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1、
基于LabVIEW 的交流伺服電機轉(zhuǎn)速
測試方法研究和設(shè)計說明書
摘要:
本說明書介紹了基于 LabVIEW 的交流伺服電機轉(zhuǎn)速測試方法。提出了通過工控機控制 NI 數(shù)據(jù)采集卡PCI-0072 的DO輸出信號,通過驅(qū)動放大單元后驅(qū)動交流伺服電機;同時使用數(shù)據(jù)采集卡 PCI-0072的DI測量紅外脈沖,通過計數(shù)器上記錄的脈沖數(shù)與時間之間的關(guān)系,從而達(dá)到測量電機轉(zhuǎn)速。在說明書的前面我們還對,最后給出了部分程序。
引言:
本次課程設(shè)計是基于LabVIEW虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)與實踐等原理與技術(shù)而設(shè)計的電機轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng),可以用來模擬進(jìn)行一些簡單的電機轉(zhuǎn)速測試。虛擬儀器的起源可以追溯
2、到20世紀(jì)70年代,“虛擬”的含義主要是強調(diào)軟件在儀器中的作用,體現(xiàn)了虛擬儀器與主要通過硬件實現(xiàn)各種功能的傳統(tǒng)儀器的不同。由于虛擬儀器結(jié)構(gòu)形式的多樣性和適用領(lǐng)域的廣泛性,目前對于虛擬儀器的概念還沒有統(tǒng)一的定義。美國國家儀器公司(National Instrunents Corpotion ,NI)認(rèn)為,虛擬儀器是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通信及圖形用戶界面的軟件組成的測控系統(tǒng),是一種計算機操縱的模塊化儀器系統(tǒng)。
過去40年的時間里,美國國家儀器公司(NI)通過虛擬儀器技術(shù)為測試測量和自動化領(lǐng)域帶來了一場革新:虛擬儀器技術(shù)把現(xiàn)成即用的商業(yè)技術(shù)與創(chuàng)新的軟、硬件平臺相集成
3、,從而為嵌入式設(shè)計、工業(yè)控制以及測試和測量提供了一種獨特的解決方案。使用虛擬儀器技術(shù),工程師可以利用圖形化開發(fā)軟件方便、高效的創(chuàng)建完全自定義的解決方案,以滿足靈活多變的需求趨勢。
本次設(shè)計的電機轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)是利用虛擬儀器技術(shù)而完成的,通過這次設(shè)計加深信號檢測理論的理解,通過對電機測速實踐,掌握信號檢測的基本設(shè)計方法,增強對信號檢測只是的綜合應(yīng)用能力和實踐能力。
交流伺服電機屬于航海設(shè)備中使用最頻繁的電機,也是其中故障率較高的電機,參數(shù)稍微發(fā)生變化就會引起系統(tǒng)的抖動,嚴(yán)重影響航行安全。對其進(jìn)行性能測試,對于提高艦船航海設(shè)備的維修保障能力有著重要的意義,其中轉(zhuǎn)速是一個重要性能參數(shù)。
一
4、、設(shè)計原理說明:
利用采集卡本身計數(shù)器來記錄脈沖個數(shù)(通過設(shè)置采集卡每輸入1個脈沖,采集卡的計數(shù)器就加1。利用labview的定時器或者循環(huán)體延時函數(shù),以某一個時間間隔讀取采集卡計數(shù)器的計數(shù)值,最后將計數(shù)值(脈沖數(shù))除以時間間隔即為轉(zhuǎn)速。這里需要注意的是,每統(tǒng)計一次轉(zhuǎn)速之后,請將采集卡的計數(shù)器設(shè)置為0,否則計數(shù)器的值將會累加,導(dǎo)致第二次測速不正確。當(dāng)然,如果不想將采集卡的計數(shù)器清零的話,也可以按方法一所說的那樣,通過控件記錄和跟蹤每次測速起始和終止時刻采集卡計數(shù)器的計數(shù)值,然后將終止時刻計數(shù)器的值減去每次起始時刻計數(shù)器的值,將該差值作為本次測速的脈沖數(shù)(轉(zhuǎn)數(shù))。
一、脈沖信號產(chǎn)生與采集:
5、
把自制的帶有多個牙齒的齒輪盤固連電機中軸上,通過工裝,把齒輪盤的外沿固定于紅外對管的發(fā)射極和接收極之間,如圖 3 所示。伺服電機加上激磁和控制電壓,中軸帶動齒輪盤勻速旋轉(zhuǎn),其外沿的牙齒會間斷性地遮擋在
