度信号分析的应用仍然非常重要，特别是在下列情况下：目前，工业和社会上广泛应用的直流发动机具有良好的起动和制动性能，能够在一定范围内平稳地调速，因此能够在大型场合中得到广泛的应用，随着自动化和控制技术的发展，交流转速分析系统越来越完善，其成本高、控制技术复杂，很难在短时间内取代直流发动机。综上所述，转速信号分析系统具有广泛且良好的应用前景，可以便捷地应用于自动化、交通运输、矿业等电力系统。1.3选题的目的、意义电机转速是自动化工程中运用十分广泛的参数，有多种测量方式，模拟信号的采集与处理曾一直是其测量的主要方法，但这已经无法适应现今的高精度测量要求。随着大规模集成电路的技术的发展，数字信号测量已经得到了普遍的应用。转速测量系统可以通过全数字化进行处理，在测量范围和测量精度上都有显著的提高。且在实时的频谱分析测量上，也能够及时发现潜在问题，如谐波增大、倍频高于主频等，帮助工程师“对症下药”，解决电机的故障来源，避免小或大的事故发生。课题以LabVIEW为编程软件，NIElvisIII为面包板，设计一个数字化的转速测量分析系统。其在自动化工业控制以及日常使用的电器中都有极高使用价值，能够兼容大部分工业控制的转速检测。由于其数字化结构，可以很方便地和计算机进行连接，实现简易管理和控制，提高自动化水平。综上，我认为转速信号分析系统是一项十分具有研究意义的课题。1.4课题主要研究内容=1\*GB3①介绍电机转速的测量方法，对所测量的转速计算，说明原理。=2\*GB3②对输入的光电信号与磁电信号进行滤波处理，说明原理。=3\*GB3③分析产生的信号波形和频谱波形。=4\*GB3④对测量数据进行曲线拟合，分析误差。第二章系统硬件设计2.1方案论证该电机测速的方法主要使用了LabVIEW与NIELVISIII，通过NIELVISIII将电机的转速信号采集进来，通过LabVIEW中模拟信号输入（AnalogInput）控件采入信号。通过低通滤波器对采样信号进行滤波后得出光电传感器与磁电传感器的波形。再通过信号频谱分析得出其时域、频域信号。得出波形的频率后，计算出电机的转速。测量使用的电机有两种信号输出方式，光电传感器输出信号与磁电传感器输出信号。使用两种方式测量出电机的频率，将两者进行比对分析。硬件选用：=1\*GB3①测试电机（电源支持2-12V的电压值）=2\*GB3②光电传感器与磁电传感器=3\*GB3③信号采集平台：NIElvisIII2.2转速信号测量方法现今国内外电机转速测量方法主要有光反射法、磁电法、光栅法、霍尔开关检测法、离心式转速表检测法等。 1、光反射法光反射法是通过将电机转速信号转动频率与周期提取出来进行测量的一种测速方法。将光电传感器安装在电机转子的转轴上，随着电机的转动，光电传感器也跟着转动。接着需要一个固定光源来持续不断地照射在传感器上，利用光敏元件来接收光源放出的光，形成脉冲信号，在固定时间内对其进行计数，换算成电机转速。2、磁电法在某些高温工业环境下，类似的光电传感器由于较为“脆弱”，不适合在这些特殊环境下使用。所以需要磁电式传感器进行电机测量。磁电式传感器利用电磁感应的远近来进行测量的。当闭合回路中磁通量发生变化时，回路中便会产生电动势，电动势大小与磁通量的变化有关。3、光栅法在电机的转动轴上固定一个圆盘，圆盘上有光槽，在圆盘的两边安装发光装置与接收装置，在电机运转时，接收装置间断地受到光照，产生脉冲信号，在固定时间内对该脉冲进行计数，换算成电机转速。4、霍尔开关检测法霍尔开关检测法利用霍尔开关来检测电机转速。霍尔开关内含有稳压电路、电势发生器、信号放大器以及输出电路。在电机的转轴上固定一块磁铁，在其运动轨迹的边缘设置霍尔开关。在电机转动时霍尔开关间断地感应磁力，产生脉冲信号。即每当磁铁绕过一次霍尔开关，开关便输出一个脉冲信号。