基于虚拟仪器的电机转速测控系统学位论文.docx
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基于虚拟仪器的电机转速测控系统学位论文
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摘要
转速是电机极为重要的一个状态参数,它的测量精度将直接影响电动机其它有关参数和特性的测试以及故障检测与诊断的准确性;在速度闭环控制系统中,测试装置属于反馈环节,转速检测的宽素性和精度将直接影响系统的控制效果和动静态性能,因此转速的高精度测试具有重要的意义。
本论文要设计一个用光电转换方式来测量电动机的转速系统,并做出相应的仿真分析,测速对象为一台额定电压为5V的直流电动机,基本要求是电机转速范围为600~6000r/min,测量的相对误差不大于1%,且用4位七段数码管显示相应的电动机转速。
为了知道电机的实际转速,需要实时监测电机轴的转速,方法是电机的轴上连接一个开孔圆盘,通过光电开关将转速换为电脉冲信号,通过计数等电路,测量出电机的实际转速。
它涉及到光电转换,整形,倍频,计数,译码。
显示。
以及计数显示之间的时序关系的控制等多种电路。
论文所设计的系统用到的器件都是本专业电路中常见的器件,价格便宜,且起结构简单,原理易于掌握,但却能较精确测得电机的转速。
关键词:
转速测量;光电转换;倍频;锁相环;施密特触发器;
Abstract
Rotationalspeedisaveryimportantstateparameterofelectricmotors.Itsmeasurementprecisionwilldirectlyaffectthetestofotherrelevantparametersandcharacteristicsofelectricmotorsandthetestofdetectionanddiagnosisoffaults.Inspeedloopcontrolsustem,thevelocitymeasurementdevicesarefeedbacklink.Thespeedinessandprecisionoffthevelocitymeasurementwilldirectlyaffectofthesystemandstaticanddynamicstatefeatures.Thereforethehigh-precisiontestsofrotationalspeedaresignificance.
Thisthesiswantstodesignasystemofphotovoltaicconversiontomeasuretherotationalspeedofelectricmotors,andmakethecorrespondingsimulationanalysis.Theobjecttomeasureisadirectcurrentgeneratorwhoseratedvoltageis5Vandspeedscopeis600~6000r/min.Therelativeerrorofmeasurementisnotmorethan1%andusefoursevensegmentnumericdisplaytoshowcorrespondingelectricmotorsrotationalspeed.
Toknowtheactualelectricalrotationalspeed,weneedreal-timemonitoringtherotationalspeedofthemotor’saxis.Byconnectingtheaxisadishwithholes,rotationalspeedwillbechangedtoelectricitypulsesignalthroughPVswitches.Throughcountingandothercircuits,theactualrotationalspeedofmotorwillbeknown.
Thedevicesusedbythedesignedsystemarefamiliarandcheapness.Thoughthesystem’sstructureissimpleandprincipleiseasytounderstand,Itcanaccuratelydetectthemotor’sspeed.
