1、一、实验目的1、理解所用传感器的工作原理，掌握传感器的使用；2、掌握直流电机转速测试和控制电路的设计；3、掌握计算机测控的原理和方法。二、实验内容 基于ELVIS平台设计电机速度测试电路，设定预计转速，根据实际转速，实现相应的控制算法，完成对马达速度的闭环控制。三、实验设备（1）计算机 1台（2）ELVIS数据采集平台 1台（3）EE-SX672A光电传感器模块 1个（4）5V直流电机四、实验硬件原理1、直流电机转速测控系统结构和硬件 直流电机转速测控系统包括电机模块、EE-SX672A光电传感器模块、NI ELVIS平台和计算机。由传感器模块、电机上的转盘和数据采集卡对电机转速进行测试，在计
2、算机中由程序计算出电机转速后采用PID算法得到对电机转速控制的输出直流电压。（1）直流电机 电机是使机械能与电能相互转换的硬件，直流电机就是把直流电能转换成机械能。作为机电执行元部件，直流电机内部有一个闭合的主磁路。主磁通在主磁路中流动，同时与两个电路交联，其中一个电路是用以产生磁通的，称为激磁电路，另外一个是用来传递功率，称为功率回路或者电枢回路。现行的直流电动机都是旋转电枢式，也就是说激磁绕组及其所包围的铁芯组成的磁极为定子，带换向单元的电枢绕组和电枢铁芯结合构成直流电动机的转子。 （2）光电传感器 光电传感器一般由发送器、接收器和检测电路三部分组成。发送器一般为半导体光源、发光二极管（L
3、ED）、激光二极管或及红外发射二极管，对准目标发射光束，光束连续发射，或以脉冲方式发射，脉冲宽度可调。在接收器的前面，要装有光学元件如光圈和透镜等。接收器一般由光电二极管、光电三极管或光电池组成。接收器接收信号后通过检测电路输出有效信号。光电传感器有凹槽形光电传感器、对射型光电传感器、反光型光电开关和扩散反射型光电开关等几种类型。以凹槽型光电传感器为例，凹槽型光电传感器把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧。发光器能发出红外线和可见光，在无阻的情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一个控制动作
4、，产生一个脉冲。采用光电传感器对直流电机的转速进行测试，将电机转盘插入到光电传感器内部，当光线可以穿透转盘时，传感器上的红灯不亮，输出的是高电平；当光线不可以穿透转盘时，传感器上的红灯亮起，输出的是低电平。所以当电机转动时，转盘在传感器内部转动，输出的是脉冲信号，测出脉冲信号的频率，继而可以求得转动的速度。和平台连接时，采用NI ELVIS平台的可调直流电源作为直流电机的输入，传感器的输出脉冲信号，送至ELVIS平台上的计数器进行测频。2、电机转速测量ELVIS平台的计数器由四个部分组成：Count register计数寄存器，该寄存器用来存储当前的计数值。它的存储范围跟计数器的分辨率有关，对
5、于PXI-6259来说，计数器的分辨率是32bit，所以寄存器的计数范围是0232-1，到达最大值后，又从0开始计数。Source被计数的信号从source端引入。Gate确定计数是否启动的门控信号。Output用于输出单个脉冲或脉冲序列。计数器通常被应用在以下任务中： 对数字脉冲信号进行边沿计数； 生成单个数字脉冲或脉冲序列； 对脉冲的高低电平宽度、周期、频率等特性进行测量； 对编码器返回的旋转角度、线性位置等信息进行测量。图1 计数器相关范例程序的位置2.1 、边沿计数 在边沿计数应用中，物理连接上只需将待计数的信号连入 Source 端即可。程序中可以设定为对信号的上升沿或是下降沿迚行计