计算出固定时间的单位脉冲数，换算为电机转速。5、离心式转速表检测法离心式转速表是通过离心力制成的测速仪器。在测量转速时，将表头插入电机转轴的轴心来直接读出转速。工作原理主要是在离心式转速表在测量转速时，转轴会连带着转速表上的金属重物一同转动，该重物在离心力的作用下便会离开轴心，对转速表产生拉力。转速表受到其拉力后，便会带动表内指针从零刻度线开始移动。当转速表中的离心力与拉力间达到平衡时，则受力平衡，指针停止移动，稳定后则显示刻度值，也就是电机的转速值。离心式转速表也是工业上十分常用的的机械式转速表，在电机、汽车、轮船、飞机等制造业中有很高的认同度。在本次课题中，采用了是光反射法与磁电法，使用光电传感器与磁电传感器将信号输入NIELVIS中转化为模拟信号，再将信号进行分析计算。2.3选用转速传感器概述2.3.1光电式转速传感器概述光电式转速传感器是一种位移传感器，在电机转轴上安装中间带有缝隙的圆盘，电机中需拥有光电器件。在使用光电式转速传感器时，传感器无需与电机有直接接触，且它拥有精度高、分辨率高、可靠性强于响应快的优点，在自动化工程领域中具有广泛的应用。该传感器在大体上分为三种类型：直射式、反射式、投射式。直射式光电传感器：直射式光电传感器由测量圆盘、光敏器件组成。当光源直接照射到测量圆盘上，当中的缝隙会使光源直接照射至光敏器件中，被其所接收，光敏器件将光源转换为电信号输出。在测量圆盘与电机转轮旋转一周时，光敏器件所输出的脉冲数相当于圆盘的缺口数，以此可通过输出的脉冲数来得出电机的转动频率得知电机转速。反射式光电传感器：反射式光电传感器主要有反光贴纸与传感器组成。在测试前，将反光贴纸贴在所测电机的转轮上，可对称地安装多片，能够获得更好的效果。将传感器固定于反光片正上方。开始运转电机后，每当转轮上的反光片经过传感器后，传感器上的输出便会跳变一次。通过跳变频率，即可计算出电机的转速。投射式光电传感器：投射式光电传感器由读数盘、测量盘、光敏器件组成，测量盘与被测电机一同转动，由于读数盘与测量盘之间的间隙相同，所以当电机转动时，测量盘每转过一道缝隙，光敏器件接收到光线的明暗发生一次变化，则输出一次脉冲信号。图2-1光电传感器图2-1中部位1为光敏信号的信号输出部分；2为光源信号的接收器，即光敏二极管；3和4为信号发出部分，为发光二极管；5为遮光板，上有凹糟。由于图中的转盘只有一个凹槽，所以每旋转一次只能产生一次脉冲信号。2.3.2磁电式转速传感器概述磁电式传感器是将电机转速转化为感应电动势进行输出的传感器，将电机转速转换成为线圈中的感应电动势。磁电式传感器利用了电磁感应原理，能够直接将被测电机转速转化为电压值输出，是一种有源传感器。磁电式传感器的工作方式使其拥有了较强的干扰抗性，较光电式传感器来说能够在更加恶劣的环境中工作。该传感器输出信号清晰，能够精确测量大部分的转动器件。2.4硬件连接图2-2测试电机与光电、磁电传感器图2-3电机、传感器与NIELVISIII的连接连线框图如下：图2-4硬件连接框图连线时，将电机与传感器检测技术实验台的0-15V可调电压连接，是电机的启动电压，测试将在5V-15V的范围内进行。在实验电机中（图2-2），电机自带了光电传感器与磁电传感器，将光电传感器的正端与接地接在实验台的5V稳压电源上，保证对光电传感器的供电。另外一个黄色插口是用于光电信号的输出，将其接在NIELVIS的IO端，同样地线也需再次连接至面包板上，使其组成回路。同理，将磁电传感器以同样的方式与面包板连接，但磁电传感器无需电源供电。为了使LabVIEW测出的电机转速能够与电机真实的转速做出比较，所以将光电传感器或磁电传感器再与实验台上的频率/转速表相连接，这样可在实验台上精准测出电机的实时转速。