Keywords:
RotationalSpeedMeasuring;PhotovoltaicConversion;Frequencydoubling;PhaseLockedLoops;SchmittTrigger;
目录
中文摘要
英文摘要
第一章绪论1
1.1电机转速测量发展现状及前景1
1.2研发意义1
1.3课题任务1
第二章转速测控系统总体结构3
2.1硬件系统3
2.1.1多功能转子实验台3
2.1.2转速测控传感器4
2.1.3直流电机转速控制器5
2.2软件系统6
第三章转速测控原理9
3.1转速测量方法9
3.2转速控制方法16
第四章转子实验台虚拟仪器开发16
4.1虚拟仪器概述16
4.1.1虚拟仪器的概念17
4.1.2虚拟仪器的基本结构和类型17
4.1.3虚拟仪器的演变与发展18
4.2转速测量和控制虚拟仪器的设计19
第五章小结22
参考文献23
致谢.....25
第一章绪论
1.1电机转速测量发展现状及前景
目前国内外测量电机转速的方法很多,按照不同的理论方法,先后产生过模拟测速法(如离心式转速表,用电机转钜或者电机电动势计算所有得),同步测速法(如机械式或闪光式频闪测速仪)以及计数测速法。
计数粗俗法又可分为机械式定时计数罚和电子式定时计数法。
传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器,也有蚕蛹电磁式(利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等),电容式(对高频振荡进行幅值调制或频率调制)等,还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号,其中应用最广的是光电式,光电式测速系统具有低惯性,低噪声,高分辨率和高精度的优点。
由于光电测量方法灵活多样,可测参数众多,一般情况下有具有非接触,高精度,高分辨率,高可靠性和反应快等优点,加之激光光源,光栅,光学码盘,CCD器件,光导纤维等的相继出现和成功应用,使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。
而采用光电传感器的电机转速测量系统测量准确度高,采样速度快,测量范围宽和测量精度与被测转速无关等优点,具有广阔的应用前景。
1.2研发意义
转速是指作圆周运动的物体在单位时间内所转过的圈数,它是电动机极为重要的一个状态参数。
它的测量精度将直接影响电动机其它有关参数和特性的测试,以及故障检测与诊断的准确性;在速度闭环控制系统中,测速装置属于反馈环节,转速检测的快速性和精度将直接影响系统的控制效果和动静态性能,因此转速的高精度测试具有重要的意义。
电机转速测量系统可以应用于测量各种机械的转速,如冰箱压缩机,空调压缩机等等,以及其他的发动机,电动机的转速测量,也可用于电机转速的反馈以控制电机平稳运行和调速。
1.3课题任务
本论文要设计一个用光电转换方式来测量电动机的转速系统,并做出相应的仿真分析,测速对象为一台额定电压为5V的直流电动机,基本要求是电机转速范围为600~6000r/min,测量的相对误差不大于1%,且用4位七段数码管显示相应的电动机转速。
为了知道电机的实际转速,需要实时监测电机轴的转速,方法是电机的轴上连接一个开孔圆盘,通过光电开关将转速换为电脉冲信号,通过计数等电路,测量出电机的实际转速。
它涉及到光电转换,整形,倍频,计数,译码。
显示。
以及计数显示之间的时序关系的控制等多种电路。
第二章 转速测控系统总体结构
本章讨论了转速测控系统的总体结构,整个系统分为两个部分,即硬件平台和软件系统。
硬件平台包括多功能转子实验台、PWM电机转速控制器、数据采集控制系统;软件系统主要包括试验测控软件
2.1硬件系统
硬件系统主要由以下各部分组成:
多功能转子实验台、电机转速控制器、数据采集系统、现场视频监控系统。
四部分协同工作实现试验数据的采集和在线分析、试验台转速的控制和电源控制、现场工况的视频监控。
2.1.1转子实验台
转子试验台是本系统的测控对象。
其结构如图2-1。
图2-1转子试验台
转子采用整体圆柱轴承支承,润滑油润滑。
在轴承座上有传感器安装位置,便于轴承根部的振动测量。
另外还有传感器支架,用于安装电涡流传感器,对不同位置的轴心位移进行测量。
本系统选用的ZHS系列多功能转子试验台,此试验台主要特点是结构紧凑、体积小、运转方便、演示项目多、测试手段先进。
其结构组成主要有:
1)直流电机(0至10000转/分)。
2)底座。
3)含油轴承支座4个。
4)安装电涡流传感器的支座2个。
5)两种类型的圆盘各1个,可调节转动不平衡。
2.1.2转速测量传感器
1).光电转速传感器
直接测量电机转速的方法很多,可以采用各种光电传感器,也可以采用霍尔元件。
本系统采用光电传感器来测量电机的转速。
