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1、智能仪器仪表设计基础课程设计报告单 位： 自动化学院 学生姓名： 专 业： 测控技术与仪器 班 级： 0820801 学 号： 指导老师： 成 绩： 设计时间：2011 年 5月重庆邮电大学自动化学院制一、设计题目和要求1、题目：直流电机自动控制仪2、技术要求：设计直流电机自动控制仪，要求如下：1、学习电机测速的基本原理；2、学习直流电机调速的基本原理；3、通过曲线拟合的方法绘制直流电机的电压转速曲线；4、使用单片机或虚拟仪器构造直流电机的自动控制仪；5、控制仪能显示当前电机转速，能通过键盘输入设定电机转速（步进达到50转/分）。6、选择合适测控设备，绘制系统的组建结构图，给出完整的设计流程图
2、，讨论减少误差的方法。7、测量数据能通过网络传输到服务器及其他电脑上。3、给定条件：1、NI公司ELVIS试验平台，LabVIEW软件；2、光电开关，电阻、电容、三极管若干；3、单片机开发系统1套，直流电机1个；4、设计：1.确定总体方案2.选择正确的电路搭建转速测量电路以及电机驱动电路；3.使用虚拟仪器ELVIS平台或单片机系统搭建自动控制仪；4.绘制直流电机电压转速曲线图，完成报告；二、设计报告摘要：虚拟仪器技术是计算机测量与控制技术的一个新的发展方向。虚拟仪器是虚拟仪器技术的一个重要组成部分，其中最具有代表性的图形化编程开发平台Lab View,它是一个功能强大而又灵活的仪器和分析软件应
3、用地开发平台。在现代工业领彧中，电机是工业应用机电能生产的基本装备，同时也是速度调解控制系统的核心部件之一，应用极为广泛，特别是拖动系统。因此弄清和熟悉电机的特性，研究其速度控制的方法尤为重要。关键字：Lab View 直流电机 转速调制引言：在本学期的专业课程学习中，我们接触到了计算机控制技术、智能仪器仪表、虚拟仪器技术与数字化测量技术方面的知识，随着计算机技术的飞速发展，虚拟仪器技术在研究、制造和开发等众多领域得到广泛地应用。在实际引用中，经常需要改变生产机械的工作速度，改变方法有机械和电气两种。机械方法是通过改变传动机构的传动比来实现调速。电气方法是通过改变电动机的参数，电源的参数和电动
4、机的连接方式，是电动机运行在不同的认为特性曲线上以得到不同的相对稳定的转度。本次课程涉及主要开发基于Lab View的直流电机自动控制仪，设计出电机转速调制VI，实现输入电机转速，电机转速在自动控制仪的作用下达到输入值。软件方面，主要采用美国NI公司推出的虚拟仪器开发软件Lab View作为平台；硬件方米纳，采用NI ELVIS虚拟仪器的教学实验套件，并结合多功能数据采集卡（DAQ）PCI-6024E。通过反馈对电机转速进行调制。2.1设计目的2.1.1 通过对直流电机自动控制仪的设计，充分了解直流电机的工作原理以及工作机制。学习使用ELVIS可调电源来驱动和控制小型直流电机；了解光电开关工作
5、原理，使用光电开关进行转速测量。2.1.2 进一步掌握虚拟仪器语言Lab VIEW设计的基本方法、常用组件的使用方法和设计全过程。以及图形化的编程方法；学习用曲线拟合法实现非线性校正；学习用Lab View进行编程，实现直流电机的转速测量。学会基本MATLAB操作。2.1.3 掌握自主学习的方法以及工程设计理念等技能。加强实践与动手能力，培养创新能力。2.2、设计原理 本节介绍直流电机的工作原理和基本结构，以及对直流电机转速的测试与转度调整的方法2.2.1 直流电机工作原理本次课程设计采用的电动机是普通的12V直流电机，直流电机的工作原理是基于载流导体在磁场中受理产生的电磁力形成的电磁转矩的基
6、本原理。在直流电动机的工作过程中，单从电枢线圈的角度看，每个导体中的电流方向是交变的；但从磁极看，每个磁极下导体中电流的方向是固定的，即不管是那个导体运行大该极下，其中的电流方向总是相同的。因此，直流电动机可以获得恒定方向的电磁转矩，使电机持续转动。2.2.2 直流电机的基本结构直流电机由定子（固定不动）与转子（旋转）两大部分组成，定子与转子之间由空隙，称为气隙。定子包括基座、主磁极、端盖、电刷等；转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、转向器、转轴、风扇等部件，如图2.1。图 2.12.2.3 直流电机的转速测量方法硬件要求：PC机，NI ELVIS虚拟仪器的教学实验套件。另外阻值为1K和10K电阻
7、各一个，直流小电机一个，红外发光二极管一个。两个电阻起分压作用，10K电阻为考察对象，红外发光二极管是一对发送和接受红外线的器件，如图2.2所示，此外还需一个万用表在试验中进行检测。图 2.2检测原理：在12V电机的转轴上粘连一个带缺口的圆形纸片（纸片不透光），红外发光二极管在通电后一直发光，在没有遮挡的情况下，光敏二极管接受光线始终导通。当将电机置于集成光敏晶体管旁，纸片位置为两个器件之间，电机转动时，每转过一周，光敏二极管导通一次，进而在10K的电阻上产生高电平，将这个脉冲由ACH4接到NI ELVIS虚拟仪器，数据采集波形，计算周期。程序图如图2.3。图 2.31图2.322.2.4 直
8、流电机的转速控制方法直流电机的转速n和其他参数的关系可表示为： (式2.1)式2.1中Ua 电枢供电电压（V） 励磁磁通 （Wb）Ra 电枢回路总电阻（） Ia电枢电流 （A）Ce 电势系数 (式2.2)式2.2中P为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。由式2.1可以看出，式中Ua，Ra 三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以对直流电动机转速的调节方法有一下三种：1.改变电枢回路电阻调速2.改变励磁电流调速3.改变电枢电压调速基于此次课程设计的硬件条件，我们选择采用改变电枢电压调速。在NI ELVIS虚拟仪器的教学实验平台上搭建电路，再结合Lab Vi
