畢業(yè)設(shè)計(jì)---基于虛擬儀器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速是電機(jī)極為重要的一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，它的測(cè)量精度將直接影響電動(dòng)機(jī)其它有關(guān)參數(shù)和特性的測(cè)試以及故障檢測(cè)與診斷的準(zhǔn)確性；在速度閉環(huán)控制系統(tǒng)中，測(cè)試裝置屬于反饋環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)速檢測(cè)的寬素性和精度將直接影響系統(tǒng)的控制效果和動(dòng)靜態(tài)性能，因此轉(zhuǎn)速的高精度測(cè)試具有重要的意義。</p><p>　　本論文要設(shè)計(jì)一個(gè)用光電轉(zhuǎn)

2、換方式來(lái)測(cè)量電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，并做出相應(yīng)的仿真分析，測(cè)速對(duì)象為一臺(tái)額定電壓為5V的直流電動(dòng)機(jī)，基本要求是電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為600~6000r/min,測(cè)量的相對(duì)誤差不大于1%，且用4位七段數(shù)碼管顯示相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。</p><p>　　為了知道電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速，方法是電機(jī)的軸上連接一個(gè)開孔圓盤，通過(guò)光電開關(guān)將轉(zhuǎn)速換為電脈沖信號(hào)，通過(guò)計(jì)數(shù)等電路，測(cè)量出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。它涉及到光電轉(zhuǎn)換，整形，倍

3、頻，計(jì)數(shù)，譯碼。顯示。以及計(jì)數(shù)顯示之間的時(shí)序關(guān)系的控制等多種電路。</p><p>　　論文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)用到的器件都是本專業(yè)電路中常見的器件，價(jià)格便宜，且起結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原理易于掌握，但卻能較精確測(cè)得電機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)速測(cè)量；光電轉(zhuǎn)換；倍頻；鎖相環(huán)；施密特觸發(fā)器；</p><p><b>　　Abstract</b><

4、;/p><p>　　Rotational speed is a very important state parameter of electric motors.Its measurement precision will directly affect the test of other relevant parameters and characteristics of electric motors and

5、the test ofdetection and diagnosis of faults.In speed loop control sustem,the velocity measurement devices are feedback link.The speediness and precision off the velocity measurement will directly affect of the system a

6、nd static and dynamic state features. Therefore the high-precision tests of rota</p><p>　　This thesis wants to design a system of photovoltaic conversion to measure the rotational speed of electric motors, a

7、nd make the corresponding simulation analysis. The object to measure is a direct current generator whose rated voltage is 5V and speed scope is 600~6000r/min. The relative error of measurement is not more than 1% and use

8、 four seven segment numeric displayto show corresponding electric motors rotational speed.</p><p>　　To know the actual electrical rotational speed, we need real－timemonitoring the rotational speed of the mot

9、or’s axis. By connecting the axis adish with holes, rotational speed will be changed to electricity pulse signalthrough PV switches. Through counting and other circuits, the actual rotationalspeed of motor will be known.

10、</p><p>　　The devices used by the designed system are familiar and cheapness.Though the system’s structure is simple and principle is easytounderstand,It can accurately detect the motor’s speed.</p>&

11、lt;p>　　Key words: Rotational Speed Measuring? Photovoltaic Conversion? Frequencydoubling?Phase Locked Loops? Schmitt Trigger?</p><p><b>　　目 錄 </b></p><p><b>　　中文摘要</b>

12、;</p><p><b>　　英文摘要</b></p><p>　　第一章 緒 論1</p><p>　　1.1電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量發(fā)展現(xiàn)狀及前景1</p><p><b>　　1.2研發(fā)意義1</b></p><p><b>　　1.3課題任務(wù)1</b

13、></p><p>　　第二章 轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)3</p><p><b>　　2.1硬件系統(tǒng)3</b></p><p>　　2.1.1多功能轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)3</p><p>　　2.1.2轉(zhuǎn)速測(cè)控傳感器4</p><p>　　2.1.3直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器5</p>

14、<p>　　2.2 軟件系統(tǒng)6</p><p>　　第三章 轉(zhuǎn)速測(cè)控原理9</p><p>　　3.1 轉(zhuǎn)速測(cè)量方法9</p><p>　　3.2轉(zhuǎn)速控制方法16</p><p>　　第四章 轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)虛擬儀器開發(fā)16</p><p>　　4.1 虛擬儀器概述16</p>&l

15、t;p>　　4.1.1 虛擬儀器的概念17</p><p>　　4.1.2 虛擬儀器的基本結(jié)構(gòu)和類型17</p><p>　　4.1.3 虛擬儀器的演變與發(fā)展18</p><p>　　4.2 轉(zhuǎn)速測(cè)量和控制虛擬儀器的設(shè)計(jì)19</p><p><b>　　第五章小結(jié)22</b></p>&

16、lt;p><b>　　參考文獻(xiàn) 23</b></p><p>　　致謝..... 25</p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p>　　1.1 電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量發(fā)展現(xiàn)狀及前景</p><p>　　目前國(guó)內(nèi)外測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法很多，按照不同的理論方法，先后產(chǎn)生過(guò)模擬測(cè)速

17、法（如離心式轉(zhuǎn)速表，用電機(jī)轉(zhuǎn)鉅或者電機(jī)電動(dòng)勢(shì)計(jì)算所有得），同步測(cè)速法（如機(jī)械式或閃光式頻閃測(cè)速儀）以及計(jì)數(shù)測(cè)速法。計(jì)數(shù)粗俗法又可分為機(jī)械式定時(shí)計(jì)數(shù)罰和電子式定時(shí)計(jì)數(shù)法。</p><p>　　傳統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)多采用測(cè)速發(fā)電機(jī)或光電數(shù)字脈沖編碼器，也有蠶蛹電磁式（利用電磁感應(yīng)原理或可變磁阻的霍爾元件等），電容式（對(duì)高頻振蕩進(jìn)行幅值調(diào)制或頻率調(diào)制）等，還有一些特殊的測(cè)速器是利用置于旋轉(zhuǎn)體內(nèi)的放射性材料來(lái)發(fā)生脈沖信號(hào)，

18、其中應(yīng)用最廣的是光電式，光電式測(cè)速系統(tǒng)具有低慣性，低噪聲，高分辨率和高精度的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　由于光電測(cè)量方法靈活多樣，可測(cè)參數(shù)眾多，一般情況下有具有非接觸，高精度，高分辨率，高可靠性和反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，加之激光光源，光柵，光學(xué)碼盤，CCD器件，光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測(cè)和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。而采用光電傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度高，采樣速度快，測(cè)量范圍寬和測(cè)量精度與被