紅外脈沖的發(fā)射極和接收極之間,使其產(chǎn)生脈沖信號。使用 PCI-0072的DI測量脈沖信號,計算脈沖個數(shù),將計數(shù)值(脈沖數(shù))除以時間間隔即為轉(zhuǎn)速,達(dá)到計算轉(zhuǎn)速的目的。
二、電機驅(qū)動
在交流伺服電機轉(zhuǎn)速測試過程中,首先需要給電機提供激磁和控制電壓(兩者之間需要有90°的相位差)。由于在離線狀態(tài)下檢測電機,沒有現(xiàn)成的工作電壓供使用,而且本文中測試的是進(jìn)口
6、電機,配套的進(jìn)口驅(qū)動器價格昂貴,所以使用的是自行研制的伺服電機驅(qū)動器。
程控伺服電機驅(qū)動器主要由數(shù)據(jù)采集卡 PCI-0072 和驅(qū)動放大單元組成。由于PCI-0072輸出的信號電壓峰值為5 V,功率也很小,所以不足直接提供交流伺服電機的激磁和控制電壓,必須通過驅(qū)動放大單元對DO口發(fā)出的信號進(jìn)行電壓及功率的放大。驅(qū)動放大單元中有兩路結(jié)構(gòu)相似的電路,一路用于激磁電壓的放大,另一路用于控制電壓的放大。激磁和控制電壓之間 90°的相位差,通過放大板中的電容實現(xiàn)。
LabVIEW 是一種圖形化的編程語言和開發(fā)環(huán)境,以LabVIEW 為代表的圖形化程序語言,又稱為“G”語言。它盡可能利用工程技術(shù)人員所
7、熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念,為實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供便捷途徑。
三、虛擬儀器和 LabVIEW以及系統(tǒng)軟件設(shè)計
虛擬儀器是現(xiàn)代計算機技術(shù)和儀器技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物,是當(dāng)今計算機輔助測試域的一項重要技術(shù)。虛擬儀器是計算機硬件資源、儀器與測控系統(tǒng)硬件資源和虛擬儀器軟件資源二者的有效結(jié)合。
開始測試后,首先選擇被測電機型號,然后DO輸出信號。延時一定的時間,待電機工作穩(wěn)定后,DI測量紅外對管脈沖信號,經(jīng)換算后得到實際轉(zhuǎn)速數(shù)值,為了提高測試精度,這個過程循環(huán)多次,最后有效的轉(zhuǎn)速的均值。然后判斷測量值是否在理想值范圍內(nèi),如果在范圍內(nèi),電機轉(zhuǎn)速合格,反之,為不合格,重新檢查測試裝置以及程序及其他的問題
8、,排除故障后再重新測量直到得到與理論值相差在理想范圍內(nèi)為之。
軟件流程圖如圖所示。
圖1-1 軟件流程圖
1、控制信號產(chǎn)生
程序控制數(shù)據(jù)采集卡 PCI-0072 的AO0、AO1產(chǎn)生兩路指定電壓和頻率 40 Hz的正弦信號。在程序圖 6 中,DAQmx Create Channel(創(chuàng)建通道)設(shè)置為AO0、AO1,最大最小電壓設(shè)置為+5 V 和-5 V;DAQ Timing(采樣時鐘頻率)設(shè)置為生成波形的時間,sample mode(樣本模式)設(shè)置為 Continuous Sample(連續(xù)樣本);DAQ Write(產(chǎn)生樣本)設(shè)置為產(chǎn)生兩路分別為 4V 40 Hz 和 2 V
9、 40 Hz 的正弦信號。
四、前面板設(shè)計:
前面板是LabVIEW的圖形用戶界面,在LabVIEW環(huán)境中可以對這些對象的外觀和屬性進(jìn)行設(shè)計,LabVIEW提供了非常豐富的界面對象,可以方便地設(shè)計出生動、直觀、操作方便的用戶界面。本系統(tǒng)中前面板顯示程序的輸入和輸出對象,即控件和顯示器。本程序中控件主要是按鈕,顯示器主要是文本顯示。
在前面板設(shè)計過程中先在前面板整齊排列放置22個確定按鈕,將這22按鈕的標(biāo)簽隱藏,然后修改這22個確定按鈕的名字分別為:0~9十個數(shù)字、小數(shù)點、正負(fù)號、加、減、乘、除、等號、倒數(shù)、根號、清零、退格和X的Y次方。
前面板還包括一個文本顯示控件用于顯示計算的結(jié)果和