2.5NIELVISIII简介与主要参数在进行连线时，由于NIELVISIII在日常学习中接触次数较少，于是在查询资料后，大致了解了NIELVISIII的用途与参数。ELVISIII是由NI(NationalInstrument)公司推出的集工程与课堂教学为一体的小型实验平台。是一个集成了采集数据、自动化控制、各种工业化仪器使用的平台。在软件控制上，支持LabVIEW、以及Python/C等第三方编程语言。在NIELVISIII面包板的右半面，集成了各种数字测量仪器和嵌入式功能模块。使用者可以在信号输入后对其进行实时监测分析。ELVISIII集成了波特图、示波器、函数发生器、数字信号发生器、可变电源、数字万用表等工业级别的精密仪器。将各种仪器整合与一台小巧的面包板上，只要连接至电脑，就能够完全发挥出其功能。十分适合使用于工业以及课堂学习中。主要参数如下：1.四通道采样率为100MS/s的示波器、15MHz带宽、14bit分辨率2.双通道采样率为100MS/s的信号发生器、15MHz带宽、14bit分辨率3.16通道的LA/PG逻辑分析仪器4.四位半数字万用表5.±15V的可调节电源、500mA的最大电流6.FGPA，采用RIO架构技术，有AI和DI，即模拟信号与数字信号输入，支持图像化系统编程7.16通道的模拟量采集，采样率1MS/s、16bit分辨率8.40通道数字输入输出9.200MB内存容量，原装驱动，开机自动安装10.支持MultisimLive，支持常用浏览器的仪表调用第三章系统软件设计3.1软件选用3.1.1虚拟仪器概述仪器，是当今社会上不可或缺的基本工具，仪器随着信息时代的到来慢慢地与计算机相密切结合。现今这种结合共有两种方式：智能化仪器与虚拟仪器。智能化仪器是在仪器中嵌入计算机，使其拥有强大的计算分析功能。虚拟仪器便是将仪器放入计算机，以计算机的操作系统与硬件功能作为载体，实现传统仪器所能实现的功能。虚拟仪器充分地利用了计算机的资源，甚至可以实现那些在传统仪器上所不能实现的功能。独立的传统仪器，虽然功能齐全，但是价格昂贵，且功能单一，只能完成特定的测量，并没有较强的自定义与扩充功能。而且传统仪器更新换代快，不利于用户长久使用，更新。虚拟仪器（virtualinstrument）利用了模块化硬件，结合计算机配置的软件进行各种自动化的应用。软件部分能够使用户轻松地自定义想要的界面，硬件部分，模块化的硬件能够轻松地提供系统化的集成。计算机运行的程序也能够精准地为用户提供定时与同步化的需求，这便是虚拟仪器能够在行业中脱颖而出的原因，它拥有易操作的软件，模块化的硬件以及能够集成软硬件的平台，完全发挥出了所有的优势。优势1：性能强其技术是由PC的基础上发展而来的，虚拟仪器拥有PC中优秀的处理器与文件I/O，可以在数据导入磁盘中的同时进行复杂计算，因特网的发展与计算机硬件的不断革新也使虚拟仪器展现出越来越强的优势。优势2：扩展性强在虚拟仪器中，由于软件的灵活性，用户只需要更新自己的计算机软件，便可以改进扩展整个虚拟仪器系统。便可以利用最新科技的同时，将现有的测量设备完成任务的测量。优势3：开发时间短虚拟仪器高效地将计算机、仪表与硬件结合在一起，形成一个完整的构架，更加方便了用户的操作，并且提供了强大的灵活性与操作功能。极大地缩短了用户解决各种测量要求的时间。优势4：无缝集成虚拟仪器本质上来说是一种将软件与硬件集成的概念。随着时代的发展，各种行业中产品的功能也不断地增加，趋于复杂。虚拟仪器在软件平台上为各种设备提供了标准的接口，方便用户将多个不同的设备集成到一个独立的系统中，极大地减少了程序的复杂程度。虚拟仪器的发展现状虚拟仪器是利用模块化的硬件与易于升级的软件来完成测量、自动化的应用。现今，虚拟仪器已经被各种测试行业、自动化行业、生产领域进行广泛地使用。