19、測(cè)轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。</p><p><b>　　1.2研發(fā)意義</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速是指作圓周運(yùn)動(dòng)的物體在單位時(shí)間內(nèi)所轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)，它是電動(dòng)機(jī)極為重要的一個(gè)狀態(tài)參數(shù)。它的測(cè)量精度將直接影響電動(dòng)機(jī)其它有關(guān)參數(shù)和特性的測(cè)試，以及故障檢測(cè)與診斷的準(zhǔn)確性；在速度閉環(huán)控制系統(tǒng)中，測(cè)速裝置屬于反饋環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)速檢測(cè)的快速性和精度將直接影響系統(tǒng)的控制效果和

20、動(dòng)靜態(tài)性能，因此轉(zhuǎn)速的高精度測(cè)試具有重要的意義。</p><p>　　電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)可以應(yīng)用于測(cè)量各種機(jī)械的轉(zhuǎn)速，如冰箱壓縮機(jī)，空調(diào)壓縮機(jī)等等，以及其他的發(fā)動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量，也可用于電機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋以控制電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行和調(diào)速。</p><p><b>　　1.3課題任務(wù)</b></p><p>　　本論文要設(shè)計(jì) 一個(gè)用光電轉(zhuǎn)換方式來(lái)測(cè)量電動(dòng)

21、機(jī)的轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，并做出相應(yīng)的仿真分析，測(cè)速對(duì)象為一臺(tái)額定電壓為5V的直流電動(dòng)機(jī)，基本要求是電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為600~6000r/min,測(cè)量的相對(duì)誤差不大于1%，且用4位七段數(shù)碼管顯示相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。</p><p>　　為了知道電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速，方法是電機(jī)的軸上連接一個(gè)開孔圓盤，通過(guò)光電開關(guān)將轉(zhuǎn)速換為電脈沖信號(hào)，通過(guò)計(jì)數(shù)等電路，測(cè)量出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。它涉及到光電轉(zhuǎn)換，整形，倍頻，計(jì)數(shù)，譯碼。

22、顯示。以及計(jì)數(shù)顯示之間的時(shí)序關(guān)系的控制等多種電路。</p><p>　　第二章　轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　本章討論了轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，即硬件平臺(tái)和軟件系統(tǒng)。硬件平臺(tái)包括多功能轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)、PWM電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)主要包括試驗(yàn)測(cè)控軟件</p><p><b>　　2.1硬件系統(tǒng)</b&g

23、t;</p><p>　　硬件系統(tǒng)主要由以下各部分組成：多功能轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。四部分協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和在線分析、試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)速的控制和電源控制、現(xiàn)場(chǎng)工況的視頻監(jiān)控。</p><p>　　2.1.1轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)</p><p>　　轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)是本系統(tǒng)的測(cè)控對(duì)象。其結(jié)構(gòu)如圖2-1。</p><p>

24、　　圖2-1 轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)</p><p>　　轉(zhuǎn)子采用整體圓柱軸承支承，潤(rùn)滑油潤(rùn)滑。在軸承座上有傳感器安裝位置，便于軸承根部的振動(dòng)測(cè)量。另外還有傳感器支架，用于安裝電渦流傳感器，對(duì)不同位置的軸心位移進(jìn)行測(cè)量。</p><p>　　本系統(tǒng)選用的ZHS系列多功能轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)，此試驗(yàn)臺(tái)主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、運(yùn)轉(zhuǎn)方便、演示項(xiàng)目多、測(cè)試手段先進(jìn)。其結(jié)構(gòu)組成主要有：</p><

25、p>　　1) 直流電機(jī)（0至10000轉(zhuǎn)/分）。</p><p><b>　　2） 底座。</b></p><p>　　3) 含油軸承支座4個(gè)。</p><p>　　4) 安裝電渦流傳感器的支座2個(gè)。</p><p>　　5） 兩種類型的圓盤各1個(gè)，可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡。</p><p>

26、　　2.1.2 轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器</p><p>　　1）.光電轉(zhuǎn)速傳感器</p><p>　　直接測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法很多，可以采用各種光電傳感器，也可以采用霍爾元件。本系統(tǒng)采用光電傳感器來(lái)測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于光電測(cè)量方法靈活多樣，可測(cè)參數(shù)眾多，一般情況下又具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和相應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤、CCD器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電

27、傳感器在檢測(cè)和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　光電轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)見圖2-2。它由開孔圓盤、光源、光敏元件及縫隙板等組成。開孔圓盤的輸入軸與被測(cè)軸相連接，光源發(fā)出的光，通過(guò)開孔圓盤和縫隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)輸出。開孔圓盤上有許多小孔，開孔圓盤旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件輸出的電脈沖個(gè)數(shù)等于圓盤的開孔數(shù)，因此，可通過(guò)測(cè)量光敏元件輸出的脈沖頻率，得知被測(cè)轉(zhuǎn)速，即n=f/N，式中

28、：n - 轉(zhuǎn)速 f - 脈沖頻率 N - 圓盤開孔數(shù)。</p><p>　　圖2-2 光電轉(zhuǎn)速傳感器</p><p>　　2）.磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器</p><p>　　原理：對(duì)一個(gè)匝數(shù)為N的線圈，當(dāng)穿過(guò)它的磁通量 發(fā)生變化時(shí)，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)</p><p>　　磁通 的變化可通過(guò)多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，如磁鐵與線圈之間作切割磁力線運(yùn)動(dòng)、磁路中

29、磁阻變化、恒定磁場(chǎng)中線圈面積變化等，因此可制造出不同類型的傳感器，用于測(cè)量速度、扭矩等物理量。其工作原理：線圈與磁鐵固定不動(dòng)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)著的被測(cè)物體改變磁路的磁阻，從而引起磁力線的增強(qiáng)或減弱，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如圖2-21：</p><p>　　圖2-21磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器</p><p>　　感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化的頻率f 與齒輪轉(zhuǎn)速n成正比。</p><p>　　齒

30、輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒的凹凸面使磁阻改變，磁能量隨之變化。</p><p>　　f=Zn/60 n=605/Z</p><p>　　n-被測(cè)軸的轉(zhuǎn)速r/min</p><p>　　f-感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率HZ</p><p><b>　　Z-齒輪的齒數(shù)</b></p><p>　　2.1.3 直流電機(jī)

31、轉(zhuǎn)速控制器</p><p>　　轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)配置的是直流電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速由電樞電壓決定，用微機(jī)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速十分</p><p>　　方便。本系統(tǒng)中的電機(jī)控制采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制器。脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動(dòng)裝置是利用大功率電力電子元件的開關(guān)特性來(lái)調(diào)制固定電壓的直流電源，按一個(gè)固定的頻率接通和斷開，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長(zhǎng)短，通過(guò)改變直流電動(dòng)機(jī)電樞上電壓的“占空比”

