基于LabVIEW 的交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速測試

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1、 基于LabVIEW 的交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速 測試方法研究和設(shè)計(jì)說明書 摘要： 本說明書介紹了基于 LabVIEW 的交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速測試方法。提出了通過工控機(jī)控制 NI 數(shù)據(jù)采集卡PCI－0072 的DO輸出信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)放大單元后驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)；同時(shí)使用數(shù)據(jù)采集卡 PCI－0072的DI測量紅外脈沖，通過計(jì)數(shù)器上記錄的脈沖數(shù)與時(shí)間之間的關(guān)系，從而達(dá)到測量電機(jī)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(jì)是基于LabVIEW虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)踐等原理與技術(shù)而設(shè)計(jì)的電機(jī)轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)，可以用來模擬進(jìn)行一些簡單的電機(jī)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(qiáng)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(shí)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)操縱的模塊化儀器系統(tǒng)。 過去40年的時(shí)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(dòng)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(tái)相集成

3、，從而為嵌入式設(shè)計(jì)、工業(yè)控制以及測試和測量提供了一種獨(dú)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(jì)的電機(jī)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(jì)加深信號(hào)檢測理論的理解，通過對電機(jī)測速實(shí)踐，掌握信號(hào)檢測的基本設(shè)計(jì)方法，增強(qiáng)對信號(hào)檢測只是的綜合應(yīng)用能力和實(shí)踐能力。 交流伺服電機(jī)屬于航海設(shè)備中使用最頻繁的電機(jī)，也是其中故障率較高的電機(jī)，參數(shù)稍微發(fā)生變化就會(huì)引起系統(tǒng)的抖動(dòng)，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(gè)重要性能參數(shù)。 一

4、、設(shè)計(jì)原理說明： 利用采集卡本身計(jì)數(shù)器來記錄脈沖個(gè)數(shù)（通過設(shè)置采集卡每輸入1個(gè)脈沖，采集卡的計(jì)數(shù)器就加1。利用labview的定時(shí)器或者循環(huán)體延時(shí)函數(shù)，以某一個(gè)時(shí)間間隔讀取采集卡計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，最后將計(jì)數(shù)值（脈沖數(shù)）除以時(shí)間間隔即為轉(zhuǎn)速。這里需要注意的是，每統(tǒng)計(jì)一次轉(zhuǎn)速之后，請將采集卡的計(jì)數(shù)器設(shè)置為0，否則計(jì)數(shù)器的值將會(huì)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(jì)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(shí)刻采集卡計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，然后將終止時(shí)刻計(jì)數(shù)器的值減去每次起始時(shí)刻計(jì)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(hào)產(chǎn)生與采集：

5、 把自制的帶有多個(gè)牙齒的齒輪盤固連電機(jī)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(jī)加上激磁和控制電壓，中軸帶動(dòng)齒輪盤勻速旋轉(zhuǎn)，其外沿的牙齒會(huì)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(hào)。使用 PCI－0072的DI測量脈沖信號(hào)，計(jì)算脈沖個(gè)數(shù)，將計(jì)數(shù)值（脈沖數(shù)）除以時(shí)間間隔即為轉(zhuǎn)速,達(dá)到計(jì)算轉(zhuǎn)速的目的。 二、電機(jī)驅(qū)動(dòng) 在交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速測試過程中，首先需要給電機(jī)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(jī)，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(jī)，配套的進(jìn)口驅(qū)動(dòng)器價(jià)格昂貴，所以使用的是自行研制的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。 程控伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主要由數(shù)據(jù)采集卡 PCI－0072 和驅(qū)動(dòng)放大單元組成。由于PCI－0072輸出的信號(hào)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(jī)的激磁和控制電壓，必須通過驅(qū)動(dòng)放大單元對DO口發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行電壓及功率的放大。驅(qū)動(dòng)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(shí)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(shí)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(jì) 虛擬儀器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測試域的一項(xiàng)重要技術(shù)。虛擬儀器是計(jì)算機(jī)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(jī)型號(hào)，然后DO輸出信號(hào)。延時(shí)一定的時(shí)間，待電機(jī)工作穩(wěn)定后，DI測量紅外對管脈沖信號(hào)，經(jīng)換算后得到實(shí)際轉(zhuǎn)速數(shù)值，為了提高測試精度，這個(gè)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(jī)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(hào)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(hào)。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(shí)鐘頻率）設(shè)置為生成波形的時(shí)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(hào)。 四、前面板設(shè)計(jì)： 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(jì)，LabVIEW提供了非常豐富的界面對象，可以方便地設(shè)計(jì)出生動(dòng)、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(jì)過程中先在前面板整齊排列放置22個(gè)確定按鈕，將這22按鈕的標(biāo)簽隱藏，然后修改這22個(gè)確定按鈕的名字分別為：0～9十個(gè)數(shù)字、小數(shù)點(diǎn)、正負(fù)號(hào)、加、減、乘、除、等號(hào)、倒數(shù)、根號(hào)、清零、退格和X的Y次方。 前面板還包括一個(gè)文本顯示控件用于顯示計(jì)算的結(jié)果和