虚拟仪器利用了发展迅速的PC产业，高性能的数据转换器，以及PC系统的设计软件，提升了巨大的技术能力以及能够降低极大的成本。随着PC软件系统的不断更新换代，虚拟仪器技术也迅速地发展，实现了越来越多的功能。虚拟仪器的各种功能越来越强大，即已经能够在PC上开发测试程序，在嵌入式处理器和现场可编程门阵列上设计硬件功能。为用户在设计和测试系统上提供了一个独立的环境。因而虚拟仪器在替代传统仪器的功能上发挥着重要的作用，应用领域会越来越广泛，是未来仪器发展的主流方向。3.1.2LabVIEW介绍LabVIEW是一种虚拟仪器程序开发环境，由美国国家仪器公司（NationalInstrument）开发，与C语言和BASIC等计算机语言区别的是，LabVIEW语言使用的是G语言（图形化编辑语言）编写程序，产生的即为程序框图。LabVIEW是虚拟仪器（NI）设计平台的核心部分，是用户使用虚拟仪器开发测控系统的绝佳选择。与C语言和BASIC相同，LabVIEW使用的也是通用编程系统，有个完成编程任务的函数库，包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及储存等，便于程序的修改调试。LabVIEW是通过图标以此代替文本创建工程的图形编程语言，与传统编程语言不同的是，LabVIEW采用了数据流编程的方式，程序框图中节点之间的先后顺序决定了VI之间函数的执行顺序。而传统编程语言则使用的是语句与指令的先后来决定程序的优先顺序。在LabVIEW中，系统提供了很多在外观上与传统测量仪器类似的控件，这样用户能够更为便捷地创建自己熟悉的用户界面，这在LabVIEW中被称为前面板。在后面板中，用户通过自己编译的程序来对前面板的控件进行控制，这些使用图标与连线的代码被称为图形化代码（G代码），由于G代码在视觉上类似于流程图，因而又被称为程序框图。LabVIEW的特点：LabVIEW在硬件上尽量采用了通用的产品，仪器之间的差异主要是软件。由于LabVIEW摆脱了硬件的束缚，主要在PC上进行使用，所以有着强大的数据处理能力，能够创造出功能更加先进的仪器。LabVIEW有着强大的自定义能力，能够根据用户的需求，随心定义制造自己需要的仪器。图形化程序语言（G语言），该语言尽量利用了技术人员、工程师等所熟知的图标、概念，便于开发。因此，这是一个面向广大用户的编程软件，LabVIEW可以增强用户构建小型仪器或是大型工程系统的能力，提供仪器编程和数据测试系统的捷径，而不用面对冗长的传统代码。使用该软件进行编译程序或测试仪器系统时，可以极大地提高用户的工作效率。LabVIEW最大的优势之一在于其能够在同一个硬件的情况下，仅仅通过软件编程的改变，就能够实现不同仪器仪表的功能。相当于LabVIEW的软件是主体部分，硬件只是支持其工作的外壳。LabVIEW的应用领域测试测量：LabVIEW在最初便是为了测试测量而设计的，所以测试测量便是LabVIEW最广泛的应用领域。经过多年的发展与检验，LabVIEW在测试测量领域内获得了广泛的认可。至今，大部分的测试仪器与DAQ设备均拥有自己的LabVIEW驱动程序，当使用LabVIEW时能够便捷地控制。同时用户可以在控件选择模块内找到几乎所有关于测试测量的工具包，能够包含几乎所有用户所需求的功能。控制：在完成对机器的测试测量后，接下来一步便是控制，LabVIEW自然将软件拓展至控制领域。其拥有专门的控制模块：LabVIEWDSC。在各种控制领域中，常用的设备几乎都拥有相应的控制程序，使LabVIEW能够便捷地对其取得控制。仿真：在设计大型工程项目时，可以使用LabVIEW进行仿真运行，找到设计中的漏洞，验证其合理性，找到潜在的问题。在教育领域，教师可以让学生使用LabVIEW仿真模拟，使学生获得实践的机会。