由于光电测量方法灵活多样,可测参数众多,一般情况下又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和相应快等优点,加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用,使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。
光电转速传感器的结构见图2-2。
它由开孔圆盘、光源、光敏元件及缝隙板等组成。
开孔圆盘的输入轴与被测轴相连接,光源发出的光,通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收,将光信号转为电信号输出。
开孔圆盘上有许多小孔,开孔圆盘旋转一周,光敏元件输出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数,因此,可通过测量光敏元件输出的脉冲频率,得知被测转速,即n=f/N,式中:
n-转速f-脉冲频率N-圆盘开孔数。
图2-2光电转速传感器
2).磁电感应式转速传感器
原理:
对一个匝数为N的线圈,当穿过它的磁通量
发生变化时,线圈产生的感应电动势
磁通
的变化可通过多种方法来实现,如磁铁与线圈之间作切割磁力线运动、磁路中磁阻变化、恒定磁场中线圈面积变化等,因此可制造出不同类型的传感器,用于测量速度、扭矩等物理量。
其工作原理:
线圈与磁铁固定不动,通过运动着的被测物体改变磁路的磁阻,从而引起磁力线的增强或减弱,使线圈产生感应电动势。
如图2-21:
图2-21磁电感应式转速传感器
感应电动势变化的频率f与齿轮转速n成正比。
齿轮旋转时,齿的凹凸面使磁阻改变,磁能量随之变化。
f=Zn/60n=605/Z
n-被测轴的转速r/min
f-感应电动势的频率HZ
Z-齿轮的齿数
2.1.3直流电机转速控制器
转子实验台配置的是直流电机,电机转速由电枢电压决定,用微机实现直流电机调速十分
方便。
本系统中的电机控制采用脉冲宽度调制(PWM)控制器。
脉冲宽度调制驱动装置是利用大功率电力电子元件的开关特性来调制固定电压的直流电源,按一个固定的频率接通和断开,并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短,通过改变直流电动机电枢上电压的“占空比”来改变电压的大小,从而控制电动机的转速。
直流电机调速器由以下几基本部分组成:
PWM波产生电路、驱动电路、功率放大电路等,如图2-3所示;
直流电路
功率放大电路
驱动电路
PWM调节器
调
节
器
PWM
调
节
器
速度指令
图2-3PWM电机转速调节原理
2.2软件系统
2.2.1开发软件
现场测控系统软件开发主要使用美国国家仪器公司推出的基于图形开发的优秀集成环境LabView,Labview作为适时推出的一个优秀的测控软件开发平台和虚拟仪器构建环境,得到了广泛的应用。
Labview作为优秀G语言的代表,提供了仪器化的编程环境和良好的网络接口,使编程工作大大简便,并可方便的由单机版程序升级为网络程序。
试验台测控系统软件主要包括以下几个功能模块:
数据采集模块、信号分析和处理模块、转速测量和控制模块、电源控制模块,数据采集模块主要是对轴心位移、振动信号进行采集;信号分析模块负责对采集的振动信号进行相关分析、频谱分析等;转速测控模块实现对直流电机实时转速的测控和转速的精确控制;电源控制控制各种电源设备的启闭。
现场测控软件运行于试验服务器端,远程用户通过网络来控制本地测控系统的运行。
LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)的简称,是一种集数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示功能于一体的图形化开发环境,为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式。
它提供了一种全新的程序编写方法,即对称之为“虚拟仪器”(VirtualInstruments,VIs)的软件对象进行图形化的组合操作,能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能,并且用线条将各种功能连接起来,这样开发人员就不再需要使用复杂的传统开发环境即可享用强大的编程语言带来的灵活性,在同一环境下就可以使用广泛的采集、分析和显示功能。
LabVIEW广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受,被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。