10、計算器的某些提示,通過改變顯示控件的大小使之于計算器的大小相適應(yīng)。計算器的前面板還有程序框圖中while循環(huán)的停止按鈕,當(dāng)按鈕按下時計算器停止工作退出到LabVIEW的編輯界面。
為了前面板的美觀和防止按鈕的移動,分別將前面板的各個按鈕和文字進(jìn)行組合和對前面板進(jìn)行裝飾,裝飾采用修飾中的平面框。如圖2-1
在前面板中,左邊下拉菜單中選擇被測電機型號,點擊“啟動”按鈕,程序運行。AI 采集到的紅外對管脈沖信號顯示在中間的波形圖中,電機的轉(zhuǎn)速以碼表和數(shù)字兩種方式顯示。同時在左中部的“測試結(jié)果”中顯示交流伺服電機轉(zhuǎn)速是否合格。
圖2-1 前面板
三、后面板設(shè)計:
程序框圖對象
11、包括接線端和節(jié)點,將各個對象連線連接便創(chuàng)建了程序框圖,接線端的顏色和符號表明了相應(yīng)輸入控件或顯示控件的數(shù)據(jù)類型。程序框圖是程序的核心,程序要實現(xiàn)的功能都是通過程序框圖反應(yīng)出來的。本課程設(shè)計的程序框圖主要運用了while循環(huán)、時間結(jié)構(gòu)、條件結(jié)構(gòu)和平鋪順序等結(jié)構(gòu)。
設(shè)計用途
隨著自動化技術(shù)的高速發(fā)展,儀器及檢測技術(shù)已成為促進(jìn)當(dāng)代生產(chǎn)的主流環(huán)節(jié),同時也是生產(chǎn)過程自動化和經(jīng)營管理現(xiàn)代化的基礎(chǔ)。而隨著自動化程度要求的不斷提高,測試技術(shù)也越來越趨向于高度智能化、多傳感集成化和網(wǎng)絡(luò)化。虛擬儀器就是利用現(xiàn)有的計算機,配上相應(yīng)的硬件(用插在計算機的內(nèi)外擴展槽或VXI 機箱中的數(shù)據(jù)采集板或信號調(diào)理系統(tǒng)加A
12、/D 裝置完成計算機數(shù)據(jù)I /O 操作) 和專用軟件( 即虛擬儀器圖形編輯語言Labview) 構(gòu)成。它是計算機資源、模塊化功能硬件與應(yīng)用軟件的有機結(jié)合,利用軟件在屏幕上生成各種儀器面板,完成對數(shù)據(jù)的處理、表達(dá)、傳送、存儲、顯示等功能。
與傳統(tǒng)儀器相比,其主要優(yōu)點是可以由用戶自己定義、自己設(shè)計儀器系統(tǒng),以滿足不同的要求,使儀器的功能更加強大、靈活、易于擴展、智能化更高,而且很容易同網(wǎng)絡(luò)、外設(shè)及其他應(yīng)用設(shè)備相連接,既降低了價格,節(jié)省開發(fā)、維護(hù)的費用,又縮短了技術(shù)開發(fā)周期。虛擬儀器通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機的融合為一體,從而把計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一
13、起,并通過軟件對數(shù)據(jù)顯示、存儲以及分析處理,其中軟件成為整個儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵,硬件僅僅為了解決信號的輸入、輸出。
文中設(shè)計了一種基于LabVIEW的電機轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng),同時,還具備了用LabVIEW編寫上位機界面,使得系統(tǒng)具有界面友好、操作簡單、調(diào)試方便、可擴展性和可移植性強等優(yōu)點。
圖2-2 后面板
設(shè)計總結(jié)
在這次課程設(shè)計當(dāng)中,不管是實驗設(shè)計的要求、設(shè)計方案的選擇,還是設(shè)計時間及進(jìn)度安排到任務(wù)的分配,我們最注重的是合作精神。小組共有6個人,我們根據(jù)各自所長,分工合作。雖然在設(shè)計過程中遇到了很多的困難,但是我們通過不斷地學(xué)習(xí)以及在老師的耐心指導(dǎo)下最終圓滿的完成了這次任務(wù)。
通過這次的課程設(shè)計,我們都掌握了最基礎(chǔ)的知識,而且通過它把課堂上學(xué)到的知識用于實踐中,這真的很有意義,也正是通過課程設(shè)計這個平臺,使我們對虛擬儀器初步的了解,也加深了我們對未來所從事的行業(yè)有一定的認(rèn)識。
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