快速开发：当设计师的开发项目时间较为紧张时，可使用LabVIEW进行开发，由于其较少的代码编写，较为直观的视觉编程，能够使开发时间大大缩短。3.2软件设计流程软件编程部分流程图图3-1软件设计流程图3.3程序后面板设计3.3.1信号输入部分图3-2模拟信号输入使用NIELVISIII工程文件中controlIO中的analoginput作为模拟量信号输入，在控件中选择光电传感器与磁电传感器在面包板上接入的I/O接口。例如光电传感器接入了AI0接口，则在控件中选择AIO接口，并将采样方式改成n采样（NSamples）。改成n采样的原因是这样能够采样出连续的模拟信号，而不是单一的、一个时间点的信号。通过创建数组将模拟量转换为数组信号输出，便于之后的图像显示。移位寄存器的作用是在这个while循环中每次循环结束后存储之前的数据，使数据不断累加，从而得出连续的信号。3.3.2滤波部分图3-3滤波部分这个部分是使波形达到大致稳定的一个重要的部分。在本次设计中，加入了3种滤波方式：低通滤波、通带滤波与高通滤波。三种滤波方式的区别如下：低通滤波：输入的波形信号中，只有低频信号能够顺利通过，高于设置的截止频率的信号则会被削弱、阻断。设置的截止频率则根据不同设计的需要来进行调整。低通滤波能够使波形图像进行降噪，平滑处理带通滤波：带通滤波是允许特定范围内的频率进入，而范围之外的所有频率都衰减至极低值的滤波方式，该滤波方式也可以用低通滤波与高通滤波组合而成。高通滤波：高通滤波允许设置的高频信号能够通过，而阻拦低于临界值的低频信号。阻拦信号的强弱程度可以依据不同程序的运作目的而进行改变，因此该滤波也被成为低频去除滤波，与低通滤波相反。设计中选择的三种截止频率：图3-4滤波器配置在设计滤波器截止频率时，将截止频率分为3段:≤120Hz对应低通滤波，120-400Hz对应通带滤波，≥400Hz对应高通滤波。选择是依据测量从3V电压至10V电压中频率的最小与最大值。在电压为3V时，电机输出频率约为63Hz，此时对应低通滤波；在电压为10v时，电机输出频率约为225Hz，对应通带滤波。由于测量使用的电机可承受电压范围为2-12V，无法成为市面上主流电机的参考，所以本设计还增加了≥400Hz的高通滤波来对高频信号进行过滤。通过三种滤波器的滤波，能够得到滤波后的转速波形以进行后续的波形分析。3.3.3频率信号得出以及频谱测量部分图3-5信号分析部分该部分为信号分析以及频率、转速得出部分。得到滤波后的波形之后，先将波形进行频谱测量。使用LabVIEW控件中的频谱测量控件，双击该控件，得到频谱测量的配置窗口在所选测量中有幅度（均方根）、幅度（峰值）的选项。幅度（均方根）：测量信号频谱，以均方根（RMS）的形式显示结果。如正弦波的有效值是其峰值的0.707倍，则可在正弦波的各个频率上产生0.707倍的幅值。方波则可在各个频率上产生1倍的幅值。幅度（峰值）：测量信号频谱，以峰值的形式显示结果。即若正弦波的的幅值为A，则可在正弦波相应频率上的位置产生相同的幅值A，且为图像的峰值处。由于本次设计需要测量不同种类的波形，即光电传感器输出波形与磁电传感器输出的波形，所以为了能够清晰地看出不同电压下的频率，以及信号干扰的情况，选择幅度（峰值）的测量方式。图3-6频谱测量配置在进行频谱测量之后，由于无法直接在图像中提取出准确的频率数值，所以使用单频测量提取出信号中的频率部分，以便进行之后的转速计算。图3-7单频测量配置转速计算：计算电机转速公式为：n=60×fp（1式1-1中：n为电机转速，单位：转/分（rpm）f为电机运行频率，单位：赫兹（Hz）p为电机磁极对数（pair），单位：对（p）电机运行频率由单频测量信号得出，电机磁极对数则是指电机转子永磁体N,S的对数。