USB6341控制伺服電機實驗報告

1、伺服控制系統(tǒng)課程設計預習報告 姓 名： 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 指導教師： 完成日期： 2016.10.30 一、課程設計目的1、掌握初步的自動控制系統(tǒng)集成概念和工程動手能力，學會分析和解決實際工作中出現的問題；2、培養(yǎng)學生能夠運用現代工程工具和信息技術工具對復雜電氣工程問題進行預測和模擬，并理 解其局限性。二、課程設計內容及要求綜合運用直流電機調速、電力電子與 PWM 控制、自動控制與 PID 閉環(huán)調節(jié)、轉速傳感器與檢 測等基本原理與技術知識，在基于計算機的 LabVIEW/DAQ 測控平臺上，完成雙直流電機同步伺服 控制系統(tǒng)的建立，調整控制參數，設計人機接口，觀察實驗波形和調速效果，

2、得出實驗結論。具體 要求包括： 1、檢索伺服電機控制系統(tǒng)的技術資料，了解其應用現狀與發(fā)展趨勢。 2、參閱 LabVIEW/DAQ 實驗平臺的官方英文資料，熟悉實驗開發(fā)系統(tǒng)。 3、掌握整個伺服電機實驗系統(tǒng)的結構、原理，重點熟悉各環(huán)節(jié)在整個系統(tǒng)中地位及工作原理。 4、掌握 LabVIEW/DAQ 數據采集、PID 控制、PWM 驅動器設計方法。 5、在 LabVIEW 中實現電機控制軟件的設計，實現轉速閉環(huán) PWM 輸出控制。 6、獨立完成課程設計報告的編寫。 7、進行課程設計的答辯匯報。三、課程設計實驗設備表1 實驗設備名稱與數量設備名稱數量計算機1 臺LabVIEW 開發(fā)軟件系統(tǒng)1 套NI U

3、SB-6341 系列數據采集套件1 套直流電機2 套H 橋驅動電路2 套轉速編碼器2 套直流電源1 臺四、實驗設備的使用1、LabVIEW的編程方法簡述LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一種圖形化的編程語言1，它廣泛地被工業(yè)界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件。LabVIEW 集成了與滿足 GPIB、VXI、RS-232 和 RS-485 協(xié)議的硬件及數據采集卡通訊的全部功能。它還內置了便于應用 TCP/IP、ActiveX 等軟件標準的庫函數。這是一個功能強大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自

4、己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。圖形化的程序語言，又稱為“G”語言。使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或流程圖。它盡可能利用了技術人員、科學家、工程師所熟悉的術語、圖標和概念，因此，LabVIEW 是一個面向最終用戶的工具。它可以增強你構建自己的科學和工程系統(tǒng)的能力，提供了實現儀器編程和數據采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進行原理研究、設計、測試并實現儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。利用 LabVIEW，可產生獨立運行的可執(zhí)行文件，它是一個真正的 32 位編譯器。像許多重要的軟件一樣，LabVIEW 提供了Windows、UNIX、Linux、Ma

5、cintosh 的多種版本。具體來說，它是直觀的前面板與流程圖式的編程方法的結合，是構建虛擬儀器的理想工具。LabVIEW與儀器系統(tǒng)的數據采集、分析、顯示部分一起協(xié)調工作，是簡化了而又易于使用的基于圖形化的編程語言G的開發(fā)環(huán)境。流程圖式的程序設計與科技工程人員較為熟悉的數據流和方塊圖的概念是一致的，而且由于流程圖與傳統(tǒng)程序設計語言的語法細節(jié)無關，構建和測試程序就可以少費時間。使用流程圖方法可以實現內部的自我復制，可以隨時改變虛擬儀器來滿足自己的需要。與傳統(tǒng)的編程方式相比，使用LabVIEW設計虛擬儀器，可以提高效率410倍。同時，利用其模塊化和遞歸方式，用戶可以在很短的時間內構建、設計和更新自

6、己的虛擬儀器系統(tǒng)。2、USB-6341的基本規(guī)范簡述(1)數字 I/O/PFI：USB-6341的數字 I/O/PFI的各種特性2如下表29：表2 數字 I/O/PFI的靜態(tài)特性器件：配置要求：通道數共 24 個，8 (P0.<0.7>), 16 (PFI<0.7> /P1, PFI <8.15>/P2)參考地D GND方向控制各端子可通過編程獨立配置為輸入或輸出下拉電阻常規(guī) 50 k，最低 20 k輸入電壓保護±20 V，最多兩個引腳表3 端口的波形特性端口 0 (P0.<0.7>)的特性：配置要求：端口/采樣容量最高 8 位波形生成

7、(DO) FIFO2,047 個采樣波形采集(DI) FIFO255 個采樣表4 DO 或 DI 采樣時鐘頻率PCIe/PXIe0 MHz1 MHz，取決于系統(tǒng)和總線活動USB0 MHz1 MHz，取決于系統(tǒng)和總線活動表5 數據傳輸要求PCIe/PXIeDMA（分散-收集）、編程控制 I/OUSBUSB 信號流、編程控制 I/O數字線濾波器設置160 ns、10.24 s、5.12 ms、禁用表6 PFI/端口 1/端口 2 功能功能靜態(tài)數字輸入、靜態(tài)數字輸出、定時輸入、 定時輸出定時輸出源多個 AI、AO、計數器、DI、DO 定時信號去抖動濾波設置90 ns、5.12 s、2.56 ms、自