32、來(lái)改變電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。直流電機(jī)調(diào)速器由以下幾基本部分組成：PWM波產(chǎn)生電路、驅(qū)動(dòng)電路、功率放大電路等，如圖2-3所示；</p><p><b>　　速度指令</b></p><p>　　圖2-3 PWM電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)原理</p><p><b>　　2.2軟件系統(tǒng)</b></p><p&

33、gt;　　2.2.1開發(fā)軟件 </p><p>　　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)軟件開發(fā)主要使用美國(guó)國(guó)家儀器公司推出的基于圖形開發(fā)的優(yōu)秀集成環(huán)境LabView，Labview作為適時(shí)推出的一個(gè)優(yōu)秀的測(cè)控軟件開發(fā)平臺(tái)和虛擬儀器構(gòu)建環(huán)境，得到了廣泛的應(yīng)用。Labview作為優(yōu)秀G語(yǔ)言的代表，提供了儀器化的編程環(huán)境和良好的網(wǎng)絡(luò)接口，使編程工作大大簡(jiǎn)便，并可方便的由單機(jī)版程序升級(jí)為網(wǎng)絡(luò)程序。試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)軟件主要包括以下幾個(gè)功能模塊：數(shù)

34、據(jù)采集模塊、信號(hào)分析和處理模塊、轉(zhuǎn)速測(cè)量和控制模塊、電源控制模塊，數(shù)據(jù)采集模塊主要是對(duì)軸心位移、振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集；信號(hào)分析模塊負(fù)責(zé)對(duì)采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析、頻譜分析等；轉(zhuǎn)速測(cè)控模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的測(cè)控和轉(zhuǎn)速的精確控制；電源控制控制各種電源設(shè)備的啟閉?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)控軟件運(yùn)行于試驗(yàn)服務(wù)器端，遠(yuǎn)程用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制本地測(cè)控系統(tǒng)的運(yùn)行。</p><p>　　LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境(Laborator

35、y Virtual Instrument Engineering Workbench)的簡(jiǎn)稱，是一種集數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測(cè)量分析和數(shù)據(jù)顯示功能于一體的圖形化開發(fā)環(huán)境，為用戶提供簡(jiǎn)明、直觀、易用的圖形編程方式。它提供了一種全新的程序編寫方法，即對(duì)稱之為“虛擬儀器”（Virtual Instruments, VIs）的軟件對(duì)象進(jìn)行圖形化的組合操作，能夠?qū)⒎爆崗?fù)雜的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成為以菜單提示方式選擇功能，并且用線條將各種功能連接起來(lái)，這樣開

36、發(fā)人員就不再需要使用復(fù)雜的傳統(tǒng)開發(fā)環(huán)境即可享用強(qiáng)大的編程語(yǔ)言帶來(lái)的靈活性，在同一環(huán)境下就可以使用廣泛的采集、分析和顯示功能。</p><p>　　LabVIEW廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，被視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通信的全部功能，還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)，這是

37、一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的測(cè)控軟件，利用它可以方便的建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過(guò)程都生動(dòng)有趣。</p><p>　　所有LabVIEW應(yīng)用程序，即虛擬儀器，它包括前面板、流程圖以及圖標(biāo)/連接器三部分</p><p>　　程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實(shí)儀表的前面板。在程序前面板上，輸入量被稱為控制（Controls），輸出量被稱為顯示（Indicator

38、s）?？刂坪惋@示是以各種圖標(biāo)形式出現(xiàn)在前面板上，如旋鈕、開關(guān)、按鈕、圖表、圖形等，這使這得前面板直觀易懂。</p><p>　　每一個(gè)程序前面板都對(duì)應(yīng)著一段框圖程序。框圖程序用LabVIEW圖形編程語(yǔ)言編寫，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼?？驁D程序由端口、節(jié)點(diǎn)、圖框和連線構(gòu)成。其中端口被用來(lái)同程序前面板的控制和顯示傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)被用來(lái)實(shí)現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖框被用來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令，而連線代表程序執(zhí)行過(guò)程中的

39、數(shù)據(jù)流，定義了框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。</p><p>　　圖標(biāo)/連接器是子VI被其它VI調(diào)用的接口。圖標(biāo)是子VI在其他程序框圖中被調(diào)用的節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)形式；而連接器則表示節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的輸入/輸出口，就象函數(shù)的參數(shù)。用戶必須指定連接器端口與前面板的控制和顯示一一對(duì)應(yīng)。</p><p>　　與傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言比較，LabVIEW圖形編程方式能夠節(jié)省85％以上的程序開發(fā)時(shí)間，其運(yùn)行速度卻幾乎不受影響，體現(xiàn)出

40、了極高的效率。在LabVIEW 中，可以利用旋鈕、開關(guān)、轉(zhuǎn)盤、圖表等控制件和顯示件建立用戶界面，即前面板，用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的控制面板?？刂萍ㄐo、按鈕等輸入控件，顯示件包括圖表、LED 等顯示器件。在完成用戶界面的創(chuàng)建后，通過(guò)VI 和結(jié)構(gòu)添加代碼來(lái)控制前面板上的對(duì)象。這些程序代碼就構(gòu)成了程序框圖。利用LabVIEW，可以和諸如數(shù)據(jù)采集設(shè)備、圖像設(shè)備、運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備等硬件進(jìn)行通信，也可以和GPIB、PXI、VXI、RS-232、RS-4

41、85 儀器通信。所以說(shuō)，作為一種圖形化的開發(fā)環(huán)境，LabVIEW具有以下特點(diǎn)：</p><p>　　圖形化的編程方式，設(shè)計(jì)者無(wú)需寫任何文本格式的代碼，使用“所見即所得”的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面</p><p>　　提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲(chǔ)的庫(kù)函數(shù)。</p><p>　　提供了傳統(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步執(zhí)行，同時(shí)提供有讀到的高亮度執(zhí)行工具，使程序動(dòng)畫

42、式執(zhí)行，利于觀察程序運(yùn)行的細(xì)節(jié)，使程序的調(diào)試和開發(fā)更為便捷。</p><p>　　32bit的編譯器編譯生成32bit的編譯程序，保證用戶數(shù)據(jù)采集、測(cè)試和測(cè)量方案的高速執(zhí)行。</p><p>　　從底層VXI儀器、數(shù)據(jù)采集板到總線接口硬件和GPIB的驅(qū)動(dòng)程序，囊括了DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS232/485在內(nèi)的各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)，使得不懂總線標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)者也能夠驅(qū)