6、数。如果待计数的信号源是频率已知的标准时基信号，我们还可以将计数值转换为时间值从而实现对时间的精确测量。如图 1-2 所示。物理连线做法：在 MAX 中鼠标右键点击 6259，得到它的引脚定义图。由于我们准备使用6259 中的计数器 0，它的 Source 端为 37pin， PFI8 引脚。所以，我们利用 BNC-2120上的波形发生器生成 TTL 脉冲，并将它与 PFI8 引脚相连。接下来，看一下范例程序“简单边沿计数.vi”。计数器通道选择 6259/ctr0，设置计数方向（向上递增还是向下减小），待计数的脉冲边沿（对上升沿计数还是下降沿计数），开始计数值（一般设为 0），然后运行程序即
7、可。 图2 边沿计数原理图 有时在计数应用中会增加一个门控信号，当门控信号有效时，才对脉冲边沿进行计数，门控信号无效，则计数不改变。参考范例“门控边沿计数.vi”，它使用了“DAQ触发”属性节点，如图5.7所示。在该属性节点中设置门控信号的输入引脚（演示程序中为6259/PFI1），以及停止计数的门控信号状态（演示程序中为高电平）。经过这样的配置后，当PFI引脚上的信号为低电平时，计数器0正常计数；如果PFI引脚上的信号为高电平，则计数器暂停计数。图3 门控边沿计数通过属性节点设置2.2 脉冲生成 计数器生成单个数字脉冲和脉冲序列，并且可以通过软件设置脉冲的频率和占空比。在物理连接上，输入端不
8、需要任何连线，DAQmx 驱动底层会选择计数器中适合的时基信号做为 Source 端的输入。对于 6259 来说，它的内部有三个时基信号，频率分别为 80M、20M和 100kHz，计数器会自动对这些时基信号迚行分频处理，从而得到指定频率的脉冲序列，并通过 OUT 端输出。如图4所示图4 脉冲生成原理图 在程序设计上，参考范例“连续脉冲生成.vi”。程序中，DAQmx 创建通道多态 VI 选择“计数器输出脉冲生成频率”，并设置输出脉冲的频率和占空比，DAQmx 时钟 VI 选择“隐式计数器”模式。运行程序，将计数器 0 的 OUT 端输入的信号接入数字线 p0.7，通过 MAX 中的测试面板观
9、察输出脉冲序列的状态。2.3、 脉冲测量 脉冲测量又可以细分为脉冲宽度测量、周期半周期测量、以及频率测量。脉冲测量是使用已知频率的时基信号对未知信号迚行测量，在物理连接上，频率较高的时基信号接入 Source 端，而频率较低的待测信号接入 Gate 端。如图5 所示。图5 脉冲测量原理图（1）脉冲宽度测量 首先来看脉冲宽度测量，它的原理是将待测脉冲的高电平或低电平置为有效的门控信号，在这段时间内对 Source 端的时基信号迚行计数，将计数值乘以时基信号的周期，就得到Gate 端信号的脉冲宽度。如图6 所示。图6 脉冲宽度测量原理图程序设计上，参考范例“脉冲宽度测量.vi”。对于 DAQmx
10、创建通道多态 VI，选择“计数器输入脉冲宽度”，同时需要设置开始边沿，如果选择上升沿，则对脉冲的高电平宽度迚行测量，如果选择下降沿，则对低电平宽度迚行测量。同时，如果知道待测脉冲宽度的大致范围，还可以设置一个最小和最大阈值，驱动底层会根据这个值去自动选择合适的时基信号迚行更为精确的测量（范例设置下，驱动将选择 6259 的 20M 时基信号做为 Source端的输入信号）。（2）周期/半周期测量 周期/半周期测量与脉冲宽度测量的物理连接和基本原理其实是一样的。尤其半周期测量，它返回的是数字信号两次状态转换的时间间隔，本质就是脉冲宽度测量。如图7 所示。图7 周期/半周期测量原理图 它们在程序设
11、计上也非常相似，参考范例“周期测量.vi”“半周期测量.vi”、。主要的区别就是“DAQmx 创建通道”多态 VI 的选择不同。物理连接上只需要将待测信号连入计数器的Gate 端，其余的工作 LabVIEW 程序和 DAQmx 驱动会自动完成，非常方便。运行程序，得到周期和半周期数值，跟前面脉冲宽度测量的结果对比，说明测量值是准确的。2.3、.频率测量频率测量有三种方法：周期取反法、平均法和分频法。它们的适用情况不同，以下分别介绍。（1）周期取反法 首先是周期取反法，它的原理和物理连接跟上期节目中介绍的脉冲周期测量是相同的。即将内部时基信号或已知频率的标准信号接入 Source 端，将待测信号