电机转子旋转一周，即电机中的电流变化一个周期，电机中的磁场也随之在空间中旋转180度。图3-8实验用电机如图可见，测量使用的电机拥有12个N,S磁极，则总共有6对磁极对数，p=6。所以该电机的转速为n=60×f6，即转速是电机转速频率的10倍。由于输入控件analoginput在选择信号输入时，默认单位为1000Hz，所以转速需要在原有的基础上乘以103图中计时器的部分为“等待整数倍毫秒”，在此设置为50。意为每50毫秒对该电机转速信号进行一次测量，测量结果在频谱分析中进行分析。7在最外层布置一个while循环，则无限循环此步骤，直到结束进程。3.3.4完整程序框图图3-9程序后面板框图中第一个移位寄存器中的数据为光电信号传感器，第二个即为磁电信号传感器。3.4程序前面板设计图3-10程序前面板前面板中的上半部分为光电信号的转速波形以及频谱分析，下半部分为磁电信号的转速波形及频谱分析。3.4.1运行程序图3-11程序运行当把电压值调整为7.5v时，接通电路，图3-11中能够得到光电信号与磁电信号的波形与频率谱，分别对应NIELVISIII面包板上的AI0与AI1接口。当调节实验台上的电压值时，信号波形也会发生变化，频率与转速也会随之发生变化。接下来本文会对各个波形发生的原因与细节进行分析。第四章转速信号测量分析4.1转速波形分析4.1.1光电信号转速波形分析设计中使用的光电传感器为投射式光电传感器，需要一个作为光源的发光装置，一个接受光源的装置，中间为带有凹槽的能够遮光的转盘。设计中使用的电机叶片上的带有凹槽的转盘便可以作为光电测量的遮光罩。图４-1光电信号波形图4-2实验用电机以电压为7.5V时，光电信号的波形进行分析。由于光电信号只有在转盘上有缺口时才能够产生信号，在遮光板遮挡时，输出信号无法到达光敏二极管，即无法产生信号。所以光电传感器产生的信号只有0或者1，在图像上则表现为方波。方波中的一个周期，即一次高电平加上一次低电平在电机叶片上体现为一个缺口加上连接该缺口的一部分遮光板。在图中以圆圈标注。在图中7.5V时，光电信号测量频率为168Hz。已知测试电机有6个磁极对数，则图像上需要6个周期为电机旋转一周，在图4-3中以红色圆圈标注。于是在测试的150ms之内，电机大致转过了4圈加上两个周期，则在6s内，总共转过了160圈加上80个周期，在60s内约转过了1700转，由于手动计算测量存在误差，所以与LabVIEW测量出的1680转存在误差。4.1.2磁电信号的转速波形分析磁电传感器是通过电磁感应，将电机转速转化为线圈中的感应电动势进行输出。由于该传感器能够直接将电机叶片旋转的机械能转化为电能输出，所以在测量时无需通电。根据电磁感应定律，当w匝线圈在一个恒定的磁场内移动时，穿过线圈的磁通量为∅，则线圈内的感应电动势与磁通量变化率d∅dt的关系为：E=−w（实验所使用的是磁阻式磁电传感器，电机叶片上拥有导磁材料，通过叶片的转动改变磁阻，引起磁通量的增强和减弱，在线圈中产生电动势。图4-4中标注的便是实验电机的导磁材料，当电机运转时拥有导磁材料的齿每次经过磁电传感器，传感器的磁阻便会变化一次。线圈中的感应电动势变化频率，即电机的转速频率为电机叶片转速与叶片上的导磁材料的个数的乘积。图4-3实验电机上的导磁片图4-4磁电信号转速波形同样以电压值为7.5V时的磁电信号的波形进行分析，波形在0V刻度线上下跳动十分对称，且呈一种类似正弦波的波形。波峰与波谷的高低不平，本文认为是由于测试电机的轴承有些松动，在电机叶片转动时会频繁发生上下跳动，影响传感器线圈接收磁通量的大小。光电信号的幅值没有受到该影响的原因，本文认为是光电传感器接收信号只有“能收到信号”与“无法收到信号”，即只有1和0，所以光电信号在幅值上并不会受到影响。