43、動(dòng)不同總線標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備和儀器。</p><p>　　提供大量與外部代碼或軟件進(jìn)行連接的機(jī)制，諸如DLLs (動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù))、DDE(共享庫(kù))、ActiveX等。</p><p>　　支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)和TCP/IP等強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便聯(lián)絡(luò)、遠(yuǎn)程測(cè)控儀器的開發(fā)。 </p><p>　　2.22 轉(zhuǎn)速測(cè)控軟件 </p><

44、;p><b>　　如圖2-4所示：</b></p><p>　　圖2-4 轉(zhuǎn)速測(cè)控軟件結(jié)構(gòu)</p><p>　　第三章 轉(zhuǎn)速測(cè)控原理</p><p><b>　　3.1轉(zhuǎn)速測(cè)量方法</b></p><p>　　在工程實(shí)踐中，我們經(jīng)常會(huì)遇到各種需要測(cè)量轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合，例如，在發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)等旋轉(zhuǎn)

45、設(shè)備的試驗(yàn)、運(yùn)轉(zhuǎn)和控制中，常需要分時(shí)或連續(xù)測(cè)量和顯示其轉(zhuǎn)速及瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。而另一些問(wèn)題除了要求能精確地測(cè)量轉(zhuǎn)速外，還要保證測(cè)量的實(shí)時(shí)性，要求能測(cè)量瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。因此轉(zhuǎn)速測(cè)量方法的研究是很有必要的。</p><p>　　轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法可分為模擬式和數(shù)字式兩種，模擬式采用測(cè)速發(fā)電機(jī)為檢測(cè)元件，得到的信號(hào)是電壓量，而數(shù)字式通常采用光電編碼器、圓光柵等作為檢測(cè)元件[20]，得到脈沖信號(hào)。隨著微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，智能化微電腦式代

46、替了一般機(jī)械式或模擬量結(jié)構(gòu)，電機(jī)的數(shù)字式測(cè)量方法應(yīng)用越來(lái)越廣泛。其方法共有三種計(jì)數(shù)法、計(jì)時(shí)法和計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)法。這幾種方法均有各自的特點(diǎn)和使用范圍。</p><p><b>　　1）計(jì)數(shù)法：</b></p><p>　　計(jì)數(shù)法是在設(shè)定的定時(shí)時(shí)間t內(nèi)讀取盤脈沖數(shù)m。由m/t計(jì)算出轉(zhuǎn)速，對(duì)于相同的t，盤脈沖的多少，反映了轉(zhuǎn)速的高低，其原理圖如圖3-1：</p>&

47、lt;p><b>　　圖3-1 計(jì)數(shù)法</b></p><p>　　對(duì)計(jì)算機(jī)而言，定時(shí)時(shí)間t是非常精確的，但由于t采樣的起始點(diǎn)和終點(diǎn)與盤信號(hào)位置有一定的隨機(jī)性，不一定正好對(duì)應(yīng)整數(shù)個(gè)盤脈沖，因而會(huì)造成不足一個(gè)盤脈沖的多計(jì)或少計(jì)，如圖3-8陰影線部分，轉(zhuǎn)速測(cè)量的誤差主要來(lái)自于±個(gè)盤脈沖，當(dāng)t較小，尤其是作瞬時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量時(shí)，</p><p>　　這個(gè)±

48、;1個(gè)盤脈沖會(huì)帶來(lái)較大的誤差。因此計(jì)數(shù)法適合高速場(chǎng)合。</p><p><b>　　2）計(jì)時(shí)法 </b></p><p>　　計(jì)時(shí)法是通過(guò)對(duì)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)測(cè)出相鄰兩個(gè)盤信號(hào)間的時(shí)間間隔，有1/T=1/m來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速值，其測(cè)速原理圖如圖3-2:</p><p><b>　　圖3-2 計(jì)時(shí)法</b></p><

49、;p>　　這種方法的測(cè)量誤差的產(chǎn)生和計(jì)數(shù)法相同，不同的是誤差來(lái)自于±1個(gè)時(shí)鐘脈沖，是非常小的。但測(cè)量的轉(zhuǎn)速的量程有一定的限制，轉(zhuǎn)速愈高，測(cè)量的計(jì)數(shù)值m 愈小，因此計(jì)時(shí)法比較適合用于在低速場(chǎng)合。</p><p><b>　　同步計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)法</b></p><p>　　這種方法的特點(diǎn)是不固定定時(shí)時(shí)間t，主要是設(shè)法使m和t同步，從整數(shù)個(gè)盤脈沖開始計(jì)時(shí)，同樣與

50、整數(shù)個(gè)盤脈沖結(jié)束，記錄的是整數(shù)個(gè)盤脈沖。其原理如圖3-3;</p><p>　　圖3-3 同步計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)法</p><p>　　PA控制各計(jì)時(shí)器的關(guān)閉，在t時(shí)間內(nèi)，實(shí)際計(jì)數(shù)時(shí)間t1開始于t上升后第一個(gè)盤脈沖的上升沿，終止于t 下降第一個(gè)盤脈沖的上升沿，因而得到整數(shù)個(gè)盤脈沖，消除了±1個(gè)脈沖引入的誤差，在t1的下降沿分別讀取盤脈沖數(shù)和時(shí)鐘脈沖數(shù)，即可求得轉(zhuǎn)速。</p>

51、<p>　　由于本系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)速最高能達(dá)到10000轉(zhuǎn)/分鐘，速度很高，所以本系統(tǒng)采用了計(jì)數(shù)法測(cè)速。</p><p><b>　　3.2轉(zhuǎn)速控制方法</b></p><p>　　實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)的異地遠(yuǎn)程調(diào)用必須首先使試驗(yàn)平臺(tái)的控制完全由計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程試驗(yàn)的必備條件。這種控制主要包括兩個(gè)方面:</p><p>　　試驗(yàn)臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速的

52、控制</p><p><b>　　1）脈寬調(diào)制技術(shù)</b></p><p>　　用微機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速十分方便，目前常用的方法是利用PWM（脈沖寬度調(diào)制技術(shù)），PWM廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信、功率控制與變換等許多領(lǐng)域。簡(jiǎn)而言之，PWM是一種脈寬可以控制的固定頻率的脈沖，通過(guò)改變脈寬就可以改變電壓的平均輸出幅度，非常適合直流電機(jī)的調(diào)速。下圖3-4所示電壓幅度為5V的脈

53、沖，當(dāng)脈沖占空比是50﹪時(shí)，其平均電壓就是2.5 V.當(dāng)脈沖的占空比是10﹪時(shí)，其平均輸出電壓就是0.5V。</p><p><b>　　圖3-4 脈寬調(diào)制</b></p><p>　　在一個(gè)開關(guān)周期 T 內(nèi)，設(shè)定ton，在 0＜t ≤ton時(shí)刻導(dǎo)通，有電流通過(guò)電機(jī)，在</p><p>　　ton＜ t ≤ T 時(shí)刻斷開，無(wú)電流通過(guò)電機(jī)，這樣占