12、接入 Gate 端。待测信号周期等于计数值乘以 Source 端信号周期。对周期取倒数，就得到待测信号的频率。如图8 所示。图8 周期取反测频率原理图 程序参考范例“频率测量_1 Ctr.vi”。跟周期测量的程序非常类似，唯一的区别就是将“DAQmx 创建通道”多态 VI 设置为“计数器输入频率”。并且设置待测频率的范围，以便驱动底层去自动选择适合的内部时基信号做为 Source 信号。 周期取反这种测量方法的特点是简单，且仅使用一个计数器，它适用于低频信号的测量，即待测信号频率应该低于 Source 端时基信号频率的百分乊一。如果待测信号频率较高，将产生较大的同步误差，导致测量结果不准确。在
13、时基信号已定的情冴下，待测信号频率越高，越接近时基信号频率，产生的测量误差将越大。如图3 所示，如果时基信号频率为 20M ，待测信号频率为 50k，则在 Gate 信号的一个周期内，应该得到的时基信号脉冲计数值为 400。但由于同步误差的存在会产生+-1 的计数偏差，所以实际得到的测量值为 49.88k 或 50.13k。误差相对比较小。但如果待测信号频率为 5M，则在 Gate 信号的一个周期内，应该得到的时基信号脉冲计数值为 4，此时+-1 的计数偏差将产生很大的误差，实际测量的频率值将为 4M 或 6.67M。 所以这种情冴下，我们需要考虑使用另外的方法来迚行频率测量。图9 同步误差对
14、比分析（2）平均法 第一种适用于高频信号测量的方法叫平均法。根据同步误差产生的原理，在 Gate 信号有效的时间内，Source 信号的脉冲数量越多，同步误差就越小。平均法就是根据这样的原理，如图4 所示。在 Source 端信号频率已定的情冴下，延长 Gate 端的有效时间来提高测量精度。与周期取反法不同的是，平均法需要 2 个计数器，将频率较高的待测信号接入其中一个计数器的 Source 端，然后用另一个计数器，通过内部时基信号生成指定时间长度的 Gate 信号。物理连接上，我们只需将待测信号接入其中一个计数器的 Source 端，在程序中，这个计数器也就是我们应该选择的计数器通道。其它的
15、配置和物理连接，DAQmx 驱动会自动帮我们完成。图10 平均法测频率原理图 程序参考范例“频率测量_2 Ctr_一段时间内.vi”“DAQmx 创建通道”多态 VI 选择“计数。器输入频率”，由于使用了两个计数器，所以测量方法接线端选择“ High Frequency with 2 Counters”。但在“计数器”通道接线端，只需选择 Source 端与待测信号相连的那一个计数器，另一个计数器驱动会自动地帮我们选择。同时，需要指定测量时间。DAQmx定时 VI 选择隐式，表示采样率由待测信号本身的频率决定。（3）分频法 另一种适用于高频信号测量的方法叫分频法。在周期取反法中，当待测信号，也
16、就是 Gate 端信号频率接近 Source 端的时基信号频率时，会产生较大的同步误差。所以分频法中，先将待测信号做分频处理，降低它的频率，以保证测量结果的准确性，然后将得到的频率值乘以分频系数，就可以还原出待测信号的真实频率。所以，分频法也需要使用 2 个计数器才能实现。物理连接上，同样只需将待测信号接入一个计数器的 Source 端即可。其它的连接，驱动会自动帮我们完成。如图11所示。图11 分频法测频率原理图 程序参考范例“频率测量_2 Ctr_分频.vi” 。“DAQmx 创建通道”多态 VI 同样选择“计数器输入频率”，测量方法选择“Large Range with 2 Counte