10、計(jì)算器的某些提示，通過改變顯示控件的大小使之于計(jì)算器的大小相適應(yīng)。計(jì)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(shí)計(jì)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(dòng)，分別將前面板的各個(gè)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(jī)型號(hào)，點(diǎn)擊“啟動(dòng)”按鈕，程序運(yùn)行。AI 采集到的紅外對管脈沖信號(hào)顯示在中間的波形圖中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速以碼表和數(shù)字兩種方式顯示。同時(shí)在左中部的“測試結(jié)果”中顯示交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速是否合格。 圖2-1 前面板 三、后面板設(shè)計(jì)： 程序框圖對象

11、包括接線端和節(jié)點(diǎn)，將各個(gè)對象連線連接便創(chuàng)建了程序框圖，接線端的顏色和符號(hào)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(shí)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(jì)的程序框圖主要運(yùn)用了while循環(huán)、時(shí)間結(jié)構(gòu)、條件結(jié)構(gòu)和平鋪順序等結(jié)構(gòu)。 設(shè)計(jì)用途 隨著自動(dòng)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(shí)也是生產(chǎn)過程自動(dòng)化和經(jīng)營管理現(xiàn)代化的基礎(chǔ)。而隨著自動(dòng)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(jì)算機(jī)，配上相應(yīng)的硬件(用插在計(jì)算機(jī)的內(nèi)外擴(kuò)展槽或VXI 機(jī)箱中的數(shù)據(jù)采集板或信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)加A

12、/D 裝置完成計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)資源、模塊化功能硬件與應(yīng)用軟件的有機(jī)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(chǔ)、顯示等功能。 與傳統(tǒng)儀器相比，其主要優(yōu)點(diǎn)是可以由用戶自己定義、自己設(shè)計(jì)儀器系統(tǒng)，以滿足不同的要求，使儀器的功能更加強(qiáng)大、靈活、易于擴(kuò)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(jià)格，節(jié)省開發(fā)、維護(hù)的費(fèi)用，又縮短了技術(shù)開發(fā)周期。虛擬儀器通過軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)的融合為一體，從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)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(chǔ)以及分析處理，其中軟件成為整個(gè)儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵，硬件僅僅為了解決信號(hào)的輸入、輸出。 文中設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的電機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)，同時(shí)，還具備了用LabVIEW編寫上位機(jī)界面，使得系統(tǒng)具有界面友好、操作簡單、調(diào)試方便、可擴(kuò)展性和可移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 圖2-2 后面板 設(shè)計(jì)總結(jié) 在這次課程設(shè)計(jì)當(dāng)中，不管是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求、設(shè)計(jì)方案的選擇，還是設(shè)計(jì)時(shí)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(gè)人，我們根據(jù)各自所長，分工合作。雖然在設(shè)計(jì)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(jì)，我們都掌握了最基礎(chǔ)的知識(shí)，而且通過它把課堂上學(xué)到的知識(shí)用于實(shí)踐中，這真的很有意義，也正是通過課程設(shè)計(jì)這個(gè)平臺(tái)，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(shí)。 8