LabVIEW集成了满足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测控软件,利用它可以方便的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。
所有LabVIEW应用程序,即虚拟仪器,它包括前面板、流程图以及图标/连接器三部分
程序前面板用于设置输入数值和观察输出量,用于模拟真实仪表的前面板。
在程序前面板上,输入量被称为控制(Controls),输出量被称为显示(Indicators)。
控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上,如旋钮、开关、按钮、图表、图形等,这使这得前面板直观易懂。
每一个程序前面板都对应着一段框图程序。
框图程序用LabVIEW图形编程语言编写,可以把它理解成传统程序的源代码。
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。
图标/连接器是子VI被其它VI调用的接口。
图标是子VI在其他程序框图中被调用的节点表现形式;而连接器则表示节点数据的输入/输出口,就象函数的参数。
用户必须指定连接器端口与前面板的控制和显示一一对应。
与传统的编程语言比较,LabVIEW图形编程方式能够节省85%以上的程序开发时间,其运行速度却几乎不受影响,体现出了极高的效率。
在LabVIEW中,可以利用旋钮、开关、转盘、图表等控制件和显示件建立用户界面,即前面板,用以代替传统仪器的控制面板。
控制件包括旋钮、按钮等输入控件,显示件包括图表、LED等显示器件。
在完成用户界面的创建后,通过VI和结构添加代码来控制前面板上的对象。
这些程序代码就构成了程序框图。
利用LabVIEW,可以和诸如数据采集设备、图像设备、运动控制设备等硬件进行通信,也可以和GPIB、PXI、VXI、RS-232、RS-485仪器通信。
所以说,作为一种图形化的开发环境,LabVIEW具有以下特点:
◆图形化的编程方式,设计者无需写任何文本格式的代码,使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面
◆提供了丰富的数据采集、分析及存储的库函数。
◆提供了传统的程序调试手段,如设置断点、单步执行,同时提供有读到的高亮度执行工具,使程序动画式执行,利于观察程序运行的细节,使程序的调试和开发更为便捷。
◆32bit的编译器编译生成32bit的编译程序,保证用户数据采集、测试和测量方案的高速执行。
◆从底层VXI仪器、数据采集板到总线接口硬件和GPIB的驱动程序,囊括了DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS232/485在内的各种仪器通信总线标准的所有功能函数,使得不懂总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口设备和仪器。
◆提供大量与外部代码或软件进行连接的机制,诸如DLLs(动态链接库)、DDE(共享库)、ActiveX等。
◆支持动态数据交换(DDE)和TCP/IP等强大的网络功能,支持常用网络协议,方便联络、远程测控仪器的开发。
2.22转速测控软件
如图2-4所示:
转速测控软件
转速控制软件
转速测量软件
图2-4转速测控软件结构
第三章转速测控原理
3.1转速测量方法
在工程实践中,我们经常会遇到各种需要测量转速的场合,例如,在发动机、电动机等旋转设备的试验、运转和控制中,常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时转速。
而另一些问题除了要求能精确地测量转速外,还要保证测量的实时性,要求能测量瞬时转速。
因此转速测量方法的研究是很有必要的。
转速的测量方法可分为模拟式和数字式两种,模拟式采用测速发电机为检测元件,得到的信号是电压量,而数字式通常采用光电编码器、圆光栅等作为检测元件[20],得到脉冲信号。
随着微型计算机的广泛应用,智能化微电脑式代替了一般机械式或模拟量结构,电机的数字式测量方法应用越来越广泛。
其方法共有三种计数法、计时法和计数计时法。
这几种方法均有各自的特点和使用范围。
1)计数法:
计数法是在设定的定时时间t内读取盘脉冲数m。
由m/t计算出转速,对于相同的t,盘脉冲的多少,反映了转速的高低,其原理图如图3-1:
图3-1计数法
对计算机而言,定时时间t是非常精确的,但由于t采样的起始点和终点与盘信号位置有一定的随机性,不一定正好对应整数个盘脉冲,因而会造成不足一个盘脉冲的多计或少计,如图3-8阴影线部分,转速测量的误差主要来自于±个盘脉冲,当t较小,尤其是作瞬时转速测量时,
这个±1个盘脉冲会带来较大的误差。
因此计数法适合高速场合。
2)计时法
计时法是通过对时钟脉冲
计数测出相邻两个盘信号间的时间间隔,有1/T=1/m
来计算转速值,其测速原理图如图3-2:
图3-2计时法