54、空比ρ：</p><p>　　ρ＝ ton / T </p><p>　　有 Ud =ρUs </p><p>　　Ud：電機(jī)兩端平均電壓，Us：外接驅(qū)動(dòng)電壓</p><p>　　由以上公式得出，改變?chǔ)鸭锤淖冋伎毡染涂梢愿淖兛刂齐妷旱拿}沖寬度，從而控制電動(dòng)機(jī)兩端平均電壓Ud的大小，達(dá)到調(diào)速的目的，這種調(diào)速方法就叫做脈寬調(diào)速(PWM)。<

55、;/p><p>　　2）直流電機(jī)控制過(guò)程 </p><p>　　直流電機(jī)控制系統(tǒng)一般由五大部分組成，原理圖如下所示3-5：</p><p>　　圖3－5 直流電機(jī)控制原理</p><p>　　a)速度設(shè)定 速度設(shè)定一般通過(guò)鍵盤上的功能鍵和數(shù)字鍵輸入。也可以通過(guò)從電位器上取出一定的電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，獲得相應(yīng)得數(shù)字量，操作是通過(guò)調(diào)節(jié)電

56、位器來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。</p><p>　　b)脈沖寬度發(fā)生器 計(jì)算占空比，產(chǎn)生PWM脈沖</p><p>　　c)隔離及電平轉(zhuǎn)換 PWM信號(hào)不能直接輸入驅(qū)動(dòng)電路，必須通過(guò)相應(yīng)得隔離電路和電平轉(zhuǎn)換電路。</p><p>　　d)驅(qū)動(dòng)器 為了驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，必須將PWM信號(hào)放大，以便控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　e)電動(dòng)機(jī) 作為被控對(duì)象

57、，用來(lái)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。</p><p><b>　　3）直流電機(jī)控制</b></p><p>　　為了提高直流電機(jī)控速的精度，通常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，也就是在開環(huán)的基礎(chǔ)上增加電機(jī)運(yùn)行速度檢測(cè)回路，將檢測(cè)到的速度與設(shè)定值進(jìn)行比較，并由數(shù)字PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)?？刂屏鞒虉D如3-6：</p><p>　　圖3-6 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制框圖</p>

58、<p>　　本系統(tǒng)直流電機(jī)的控制接口選擇的是包含專用接口芯片的轉(zhuǎn)速控制器，計(jì)算機(jī)輸出的0-10V轉(zhuǎn)速控制電壓經(jīng)隔離后輸入到直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器，轉(zhuǎn)速控制器就可以調(diào)節(jié)加到直流電機(jī)上的平均電壓，從而控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p><b>　　2）PID控制</b></p><p>　　在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中常用的控制器有：PID控制器、雙?？刂破鞯?。PID（比

59、例-積分-微分）控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有50多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡(jiǎn)單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，同時(shí)由于計(jì)算機(jī)具有快速、靈活多樣的邏輯判斷以及高效的信息加工能力的特點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)PID控制時(shí)，可以對(duì)PID控制器進(jìn)行多種改進(jìn)，形成多種多樣的數(shù)字PID控制器，因而在電氣控制領(lǐng)域PID控制器的使用最為廣泛。</p><p>　　PID控制器由比例單元（P）、積分單元

60、（I）和微分單元（D）組成。它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個(gè)參數(shù)（Kp， Ki和Kd）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個(gè)單元，可以取其中的一到兩個(gè)單元，但比例控制單元是必不可少的。 首先，PID應(yīng)用范圍廣。雖然很多工業(yè)過(guò)程是非線性或時(shí)變的，但通過(guò)對(duì)其簡(jiǎn)化可以變成基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)，這樣PID就可控制了。　　 其次，PID參數(shù)較易整定。也就是，PID參數(shù)Kp，Ki和K

61、d可以根據(jù)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性及時(shí)整定。如果過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變化，PID參數(shù)就可以重新整定。</p><p>　　第三，PID控制器在實(shí)踐中也不斷的得到改進(jìn)，下面兩個(gè)改進(jìn)的例子。在工廠，總是能看到許多回路都處于手動(dòng)狀態(tài)，原因是很難讓過(guò)程在“自動(dòng)”模式下平穩(wěn)工作。由于這些不足，采用PID的工業(yè)控制系統(tǒng)總是受產(chǎn)品質(zhì)量、安全、產(chǎn)量和能源浪費(fèi)等問(wèn)題的困擾。PID參數(shù)自整定就是為了處理PI

62、D參數(shù)整定這個(gè)問(wèn)題而產(chǎn)生的?，F(xiàn)在，自動(dòng)整定或自身整定的PID控制器已是商業(yè)單回路控制器和分散控制系統(tǒng)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。在一些情況下針對(duì)特定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的PID控制器控制得很好，但它們?nèi)源嬖谝恍﹩?wèn)題需要解決：如果自整定要以模型為基礎(chǔ)，為了PID參數(shù)的重新整定在線尋找和保持好過(guò)程模型是較難的。閉環(huán)工作時(shí)，要求在過(guò)程中插入一個(gè)測(cè)試信號(hào)。這個(gè)方法會(huì)引起擾動(dòng)，所以基于模型的PID參數(shù)自整定在工業(yè)應(yīng)用不是太好。如果自整定是基于控制律的，經(jīng)常難以把由負(fù)載干擾

63、引起的影響和過(guò)程動(dòng)態(tài)特性變化引起的影響區(qū)分開來(lái)，因此受到干擾的影響控制器會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，產(chǎn)生一個(gè)不必要的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換。另外，由于基于控制律的系統(tǒng)沒(méi)有成熟的穩(wěn)定性分析方法，參數(shù)整定可靠與否存在很多問(wèn)題。 因此，許多自身整定參數(shù)的PID控制器經(jīng)常工作在自動(dòng)整定模式而不是連續(xù)的自身整定模式。自動(dòng)</p><p>　　PID在控制非線性、時(shí)變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過(guò)程時(shí)，工作地不是太好。最重要的是，如果PID控

64、制器不能控制復(fù)雜過(guò)程，無(wú)論怎么調(diào)參數(shù)都沒(méi)用。雖然有這些缺點(diǎn)，PID控制器是最簡(jiǎn)單的有時(shí)卻是最好的控制器。</p><p>　　PID控制系統(tǒng)如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-7 PID控制</p><p>　　圖中，D（s）為控制器。在PID控制系統(tǒng)中，D（s）完成PID控制規(guī)律，稱為PID控制器。 PID控制器是一種線性控制器，用輸出量y（t）和給定量