不过由于电机叶片的上下跳动会影响叶片旋转的稳定性，所以无论是光电或是磁电传感器测出的波形，每个转动周期都会存在一定误差且无法消除。在测量电机上存在6个磁阻片，每个磁阻片通过传感器都会产生一个周期的波形，所以当波形产生6个周期时，电机转动一周。如图4-5所示，在150ms内，产生了4组波形，则叶片在150ms内旋转了4周，通过计算，叶片在60s内总共转动了1600次左右，与系统测量的1680次基本吻合。4.2频谱信号分析频谱，是一个信号频率的分布特征，一般用来分析那些复杂的波形曲线，频谱分析可以将复杂的振荡波形分解为数个振幅与频率不同的谐波振荡。这些谐波振荡按照频率的不同进行排列，被称为频谱。在频谱分析前，波形信号的横坐标表示的是时间，而频谱分析后的波形信号的横坐标则为频率。这便是将信号分析从时域引入到频域进行分析，使我们对信号有了另一层面的认识。4.2.1光电传感器频谱信号分析图4-57.5V时光电传感器频率谱图4-5中为当给定电压为7.5V时，光电传感器输出的频率谱。由于在频谱测量的配置中选择了峰值输出，所以在图中的0.1kHz与0.2kHz之间的峰值，即为在此电压下，该电机的转速频率。在0.3kHz与0.4kHz之间，同样有一处峰值，但较低于主峰峰值，观察横坐标值可看出，峰值位置大约在335Hz左右，正是电机转速频率168Hz的两倍左右，这便是该频率的两倍频。在图中最右侧的0.5kHz处，还有该频率的三倍频。倍频是谐波的一种，通过带通滤波器选出各个倍数的谐波，就产生了倍频。若是在信号中倍频的振幅大于主频的振幅，则测量仪器或是被测仪器可能出现问题或是损坏。在图中也可看出，在波形中有除了主频与倍频之外的谐波信号，这些谐波信号产生的原因大部分都来自于外界干扰：光电传感器中的光敏二极管接收到外界光的变化、在硬件接线中损失信号等等，这些外界干扰很难被消除。排除外界因素，本文认为由于电机的轴承不稳定，电机叶片在旋转时容易上下抖动，影响信号的接收。于是取3V作为低电压输入，在该电压值下，电机叶片的抖动会更加剧烈，与7.5V电压输入的频率谱对比如下图4-63V时光电传感器频率谱由图4-6可见，在3V的低频电压下，谐波信号与在7.5V电压下并无二至，所以在光电传感器中，电机叶片的晃动与谐波信号的产生没有必然性的联系。4.2.2磁电传感器频谱信号分析图4-77.5V时磁电传感器频率谱图4-7为给定电压为7.5V时，磁电传感器输出的频率谱，可以看出磁电传感器的频率谱谐波较光电传感器有明显改善。原因可能是光电传感器对外界的干扰，如外界光线对其的干扰，而磁电传感器工作时只会获取磁通量的变化，即只对周围磁场的变化产生反应。所以受到的干扰较光电传感器小。对于电机叶片上下震动对频率的影响，同样取3V电压进行测量，如图4-8，可以看出谐波相较7.5V严重了许多。由于在低频时，电机叶片的上下振动会影响到传感器线圈中磁通量的增大或减小，从而产生较多的谐波，而在高频时，叶片的上下振动幅度变小，谐波的产生也同样变少了。图4-83V时磁电传感器频率谱4.3对比分析光电传感器：在仪器周围环境良好的情况下时使用，与电机轴承的牢固与否没有必然联系。在使用时需要接入电源。磁电传感器：与仪器周围的环境没有必然联系，但要保证仪器周围没有较大的磁场影响测量，与电机本身轴承的牢固与否有一定的关联。在使用时无需接入电源。适合在电机转速较高，且电机状态稳定时测量。第五章转速信号曲线拟合曲线拟合是在测量中得到实验数据，找到一系列的参数，通过这些参数的规律得出函数关系式，便于对后续实验结果的归纳总结。在这部分使用LabVIEW创建程序进行曲线拟合，之后使用Matlab进行验证与确认。5.1转速频率与输入电压之间的函数关系测量结果：1.