机械设计制造及其自动化毕业设计new基于labview的电机转速测量与控制虚拟仪器设计.docx
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机械设计制造及其自动化毕业设计new基于labview的电机转速测量与控制虚拟仪器设计
本科毕业设计任务书
设计题目基于LabVIEW的电机转速
测量与控制虚拟仪器设计
基于LabVIEW的电机转速测量与控制虚拟仪器设计
机械设计制造及其自动化专业
指导老师
摘要本文先简述电机测速与控制的意义以及国内外的电机发展概况,然后介绍传感器测量电机转速的相关方法以及几种常用的转速控制方法。
基于LabVIEW平台和NI公司的USB6008采集卡,通过光电传感器将采集到的电压信号转化为脉冲信号,再经过对脉冲信号的周期测量及数学运算,从而得出电机的实时转速。
在调节电机转速方面,主要是通过调节电机电枢的电压,达到调速的效果,同时使用PID控制理论,让转速能够在短时间内达到用户的需求。
关键词LabVIEW;转速测量;电机控制;PID控制
ABSTRACTThethesisfirstlyoutlinesthesignificanceofmotorspeed’smeasurementandcontrolaswellasthedevelopmentofmotorathomeandabroad.Besides,therelatedmethodsofsensormeasuringmotorspeedandtheothercommonlyusedmethodsarealsointroduced.BasedonLabVIEWplatform,thevoltagesignalcollectedbyNIUSB6008capturecardandphotoelectricsensorcanbetransformedintothepulseone.Andthen,aftertheperiodicmeasurementandmathematicalcalculationofthepulsesignal,thereal-timemotorspeedcanbeworkedout.Asfortheregulationofmotorspeed,theeffectofspeedcontrolcanbeachievedmainlybyadjustingthevoltageofmotorarmature.Atthesametime,thespeedcanmeetthedemandofusersinashortperiodoftimeinaccordancewiththePIDcontroltheory.
KEYWORDSLabVIEW;Motorspeedmeasurement;Motorcontrol;PIDcontrol
1.前言
1.1选题目的和意义
电动机的出现,使电力代替蒸汽这种动力成为了新能源,同时也促进了第二次工业革命的推进。
时至今日,大至生产行业的冶炼生产,小至生活用品的电工牙刷,都离不开电机的使用。
其中与我们的生活密切相关的电机应该要算微特电机了,因为在汽车电装、音响影像、光学精密、家电等其他的领域,都会找到微型电机的身影(如图1-1所示)。
好比家用电吹风里的电机,要实现档位的转换,也就是要实现对电机的转速进行调速;倘若是运用在医疗设备中的电机,那么对电机的调速要求则更加严格,因为如果电机在调速过程中发生了过大的误差,其后果是不堪设想的。
因此如何能快速精确调节电机的转速具有一定的研究意义。
同时在一些大型设备中,将电机的转速调解在适当的范围内,也能起到节省能源,提高效率的效果。
图1-1微型电机在各领域中的应用
1.2国内外微电机发展概况
1.2.1我国微电机行业现状
自改革开放以来,我国对微型电机的需求日益递增。
过往曾经大批量、大规模生产传统规格的微型电机,其中有统计数据表明,我国微特电机的生产量约为40亿台,占全世界的总产量的59%。
现今用户对电机的性能要求也不断地提高,但是国内对技术含量高的微特电机仍然没有具备大规模生产产品的能力。
1.2.2国外微电机行业现状
与国内微电机的发展情况相比,国外的微电机正在向质量好、厚度薄、噪声小、效率高等性能方面进行了大量的研发工作。
尤其日本在该方面一直处于领先的地位,在IT产品领域的微电机,NIDEC、JVC、PANASONIC、SAMSUNG这四家国际企业更是用了世界电子市场的75%。
其中全球最大的微电机制造厂商日本Mabuchi公司,在我国各省也设有生产车间。
1.3电机控制相关技术发展现状
目前,在生产中,大多数的工厂对电机的控制所用的技术为异步电动机的矢量控制技术,更为先进的是无传感器的直接转矩控制技术。
伴随着测控技术的不断成熟以及传感器的测量精度范围不断提高,电机控制技术也上升到了一个新的台阶。
在往后的电机控制技术的发展中,对交流电机转速的控制将是研发的重点。
结合当前的数据处理技术以及传感器测量技术的发展情况,对解决异步电动机非线性解藕控制和参数选择性问题有很大的帮助。
1.4本课题设计要求
1.设计一套电机测速的硬件系统
2.采用LabVIEW软件平台设计相关的软件部分,要求能够通过数值或图形实时显示转速的变化,用户需求值。
3.掌握和运用PID控制理论。
4.熟悉数据采集卡的模拟输入、模拟输出、计数器等功能的用法。
5.利用实验室现有条件进行一定的模拟试验。
2.电机转速测量与控制技术
2.1常见的几种测速转速方法
测量转速的方法一般分成两种:
一种是直接法,也就是直接测出电机在固定的时间内转动的圈数来得到电机的转速;另一种则是间接法,简单来说,就是电机主轴在转动的每一瞬间,都会引起了另一种物理量也在变化,而电机的转速与该物理量有一定的数学关系,那么通过测量其物理量的变化,从而换算出电机的转速。