这种方法的测量误差的产生和计数法相同,不同的是误差来自于±1个时钟脉冲,是非常小的。
但测量的转速的量程有一定的限制,转速愈高,测量的计数值m愈小,因此计时法比较适合用于在低速场合。
1)同步计时计数法
这种方法的特点是不固定定时时间t,主要是设法使m和t同步,从整数个盘脉冲开始计时,同样与整数个盘脉冲结束,记录的是整数个盘脉冲。
其原理如图3-3;
图3-3同步计时计数法
PA控制各计时器的关闭,在t时间内,实际计数时间t1开始于t上升后第一个盘脉冲的上升沿,终止于t下降第一个盘脉冲的上升沿,因而得到整数个盘脉冲,消除了±1个脉冲引入的误差,在t1的下降沿分别读取盘脉冲数和时钟脉冲数,即可求得转速。
由于本系统电机转速最高能达到10000转/分钟,速度很高,所以本系统采用了计数法测速。
3.2转速控制方法
实现试验台的异地远程调用必须首先使试验平台的控制完全由计算机来实现,这是实现远程试验的必备条件。
这种控制主要包括两个方面:
试验台电机转速的控制
1)脉宽调制技术
用微机来实现直流电机的调速十分方便,目前常用的方法是利用PWM(脉冲宽度调制技术),PWM广泛应用在从测量、通信、功率控制与变换等许多领域。
简而言之,PWM是一种脉宽可以控制的固定频率的脉冲,通过改变脉宽就可以改变电压的平均输出幅度,非常适合直流电机的调速。
下图3-4所示电压幅度为5V的脉冲,当脉冲占空比是50﹪时,其平均电压就是2.5V.当脉冲的占空比是10﹪时,其平均输出电压就是0.5V。
图3-4脉宽调制
在一个开关周期T内,设定ton,在0<t≤ton时刻导通,有电流通过电机,在
ton<t≤T时刻断开,无电流通过电机,这样占空比ρ:
ρ=ton/T
有Ud=ρUs
Ud:
电机两端平均电压,Us:
外接驱动电压
由以上公式得出,改变ρ即改变占空比就可以改变控制电压的脉冲宽度,从而控制电动机两端平均电压Ud的大小,达到调速的目的,这种调速方法就叫做脉宽调速(PWM)。
2)直流电机控制过程
直流电机控制系统一般由五大部分组成,原理图如下所示3-5:
脉冲宽度发生起起器
隔离及电平转换
速度设定
驱动器
电动机
图3-5直流电机控制原理
a)速度设定速度设定一般通过键盘上的功能键和数字键输入。
也可以通过从电位器上取出一定的电压经A/D转换,获得相应得数字量,操作是通过调节电位器来实现调速。
b)脉冲宽度发生器计算占空比,产生PWM脉冲
c)隔离及电平转换PWM信号不能直接输入驱动电路,必须通过相应得隔离电路和电平转换电路。
d)驱动器为了驱动电机转动,必须将PWM信号放大,以便控制电机的转速。
e)电动机作为被控对象,用来带动执行机构。
3)直流电机控制
为了提高直流电机控速的精度,通常采用闭环控制系统,也就是在开环的基础上增加电机运行速度检测回路,将检测到的速度与设定值进行比较,并由数字PID调节器进行调节。
控制流程图如3-6:
计算机(转速计算,PID算法)
D/A
转速控制器
直流电机
转速传感器
计数器
图3-6直流电机转速控制框图
本系统直流电机的控制接口选择的是包含专用接口芯片的转速控制器,计算机输出的0-10V转速控制电压经隔离后输入到直流电机转速控制器,转速控制器就可以调节加到直流电机上的平均电压,从而控制直流电机的转速。
2)PID控制
在电气传动系统中常用的控制器有:
PID控制器、双模控制器等。
PID(比例-积分-微分)控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史,现在仍然是应用最广泛的工业控制器。
PID控制器简单易懂,使用中不需精确的系统模型等先决条件,同时由于计算机具有快速、灵活多样的逻辑判断以及高效的信息加工能力的特点,在实现PID控制时,可以对PID控制器进行多种改进,形成多种多样的数字PID控制器,因而在电气控制领域PID控制器的使用最为广泛。
PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。
它由于用途广泛、使用灵活,已有系列化产品,使用中只需设定三个参数(Kp,Ki和Kd)即可。
在很多情况下,并不一定需要全部三个单元,可以取其中的一到两个单元,但比例控制单元是必不可少的。
首先,PID应用范围广。
虽然很多工业过程是非线性或时变的,但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统,这样PID就可控制了。
其次,PID参数较易整定。
也就是,PID参数Kp,Ki和Kd可以根据过程的动态特性及时整定。
如果过程的动态特性变化,例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化,PID参数就可以重新整定。
第三,PID控制器在实践中也不断的
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