9、ew软件对加载在直流电机电枢上的电压进行控制,并绘制出电压转速曲线，再通过MATALAB拟合曲线，在此基础上建立电机控制模型，最后再通过Lab View编程实现对电机的闭环控制。2.3 设计过程2.3.1 基于Lab View对直流电机转速的调节利用Lab View软件设计出程序图，如图（2.4）所示，I/O口依据电脑自动选择，本机为Dev 1，Supply选为“”，在ELVIS虚拟仪器的教学实验平台上搭建电路，只需将电机接在Supply 和GROUND上，连接好电路过后运行，调节直流电机的转速。图 2.42.3.2 电机转速的数据采集利用NI ELVIS虚拟仪器的数据采集卡对10K电阻上的电
10、压脉冲进行采集，根据频率计算周期，由，则1s内转过的圈数为f,故转速和频率数值上相等。其程序如图2.5所示。图 2.5由此采集到电机转速和电枢电压的数据，见2.4.1并利用matlab对实验数据进行拟合。进而得到转速n与电枢电压V之间的关系。数据见附录。2.3.3 自动调速的设计在得到转速n与电枢电压V之间的关系后，再次对程序图进行修改。修改后的程序图见附录。2.4 设计结果及测试数据2.4.1 利用matlab对实验数据进行曲线拟合需拟合的数据：X=1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.51 1.60 1.69 1.78 1.87 1.97 2.06 2.16 2.25 2.34 2.
11、44 2.53 2.62 2.72 2.81 2.91 3.00 3.09 3.19 3.28 3.37 3.47 3.56 3.66 3.75 3.84 3.94 4.03 4.12 4.22 4.31 4.44 4.50 4.59 4.69 4.78 4.87 4.97 5.06 5.16 5.25 5.34 5.44 5.53 5.62 5.72 5.81 5.91 6.00 6.09 6.19 6.28 6.37 6.47 6.56 6.66 6.75 6.84 6.94 7.03 7.12 7.22 7.31 7.41 7.50 7.59 7.69 7.78 7.87 7.97 8.
12、06 8.16 8.25 8.34 8.44 8.53 8.62 8.72 8.81 8.91 9.0 9.09 9.19 9.28 9.37 9.47 9.56 9.66 9.75 9.84 9.94 10.03 10.12 10.22 10.31 10.41 10.50 10.59 10.69 10.78 10.87 10.97 11.06 11.16 11.25 11.34 11.44 11.53 11.62 11.72 11.81 11.91 12.0;Y=10.1 10.6 10.8 12.4 14.3 16.2 18.2 20.0 22.3 24.7 26.9 28.0 30.3
13、32.0 34.0 36.0 37.8 39.5 41.5 43.4 45.2 47.0 48.9 50.9 52.5 54.5 56.6 58.5 60.3 62.1 63.6 65.5 67.0 68.6 70.5 72.8 74.7 76.5 78.3 80.5 81.6 83.8 85.5 87.6 89.5 91.3 93.2 95.2 96.8 98.6 99.9 101.5 103.3 105.2 106.8 108.8 110.5 112.3 114.2 116.5 117.9 119.8 121.8 123.7 125.5 127.3 129.2 130.8 132.7 13
14、4.5 136.6 138.5 140.2 142.2 144.2 146.0 148.2 150.0 151.8 153.5 155.5 157.5 159.5 161.5 163.2 165.0 167.0 168.9 170.8 172.7 174.8 176.7 178.6 180.5 182.5 184.2 186.5 188.2 190.2 191.8 194.2 196.2 198.2 200.2 202.2 203.9 205.5 207.0 209.0 211.2 213.0 214.9 216.8 218.8 220.0 222.2 24.5 226.6;Matlab程序：
15、拟合曲线见附录。拟合曲线关系式：Y=0.00085X+0.06854X：电机转速 Y：控制电压2.4.2 测得多组步进数据如图2.6 图2.6-1 图2.6-2 图2.6-3 图2.6-4 图2.6-5 图2.6-6 图2.6-7 图2.6-82.4.3 不同转速设定值下电机对应的输出转速及误差如表1输入转速输出转速 绝对误差输入转速输出转速 绝对误差28802870.89.265006490.69.430503064.5-14.568506861.49-11.4932003219.4-19.472007188.511.534503444.75.375507557.31-7.313700368
16、5.814.278507843.96.139503970-2081508157.84-7.8442504255.8-5.885008514.8-14.845004515.6-15.688508870.1-20.147504757.6-7.690509043.276.7350004982.917.194009407.9-7.952505244.45.697509760.4-10.455505556.4-6.41000010016.8-16.859505945.564.441125011255.1-5.162506255.8-5.81245012456.8-6.81370013708.9-8.9