65、r（t）之間的誤差的時(shí)間函數(shù)。e(t)=r(t)-y(t) ， 比例，積分，微分的線性組合，構(gòu)成控制量u（t），稱為比例（Proportional）積分（Integrating）微分（Differentiation）控制，簡(jiǎn)稱PID控制。</p><p>　　PID控制算法的模擬表達(dá)式如（3.1）式：</p><p>　　] （3.1）</p><p&g

66、t;　　式中： ：PID控制器的輸出量</p><p>　?。篜ID控制器的輸入偏差量</p><p>　?。篜ID控制器的比例系數(shù)</p><p>　?。篜ID控制器的積分時(shí)間常數(shù)</p><p>　　：PID控制器的微分時(shí)間常數(shù)</p><p>　　應(yīng)用PID控制，必須適當(dāng)?shù)卣{(diào)整比例放大系數(shù)KP，積分時(shí)間TI

67、和微分時(shí)間TD，使整個(gè)控制系統(tǒng)得到良好的性能。PID參數(shù)整定方法有許多種，本試驗(yàn)采用適湊法，通過(guò)實(shí)際的閉環(huán)運(yùn)行，觀察系統(tǒng)的相應(yīng)曲線，然后調(diào)節(jié)參數(shù)，反復(fù)試湊，以達(dá)到滿意的響應(yīng)，從而確定PID的參數(shù)。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)kP 、TI 、TD對(duì)控制系統(tǒng)由如下影響：</p><p>　　比例系數(shù)kP 若比例系數(shù)kP太小，將使系統(tǒng)動(dòng)作緩慢。增加kP，可提高系統(tǒng)的靈敏度，加快調(diào)節(jié)速度。但是，若kP取值偏大，則容易引起振蕩，

68、反而使調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)，且當(dāng)kP太大時(shí)，系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定狀態(tài)。</p><p>　　積分時(shí)間TI 積分控制可以消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，提高控制精度。動(dòng)態(tài)時(shí)，積分控制常使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。TI值太小，系統(tǒng)不穩(wěn)定，容易引起振蕩；TI值太大，對(duì)系統(tǒng)的影響將消弱。只有選擇合適的TI才可以使系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程趨于理想狀態(tài)。</p><p>　　微分時(shí)間TD 微分時(shí)間TD的主要作用是減少超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，

69、允許加強(qiáng)比例控制，從而減少穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度和改善動(dòng)態(tài)特性。但TD值偏大或偏小會(huì)適得其反，所以必須選取合適的TD值。</p><p>　　電機(jī)轉(zhuǎn)速控制流程如圖3-8所示</p><p>　　圖3-8電機(jī)轉(zhuǎn)速控制流程</p><p>　　PID參數(shù)進(jìn)行整定時(shí)如果能夠有理論的方法確定PID參數(shù)當(dāng)然是最理想的方法，但是在實(shí)際的應(yīng)用中，更多的是通過(guò)湊試法來(lái)確定PID的參

70、數(shù)。增大比例系數(shù)P一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但是過(guò)大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。增大積分時(shí)間I有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，但是系統(tǒng)靜差消除時(shí)間變長(zhǎng)。增大微分時(shí)間D有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的抑制能力減弱。在湊試時(shí)，可參考以上參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制過(guò)程的影響趨勢(shì)，對(duì)參數(shù)調(diào)整實(shí)行先比例、后積分，再微分的整定步驟。</p>

71、;<p>　　第四章 轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)虛擬儀器開發(fā)</p><p>　　儀器儀表作為測(cè)控的重要工具在科研和生產(chǎn)過(guò)程中起著重要作用，在對(duì)大規(guī)模、自動(dòng)化、智能化電子測(cè)控系統(tǒng)的需求愈發(fā)迫切的形式下，計(jì)算機(jī)技術(shù)、儀器技術(shù)和通信技術(shù)的結(jié)合開創(chuàng)了儀器儀表新的里程碑---虛擬儀器技術(shù) ，它結(jié)合了計(jì)算機(jī)和傳統(tǒng)儀器儀表的特點(diǎn)，具有更高的靈活性和可定義性。本遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)就是根據(jù)這一特點(diǎn)，采用虛擬儀器開發(fā)工具Labview

72、開發(fā)了本地測(cè)控系統(tǒng)，方便地實(shí)現(xiàn)了儀器的網(wǎng)絡(luò)化。</p><p>　　4.1 虛擬儀器概述</p><p>　　虛擬儀器（Virtual Instrument）是計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器系統(tǒng)結(jié)合的產(chǎn)物。它把計(jì)算機(jī)、傳感器、儀器儀表等硬件與計(jì)算機(jī)軟件結(jié)合起來(lái)。除繼承傳統(tǒng)儀器的已有功能外，還增加了許多傳統(tǒng)儀器所不能及的先進(jìn)功能。虛擬儀器的最大特點(diǎn)是其靈活性，用戶在使用過(guò)程中可以根據(jù)需要定制儀器功能，以滿

73、足各種需求和各種環(huán)境，并且能充分利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、表達(dá)、傳送、存儲(chǔ)方面的限制。</p><p>　　猶豫虛擬儀器系統(tǒng)是基于模塊化軟件標(biāo)準(zhǔn)的開放系統(tǒng)，當(dāng)用戶測(cè)試要求變化時(shí)可方便地由用戶自己來(lái)增減硬件、軟件模塊，或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足新的測(cè)試要求。這樣，當(dāng)用戶從一個(gè)項(xiàng)目轉(zhuǎn)向另一個(gè)項(xiàng)目時(shí)，就能簡(jiǎn)單地構(gòu)造出新的VI系統(tǒng)而不丟棄已有的硬件和軟件資源。總之，使用虛擬儀器系統(tǒng)不僅提高了開

74、發(fā)效率而且降低了開發(fā)成本，在系統(tǒng)測(cè)控方案的選擇中處于優(yōu)勢(shì)地位。</p><p>　　4.1.1 虛擬儀器的概念</p><p>　　所謂虛擬儀器，就是在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上定義和設(shè)計(jì)儀器的功能，用戶操作和使用計(jì)算機(jī)的同時(shí)就是在使用一臺(tái)專門的電子儀器。虛擬儀器以計(jì)算機(jī)為核心，充分利于計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形顯示和數(shù)據(jù)處理能力，提供對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析和顯示。</p><p>　　虛擬儀器