17、rs”。设置待测频率的范围，以便 DAQmx 选择合适的时基信号。设置分频系数，使得待测信号分频后的频率低于时基信号频率的百分之一。 具体针对实验要求，采用合适的测频方法，测试直流电机的转速。3、PID转速控制 PID是当前工业控制中应用最广泛的算法。被控制的系数参数叫做过程变量（Process Varable,PV），被控制的过程变量指定的理想值叫做设定点（Set Point,SP）。PID控制器确定一个对被控系统的输出量，驱动过程变量接近设定点。具体原理参考自控原理教材。 控制直流电机的转速就是控制直流电机的电压。直流电机的输入电压与转速应该成正比关系，在实验过程中，选择05V之间不同的直
18、流电压输入待直流电机，测电机的转速，拟合得到输入和输出的关系式。 得到上述关系后，可根据将PID的输出增量转换成电压增量值，调节ELVIS的直流电源输出电压，送至直流电机，从而控制电机的转速。系统功能介绍1.系统结构 系统框图首先直流电机驱动转盘，使得转速传感器感应，将其数据传入到数据采集模块，在通过RS232与计算机的PID控制相连，在将目标数据导出传入到驱动器，进一步控制电机电枢，到达控制转盘转速的目的2.模块介绍电机驱动模块：通过5V的电源驱动电机转动，使转盘转动转速测量模块：通过EE-SX672A光电传感器将转盘的转动速度测量下来数据采集模块：这部分通过ELVIS数据采集平台来实现，将
19、光电传感器的数据采集，进行A/D或D/A转换传入到控制模块控制模块：这部分是用labview使用PID算法编写的，通过数据采集模块传来的数据进行分析控制，到达控制直流电机转数的目的3.实物图五、软件程序（1）软件功能说明软件设计是实现控制设定电机的转动，并进行设定参数与电机实际转数进行比较，对各个参数进行显示（2）软件具体实现，labVIW程序按模块说明，单片机程序加注释拟合模块：对先前获得的数据进行拟合处理，得到电压与转速的斜率与截距，为下一步的控制做好准备控制总模块：这个模块实现电机转数的自己设定，和各个数据的显示，并进行设定的数据与实际转数进行对比，实现控制的精准六、实验数据及结果分析
20、测量结果及相应的数据波形数据表格电压0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0转数6.885515,225523.633233.962542.409851.065161.301161,301178.457288.7163斜率： 18.1911 截距：-2.8808设定转数2600r/m2100r/m1800r/s1200r/m600r/m300r/m实际转数40r/s37r/s30r/s19r/s11r/s调整实间15s8s20s误差5.71%00%5%10%实际情况设定速度超过了额定最大速度，无法平衡，因此该数据为坏值。最接近设定速度，并且刚启动就稳定电机刚启动后，立即达到
21、最大速度，等待一段时间后，下降到设定速度设定速度。电机刚启动后，立即达到最大速度，等待一段时间后，下降到设定速度。由于速度太小，电机收到阻尼，产生震荡，无法测出实际速度。实验结果分析从图上可以看出，实际的转数值与设定的转数值越来越接近，震荡逼近，可以知道控制电机转数获得了较好的效果七、总结及心得体会 这次实验的课题相对而言比较大，第一次还因为元器件的问题推迟到和5班一起。我们首先读懂实验要求，然后呢，选择实验箱，测试重要器件的好坏，确保器件是可用的，之后大部分时间是软件的改写，因为这个实验的软件实在难写，甚至看懂都比较困难。我们仿照计算机上原有的程序，把我们的想法加进去，完善了一些细节，美化了界面。最后综合在一起进行测试，因为我们采取电脑计数的方式，实验前害怕误差有点大，最后的实验结果挺准的。实验过程中，大家在一起交流学习，共同为一个课题而努力，这是平时很难得的机会。增进了友谊，促进了学习。很希望大学期间可以多有一些这样的实验！
