【《某电机测速系统的硬件和软件设计案例》8100字】

某电机测速系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u6010某电机测速系统的硬件和软件设计案例 12526第一章绪论 126470第二章系统硬件设计 2162262.1方案论证 2311392.2转速信号测量方法 221662.3选用转速传感器概述 3221852.3.1光电式转速传感器概述 386312.3.2磁电式转速传感器概述 4282962.4硬件连接 5208222.5NIELVISIII简介与主要参数 65022第三章系统软件设计 7310673.1软件选用 7154443.1.1虚拟仪器概述 7268943.1.2LabVIEW介绍 8193003.2软件设计流程 10200973.3程序后面板设计 11234823.3.1信号输入部分 11290743.3.2滤波部分 11132933.3.3频率信号得出以及频谱测量部分 13276193.3.4完整程序框图 16263333.4程序前面板设计 17280483.4.1运行程序 17第一章绪论电机，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。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。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（