75、通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與模塊化硬件結(jié)合起來(lái)，用戶可以通過(guò)友好的圖形界面操作這臺(tái)儀器，就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺(tái)單個(gè)儀器一樣，從而完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集、處理、分析、顯示、存儲(chǔ)等功能。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器一樣可劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)表達(dá)三個(gè)模塊，如圖4.1所示。虛擬儀器以透明的方式把計(jì)算機(jī)資源和儀器硬件結(jié)合在一起，通過(guò)應(yīng)用程序提供的儀器硬件接口和圖形化用戶界面，用戶可以方便的操作儀器硬件，而不必深入了解GPIB(通用接口總線

76、、VIX（工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)VEM總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展）、DAQ（數(shù)據(jù)采集）等方面的細(xì)節(jié)。</p><p>　　圖4－1 虛擬儀器的內(nèi)部功能劃分</p><p>　　由于VI的模塊化、開放性和靈活性，以及軟件是關(guān)鍵的特點(diǎn)，用戶可以大大提高系統(tǒng)的復(fù)用率，加快開發(fā)周期降低開發(fā)成本，通過(guò)表4.2可清楚的看出VI與傳統(tǒng)儀器的區(qū)別。</p><p>　　表4-2 VI與傳統(tǒng)儀器的區(qū)別&

77、lt;/p><p>　　4.1.2 虛擬儀器的基本結(jié)結(jié)構(gòu)和類型</p><p>　　從構(gòu)成要來(lái)講，虛擬儀器系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件組成的；根據(jù)儀器硬件的不同，則分為以DAQ板和信號(hào)調(diào)理為儀器硬件組成的PC-DAQ測(cè)試系統(tǒng)，和以GPIB、VXI、串行總線和現(xiàn)場(chǎng)總線等標(biāo)準(zhǔn)總線儀器為硬件組成的GPIB系統(tǒng)、VXI系統(tǒng)、串行總線系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)等。目前常用的虛擬儀器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、GPIB

78、控制系統(tǒng)、VXI儀器系統(tǒng)。因此，VI的發(fā)展已經(jīng)完全跟上計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展步伐，同時(shí)也顯示出VI的靈活性與強(qiáng)大的生命力。虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3 虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成</p><p>　　4.1.3 虛擬儀器的演變與發(fā)展</p><p>　　1）.虛擬儀器發(fā)展歷程</p><p>　　電子儀器的發(fā)展經(jīng)歷了由模擬

79、儀器、數(shù)字化儀器、智能儀器和虛擬儀器幾個(gè)發(fā)展階段。第一代的模擬儀器如指針式萬(wàn)用表、晶體管電壓表等，它們的基本結(jié)構(gòu)是電磁機(jī)械式的，用指針來(lái)顯示結(jié)果。第二代的數(shù)字化儀器如數(shù)字電壓表、數(shù)字頻率計(jì)等。這種儀器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)測(cè)量，并以數(shù)字方式輸出顯示。第三代的智能儀器內(nèi)置微處理器，具有一定的數(shù)據(jù)處理功能。但它的功能全部都以硬件的形式存在。缺乏靈活性。第四代的虛擬儀器是計(jì)算機(jī)、通信技術(shù)和測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)的處理能力一直按

80、指數(shù)速率提高，發(fā)展之快已把傳統(tǒng)儀器遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在了后面。計(jì)算機(jī)具有儀器所需要的、最先進(jìn)及性能價(jià)格比最好的顯示與存儲(chǔ)能力。高分辨的圖形顯示器與大容量的存貯器也已成為標(biāo)準(zhǔn)配置。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展結(jié)合虛擬儀器技術(shù)，其內(nèi)容將更加的豐富，網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器將成為儀器技術(shù)的發(fā)展主流。</p><p>　　2）.虛擬儀器的軟件是關(guān)鍵</p><p>　　配置好計(jì)算機(jī)和必要的儀器硬件之后，構(gòu)造和使

81、用虛擬儀器（VI）的關(guān)鍵在于軟件。這是因?yàn)閼?yīng)用軟件為用戶構(gòu)造或使用VI提供了集成開發(fā)環(huán)境、高水平的儀器硬件接口和用戶接口。軟件在VI技術(shù)中起著重要作用，相同的硬件，編制不同的應(yīng)用程序虛擬儀器的功能就會(huì)不同。NI提出的“軟件就是儀器”（The Software is the Instrument）形象地概括了軟件在VI中的重要作用，因此虛擬儀器的軟件是關(guān)鍵。</p><p>　　3）.虛擬儀器的發(fā)展趨勢(shì)</p

82、><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷完善，虛擬儀器將向以下三個(gè)方向發(fā)展</p><p>　　(1)外掛式虛擬儀器 插卡式虛擬儀器是現(xiàn)在比較流行的虛擬儀器系統(tǒng)，但由于插卡式儀器使用時(shí)要打開機(jī)箱，不是很方便，而且主機(jī)上的PCI插槽有限，再加上測(cè)試信號(hào)直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)，各種現(xiàn)場(chǎng)的被測(cè)信號(hào)對(duì)計(jì)算機(jī)的安全造成很大的威脅，同時(shí)，計(jì)算機(jī)內(nèi)部的強(qiáng)電磁干擾對(duì)被測(cè)信號(hào)也會(huì)造成很大的影響，故以

83、USB接口方式的外掛式虛擬儀器系統(tǒng)將成為今后廉價(jià)型虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的主流。 (2)PXI型高精度集成虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)PXI系統(tǒng)高度的可擴(kuò)展性和良好的兼容性，以及比VXI系統(tǒng)更高的性價(jià)比，將使它成為未來(lái)大型高精度集成測(cè)試系統(tǒng)的主流虛擬儀器平臺(tái)。 (3)網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將分散在不同地理位置不同功能的測(cè)試設(shè)備聯(lián)系在一起，使昂貴的硬件設(shè)備、軟件在網(wǎng)絡(luò)上得以共享，減少了設(shè)備重復(fù)投資?，F(xiàn)在，有關(guān)MCN(Measurement and C

84、ontrol Networks)方面的標(biāo)準(zhǔn)正在積極進(jìn)行，并取得了一定進(jìn)展。網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器將具有廣泛的應(yīng)用前景。</p><p>　　4.2 轉(zhuǎn)速測(cè)量和控制虛擬儀器的設(shè)計(jì)</p><p>　　試驗(yàn)臺(tái)各參數(shù)的正確控制和測(cè)量是遠(yuǎn)程試驗(yàn)成功的關(guān)鍵。采用Labview構(gòu)造本地的虛擬儀器測(cè)控系統(tǒng)，僅可以方便靈活的采集、分析、 測(cè)量各信號(hào)量，而且還能提供良好的儀器操作界面以便監(jiān)控和干預(yù)遠(yuǎn)程用戶的試驗(yàn)過(guò)