使用光电传感器从5V-10V，每隔0.5V进行采样，测量电机输出频率数据如下：表5-1光电传感器测量数据电压(V)55.566.577.588.599.510频率（Hz）1101211321441561671781902012132242.使用磁电传感器测量电机输出频率数据如下：表5-2磁电传感器测量数据电压(V)55.566.577.588.599.510频率（Hz）1091211321441561671781902022132245.2曲线拟合5.2.1使用LabVIEW进行拟合：曲线拟合后面板：图5-1曲线拟合后面板由于电机输出的频率是随输入电压的变化而变化的，所以需要两个不同的变量，使用控件：数学——拟合——广义多项式拟合来进行拟合曲线。其中X为曲线的X轴，为输入电压值；Y为曲线的Y轴，为输出频率值多项式阶数为拟合后的函数阶数最大值，由于电压与频率为线性关系，所以多项式阶数为1方法为选择拟合曲线的方法最佳多项式拟合为拟合曲线后，在曲线上对应的输入坐标的点最后通过捆绑控件将输入的二维数组数据与拟合后的曲线显示在同一波形上。图5-2多项式拟合控件曲线拟合前面板（图5-3）：图5-3曲线拟合前面板由于光电传感器与磁电传感器测量的频率数据几乎相同，所以两者将只拟合一次，拟合结果如图5-4：图5-4曲线拟合结果图5-4中，绿色的坐标点为左侧输入数组中输入的数据，红色的曲线为拟合后的曲线。可以在最佳多项式拟合中得知误差基本都在0.5Hz之间。5.2.2使用Matlab进行曲线拟合图5-5Matlab曲线拟合结果拟合结果如图5-5，拟合系数为22.28，拟合曲线的精确值显示为均方根误差RMSE1.0837，趋近于1，误差值较小。5.3测量误差的分析前文中提到电机叶片的上下振动可能会影响传感器测量频率信号。由于设计使用的电机可调电压范围为2-12V，所以取3-6V作为低电压，7-10V作为高电压进行测量。在低电压的情况下，电机转速慢，叶片上下抖动的幅度更大；高电压下，较快的电机转速使叶片上下抖动的幅度减小。测量后分别拟合曲线，比较两者的精确值。表5-3光电传感器与磁电传感器低电压与高电压频率信号输出光电传感器3-6V电压（V）33.544.555.56频率（Hz）62738698110122132光电传感器7-10V电压（V）77.588.599.510频率（Hz）156167178190201213224磁电传感器3-6V电压（V）33.544.555.56频率（Hz）61738697110122132磁电传感器7-10V电压（V）77.588.599.510频率（Hz）156167178190202213224对数据进行曲线拟合：图5-6对表5-3的数据进行拟合（左侧为磁电传感器）如图5-6所示，磁电式传感器在低频电压时，主要体现在3V-5V之间有相对明显的误差，均方根误差RMSE为2.5486，数值较大，与之前频谱测量的结论吻合。即磁电式传感器在电机叶片上下抖动频繁的情况下，测量频率会有些许误差。第六章总结与展望6.1总结当今我国科技实力飞速发展，自动化工业必是不可分割的一环。自动化工业少不了大量电机的支持。于是，对于电机转速信号的测量、分析成为了使电机安全效率运行的重中之重，只有得知电机运行的状态，才能有效地调试，将其效率最大化。本文利用了虚拟仪器技术，结合学校实验用电机与光电传感器、磁电传感器，在LabVIEW中编写程序，测量出电机运转的状态并测量出其转速。本文主要完成了如下内容：=1\*GB3①利用LabVIEW搭建程序，分别使用光电传感器与磁电传感器将电机转速信号由NIELVISIII转换为模拟信号输入PC，在LabVIEW中显示出它们的波形和频域信号。=2\*GB3②了解了光电传感器与磁电传感器的工作原理。=3\*GB3③分别分析了两种传感器的时域波形图与频域信号，了解了波形形成原因以及频谱信号中各个频率信号以及谐波的形成原因。=4\*G