17、表12.4.4 输出转速误差曲线如图2.7图2.7根据图2.7所示误差曲线可得，电机的输出转速误差在+20转/分内波动，且在低速下波动较大。三、设计总结及设计中的相关问题我们在小组成员的努力下，成功完成了此次课程设计。在第一次调节电机转速过程中，出现很多尖峰。发现纸片缺口过小，切口下端不齐。重新修建并调节DAQ采样频率后得到理想的波形图。在之后对直流电机电枢电压与转速进行了数据统计。由于电机的老化，在电压过低的时候，电机无法转动，因此在利用Matlab拟合数据的时，曲线与横轴不相交。得到转速与电压的关系时候，重新对电路进行设计后，电机实际转速与输入转速始终存在偏差，且偏差不稳定。在进行相应系数
18、的调整，达到设计要求。客观存在的是设备老化，导致加在电枢两端的电压有一定的波动，且在采集过程中，由于是傅里叶变换得来，故微小偏差就会带来很大的差异。延伸：在电机调速过程中加入PID控制，在之后的时间中可以对这个课题进行深化。四、设计心得体会课程设计是培养我们综合运用所学知识发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对我们实际工作能力的具体训练和考察过程。本次的课程设计是基于LabVIEW的直流电机转速测量与控制，很好的结合了当今工业对电机的实际应用，相对于上学期的课程设计，虽然都是基于同一个平台，但是这次的题目实用性更强，是对我们所学专业知识如自动控制原理、传感器与检测、虚拟仪
19、器设计、光电检测等课程知识的综合检验与应用，他需要我们独立的设计一个完整的检测与控制系统，很好的锻炼了我们从单一模块到系统设计与调试能力的转变与提高。回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，从选题到定稿，从理论到实践，我们小组两个人都付出了很多努力，也收获了很多，在此次设计中不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计也使我懂得了理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能做出实际的有用的东西，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。通过这次课程设计还锻炼了我们的团队合作精神，只
20、有大家在分工明确的基础上齐心协力，才能使团队获得成就。在这次设计的过程中我们也遇到了很多困难，同时在设计的过程中发现了自己的很多不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，而且缺少自主分析问题的能力，比如当我们搭建好软硬件平台开始调试的时候，却发现怎么也显示不出期望的波形，大家在一起也讨论了很久，结果还是在测速的问题上停滞不前，后来在老师的指点下，我们才发现原来是硬件电路中一个光电器件接反了，而大家都没有发现。这也让我明白做电子类设计每一步都要细心严谨，不能马虎。附：主要参考书目：数字化测量技术基于LabVIEW的虚拟仪器设计虚拟仪器技术分析与设计数字信号处理附录：最终程序图附
21、录：拟合曲线附录：电枢电压V、频率f电枢电压V频率Hz电枢电压V频率Hz电枢电压V频率Hz电枢电压V频率Hz1.5115.54.1268.66.85119.89.37172.71.617.64.2270.56.84121.89.47174.91.69204.3172.86.94123.79.56176.71.7822.34.4174.77.03125.59.66178.61.8724.74.576.57.12127.39.75180.51.9726.94.5978.37.22129.29.84182.52.06284.6980.57.31130.89.94184.22.1630.34.7881
22、.67.41132.710.03186.52.25324.8783.87.5134.510.12188.22.34344.9785.57.59136.610.22190.22.44365.0687.67.69138.510.31191.82.5337.85.1689.57.78140.210.41194.22.6239.55.2591.37.87142.210.5196.22.7241.55.3493.27.97144.210.59198.22.8143.45.4495.28.0614610.69200.22.9145.25.5396.88.16148.210.78202.23475.6298
23、.68.2515010.87203.93.0948.95.7299.98.34151.810.97205.53.1950.95.81101.58.44153.511.062073.2852.55.91103.38.53155.511.162093.3754.56105.28.62157.511.25211.23.4756.66.09106.88.72159.511.342133.5658.56.19108.88.81161.511.44214.93.6660.36.28110.58.91163.211.53216.83.7562.16.37112.3916511.62218.83.8463.66.47112.29.0916711.722203.9465.56.56116.59.19168.911.81222.24.03676.66117.89.28170.811.91224.512226.6