85、程。軟件框圖所示：</p><p>　　轉(zhuǎn)速測(cè)控模塊的功能是對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量和控制。轉(zhuǎn)速測(cè)量的原理如下圖4-4所示：</p><p>　　圖4－4 轉(zhuǎn)速測(cè)量原理</p><p>　　轉(zhuǎn)速傳感器獲得的盤脈沖信號(hào)接入計(jì)數(shù)器的SOURCE端，GATE端輸入已知幅寬的脈沖信號(hào)，測(cè)出已知幅寬脈沖信號(hào)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)盤脈沖信號(hào)的脈沖數(shù)count,則盤脈沖的頻率為f=count/T

86、,轉(zhuǎn)速n=60count / TM轉(zhuǎn)/分鐘(M為圓盤上齒的個(gè)數(shù)，本系統(tǒng)N=4).</p><p>　　轉(zhuǎn)速測(cè)量程序開發(fā)時(shí)，首先使用使用計(jì)數(shù)器0產(chǎn)生已知周期的脈沖序列,并將數(shù)據(jù)采集卡的GPCTR0-OUT與GPCTR1-GATE連接起來(lái)，這就為計(jì)數(shù)器1進(jìn)行計(jì)數(shù)提供了已知脈寬的脈沖進(jìn)行計(jì)時(shí)。產(chǎn)生連續(xù)脈沖序列所用的函數(shù)Generate Pulse Train ,其周期可以設(shè)置，這個(gè)周期也就是計(jì)數(shù)的時(shí)間，可以根據(jù)轉(zhuǎn)速的高

87、低調(diào)整。然后用計(jì)數(shù)器1進(jìn)行計(jì)數(shù)，采用Count Bufferrd edges函數(shù)，此VI的功能是對(duì)輸入GPCTR1-SOURSE的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并把計(jì)數(shù)值送入緩沖區(qū)，GPCTR1-GATE端口每輸入一個(gè)脈沖，程序就從緩沖區(qū)讀一次計(jì)數(shù)值。兩次計(jì)數(shù)值得差就是在已知時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值，進(jìn)而可計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。</p><p>　　本系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制是采用的軟件算法閉環(huán)PID控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，LabVIEW提供了PID控制工具包。調(diào)用

88、函數(shù)PID.vi 。把實(shí)際測(cè)量到的轉(zhuǎn)速送入process variable參數(shù)，通過(guò)參數(shù)setpoint 進(jìn)行轉(zhuǎn)速設(shè)定，采用試湊法調(diào)整PID參數(shù)到合適的值，控制算法通過(guò)比較實(shí)際轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)速之間的差別，計(jì)算出一個(gè)新的轉(zhuǎn)速控制值，通過(guò)模擬輸出通道將這個(gè)控制信號(hào)輸出，經(jīng)隔離后接入直流電機(jī)控制器，這樣就可以精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速測(cè)控模塊的前面板和程序框圖如圖4-5和4-6所示：</p><p>　　圖4-5轉(zhuǎn)速測(cè)控

89、前面板</p><p>　　圖4-6 轉(zhuǎn)速測(cè)控程序框圖</p><p><b>　　第五章 總 結(jié)</b></p><p>　　電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法很多，其中利用光電式轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)速分辨力高慣性小，反應(yīng)時(shí)間快，抗干擾能力強(qiáng)，使用于瞬態(tài)轉(zhuǎn)速的測(cè)試，而且其測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速簡(jiǎn)便，使得光電十轉(zhuǎn)速傳感應(yīng)用廣泛。</p><p>　

90、　在電機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量中，影響測(cè)量精度的主要因素有兩個(gè)：一是采樣點(diǎn)的多少，采樣點(diǎn)越多，速度測(cè)量結(jié)果越精確，尤其是對(duì)于低轉(zhuǎn)速的測(cè)量。二是采樣頻率，采樣頻率越高，采樣的數(shù)據(jù)就越準(zhǔn)確。論文中采用改進(jìn)的M法，倍頻電路的作用降低了采樣點(diǎn)少的影響，較成功地解決了其在低轉(zhuǎn)速時(shí)精度差的問(wèn)題。</p><p>　　本文以轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)為研究對(duì)象，開發(fā)完成了一個(gè)測(cè)控系統(tǒng)。本文主要完成了一下幾個(gè)方面的工作：</p><p&

91、gt;　　1 系統(tǒng)配置了基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集卡、測(cè)量各參數(shù)的傳感器（位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等）、信號(hào)調(diào)理設(shè)備，構(gòu)建了虛擬儀器的硬件平臺(tái)。</p><p>　　2 基于專業(yè)測(cè)控軟件Labview平臺(tái)，開發(fā)了界面友好、功能強(qiáng)大的轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)虛擬儀器軟件。通過(guò)這個(gè)軟件，可以完成轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)以下實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：軸心位移的測(cè)量、軸心軌跡的測(cè)量、振動(dòng)信號(hào)分析、</p><p>　　3 采用Labview

92、的遠(yuǎn)程面板功能，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程異地測(cè)量。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 朱小矛. 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下遠(yuǎn)程測(cè)控技術(shù)研究：[碩士學(xué)位論文]. 西安：西安交通大學(xué)，2002</p><p>　　[2] 曹軍義，劉曙光. 基于Internet的遠(yuǎn)程測(cè)控技術(shù). 國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2001，6;17-21</p>

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94、t;/p><p>　　[10] 孫傳友，孫曉斌，漢澤西，等. 測(cè)控系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì). 北京：北京航空航天大學(xué)出版社.，2002</p><p>　　[11] 浦昭邦，王寶光. 測(cè)控儀器設(shè)計(jì). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001</p><p>　　[12]王化祥，張淑英. 傳感器原理及技術(shù). 天津：天津大學(xué)出版社， 1999，239~241.</p><p

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96、3] 邱丹，王東，高振東. 直流電機(jī)PWM閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng). 青島大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，15（1）：10-12</p><p>　　[24] 兆妍，岳樹盛. PID控制研究與應(yīng)用. 河北理工工學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，24：19-25</p><p>　　[28] 劉洋. 虛擬儀儀器技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì). 儀器技術(shù)，2003，（2）</p><p>　　[29] 正盛. 虛擬儀器技

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99、></p><p>　　在做此畢業(yè)設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程中，無(wú)論是老師，學(xué)廠還是同學(xué)們都給予了我無(wú)私，莫大的幫助。在此我最誠(chéng)摯的謝意！</p><p>　　首先我要感謝***老師，作為我的指導(dǎo)老師，她的正確引導(dǎo)和嚴(yán)格監(jiān)督促使我認(rèn)真完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，還使我學(xué)會(huì)了好多相關(guān)知識(shí)，還有她給我提供的學(xué)習(xí)資料和軟硬件設(shè)備，對(duì)我的論文的完成起到至關(guān)重要的作用。</p><p>　　在這