由于要将电机的转速与其他物理量建立一定的关系,所以这就涉及到传感器的应用。
目前一般常用的电机测速方法有霍尔效应传感器测速、光电传感器测速、转矩测速、离心式测速、磁漏测速、振动测速等方法。
2.2霍尔效应传感器测速
2.2.1霍尔效应原理
将导线放在磁场里面,然后对导线通入电流,这是导线里流过的电子会受到一个叫做洛伦兹力的作用力,此作用力是与电子的移动方向成垂直的角度,因此导线间会形成电压差。
[1]
洛伦兹力为:
(2.1)
式中F——是洛伦兹力
q——是带电粒子的电荷量
E——是电场强度
v——是带电粒子的速度
B——是磁感应强度。
2.2.2霍尔传感器使用原理
若导线输入的电流不变,变化导体附近的磁场强度时,产生的霍尔感应电压也会随之变化,那么可以依据这个原理,在电机主轴的转盘边缘上等距离安装六块永久磁钢,如图2-1所示。
当启动电机时,安装在圆盘上的磁钢也随着电机主轴转动,此时在圆盘上的磁钢旁边放置一个霍尔传感器,如图2-2所示。
图2-1电机主轴圆盘磁钢图2-2霍尔传感器
由于磁钢间是有间隙的,因此在转盘转动的时候,霍尔传感器外的磁场也在不断地改变,同时霍尔传感器会因为磁场的变化,在输出端口会有脉冲信号的输出,所以只要测量出脉冲信号的周期或者频率,就可以简单换算出电机的实时转速。
霍尔元件的连接电路如图2-3所示。
1)输入端2)接地端3)输出端
图2-3霍尔元件连接电路
电机转速与脉冲信号频率关系:
(2.2)
式中n——电机转速
ƒ——脉冲信号频率
2.3光电传感器测速
光电传感器的工作原理就是光电效应。
当光照射到物体的时候,即为光子跟物体的能量交换过程,我们将这个过程称之为光电效应。
每一个光子所具有的能量为hv(v为光的频率,h=6.62620×10-34J•s为普朗克常熟)。
光电效应也可以分为外光电效应、内光电效应和光生伏打效应。
[2]光电传感器是采集光信号,通过电子电路再转化为电信号的传感器。
由于其装置搭建简单,而且是非接触的,不会对电机造成损坏,因此在测量电机转速时能达到精度高、稳定性好的效果,所以一般广泛应用在各种测量转速的系统中。
使用时只需将电机转速的变化变换为光信号的变化。
根据这个原理,先将待测转速电机上的转盘一半涂上反光的涂料,另一半作透光处理,如图2-4所示。
图2-4光电效应测速设备
然后将光电耦合器架设在转盘上。
而光电耦合器是由发光器和接收器组成的,使用方法是在光电耦合器的输入端施加一个电压,使得发光器发光,而实验室中的光电开关为对射式红外头,当转盘不透明的一端处在开关位置的时候,输出端会输出高电平;当转盘透明的一端处在开关位置的时候,输出端会输出低电平。
光电元件的连接电路及电子特性分别如图2-5所示。
图2-5光电效应连接电路
2.4本课题使用的测速方法
由于实验室中对电机转速测量的装置只有霍尔效应测速系统和光电效应测速系统,因此本设计先采用这两套测速设备测量电机的转速,然后对两个系统进行相对应的比较,选出一个使用较方便,数据采集较可靠的系统进行往后的电机转速控制系统的设计。
1.霍尔效应传感器
使用霍尔效应传感器测速时,将传感器输出端口直接连接到NIUSB-6008采集卡的计数器端口,在软件界面能看到数字显示控件在不断地累加,并不能直接得出电机的实时转速。
查阅NIUSB-6008官方说明书,发现该款采集卡计数器只有输入功能,而且只有边沿计数的功能,因此不可以直接通过采集卡对输入的脉冲进行运算得出脉冲频率,从而换算出电机的转速。
另外由于霍尔效应传感器和电机的相对位置没有固定,在电机高速运行时产生的振动让转盘上的磁钢与霍尔元件发生偏移,不利于数据的稳定采集。
2.光电效应传感器
使用光电效应传感器测速时,将传感器输出端口直接连接到NIUSB-6008采集卡的AI端口,由于采集的是电压的脉冲,通过软件自带的波形测量工具能够简单测出脉冲的频率,从而换算出电机的实时转速。
同时光电效应传感器安装简单、牢固,在速度测量工作中不易受其他外界因素的影响。
综上所述,在测速的过程中,对两个测量系统的三个指标进行比较(如表2-1),得出光电效应传感器更适合接下来的转速控制系统设计。
表2-1霍尔效应传感器与光电效应传感器对比
稳定性
精确性
可操作性
霍尔效应传感器
一般
好
一般
光电效应传感器
好
好
好
2.5常见的电机种类
在我们的生活中,电机可以说是随处可见。
在大型的车间里,最常用的就是三相交流换向器电机;在一般的办公室里,最常用的就是直流电动机;在小朋友的电动玩具里,最常用的就是微特电机。
随着电机应用的场所不断变化,很多的特殊电机也应运而生,例如应用在煤矿、石油化工这些高危行业里的电机就是防爆电机;对加工车间里要加工齿轮这类精度高的零件就要使用到伺服电机了。
电机的种类很多,一般可分为以下几大类(如图2-6所示)。
鉴于实验室可用电机为微特电机,因
此本课题的电机测速与控制以微特电机为研究对象。
图2-6常见电机分类
2.6微特电机简介
在自动控制、自动检测和计算机中,广泛采用各种特色的微型电机称为微特电机。
微特电机的款式很多,按工作范围的不同,一般分为控制用微型电机、驱动用微型电机、信号检测微型电机和信号变换微型电机。
而常用的有交、直流伺服电动机、测速发电机和步进电动机。
2.6.1伺服电动机
伺服电动机又叫做驱动电动机,工作原理是提供一个的电压的控制信号,通过硬件设备把信号转换为输出的角位移或者角速度,以此来达到相应的转速。
伺服电动机具有控制性能好、响应速度快的特点,大多数的生产工作中都会使用此类电动机作为驱动元件。
伺服电动
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