8、定義間隔、禁用；可編程的信號高低轉換；每個輸入可獨立配置表7 工作條件輸入高電壓(VIH)最小值2.2 V最大值5.25 V輸入低電壓(VIL)最小值0 V最大值0.8 V輸出高電流(IOH)P0.<0.7>-24 mA ，最大值PFI<0.15> /P1/P2-16 mA ，最大值輸出低電流(IOL)P0. <0.7>24 mA ，最大值PFI <0.15>/P1/P216 mA ，最大值數字 I/O 特性:正向閾值(VT+)2.2 V，最大值反向閾值(VT-)0.8 V，最小值遲滯差值(VT+ - VT-)0.2 V，最小值IIL 輸入低電流

9、(VIN = 0 V)-10 A，最大值IIH 輸入高電流(VIN = 5 V)250 A，最大值 （2）通用計數器: 表8 通用計數器計數器/定時器數量32 位分辨率4計數器測量邊沿計數、脈沖、脈沖寬度、半周期、周期、雙邊沿間隔位置測量X1、X2、X4 正交編碼（帶復位通道 Z）；雙脈沖編碼采樣脈沖、動態(tài)更新的脈沖序列、頻分、等時采樣內部基準時鐘100 MHz、20 MHz、100 kHz外部基準時鐘頻率PCIe/USB0 MHz25 MHzPXIe0 MHz25 MHz；0 MHz100MH（PXIe_DSTAR<A,B）上基準時鐘精度50 ppm輸入Gate、Source、HW_A

10、rm、Aux、A、B、 Z、Up_Down采樣時鐘輸入連線選項PCIe任意 PFI、RTSI、多種內部信號PXIe任意 PFI、PXIe_DSTAR<A,B>、PXI_TRIG、PXI_STAR、多種內部信號USB任意 PFI、多種內部信號FIFO127 個采樣/計數器數據傳輸PCIe/PXIe各計數器/定時器專用分散-收集 DMA 控制器、編程控制 I/OUSBUSB 信號流、編程控制 I/O（3）頻率發(fā)生器: 表9 頻率發(fā)生器內部要求：數值：通道數1基準時鐘20 MHz、10 MHz、100 kHz分頻數116基準時鐘精度50 ppm輸出連接任意 PFI 或 RTSI 接線端(

11、4)電流限制: 警告：對于PCIe，未安裝磁盤驅動電源連接器時P0/PFI/P1/P2 和+5 V 端子組合不得超出最大值1A；已安裝磁盤驅動電源連接器時+5 V 端子（連接器 0）不得超出最大值5V，P0/PFI/P1/P2 組合不得超出最大值1A。對于PXIe，+5 V 端子（連接器 0）不得超出最大值5V，P0/PFI/P1/P2 組合不得超出最大值2A。對于USB，5 V 端子（連接器 0）不得超出最大值5V，P0/PFI/P1/P2 組合不得超出最大值2A。超出電流限制可能引起設備和/或計算機/機箱不可預期的后果！(5)最大工作電壓: 最大工作電壓指信號電壓和共模電壓之和。 通道對地

12、電壓需要小于11V。警告：在 Measurement Category II、III 和 IV 中，請勿使用設備進行測量。(6)設備引腳：圖1 NI PCIe/PXIe-6341 引腳圖2 NI USB-6341 螺栓端子引腳圖3 NI USB-6341 BNC 前面板和螺栓端子引腳3、雙路隔離直流電機驅動模塊的使用3（1）接口定義圖4 接口定義（2） 控制信號接口如圖5所示，+5V 和 GND 為控制信號電源，如果控制信號為 3.3V，那么+5V 接 3.3V；ENA、ENB 分別為電機接口 1 和電機接口 2 的使能信號，可以外接 PWM；IN1IN4 為兩路電機正反轉、 制動(或稱剎車)

13、控制信號。圖5 控制信號接口 控制邏輯如表 10 和表 11 所示。其中 0 為低電平、1 為高平、 ×為任意電平，懸空時為高電平。表10 電機接口 1 控制信號邏輯表11 電機接口 2 控制信號邏輯（3） 使用數字控制引腳控制電機轉動接線方法使用數字控制引腳控制電機轉動的接線方法如圖6所示。數字控制引腳的電源與驅動板控制信號電 源應共地，但不要與電機電源 PGND 共地。當使用 5V 數字控制引腳時，驅動板+5V 接電源+5V； 當使用 3.3V 單片機時，驅動板+5V 接電源+3.3V。數字控制引腳和驅動板控制信號可共用一電源或 各自獨立供電（但一定要共地）。ENA 為與單片機的

14、一個 GPIO 或 PWM 輸出端口相連，當 ENA 為高電平時，驅動板使能，正反轉或剎車有效，如果是 PWM 信號，那么可對電機進 行調速；低電平時，驅動板禁能，電機接口無輸出。IN1 和 IN2 與數字控制引腳的兩個 GPIO 連 ，控制電機正反轉及剎車。驅動邏輯見表 10。圖6 使用單片機控制電機轉動接線示意圖4、增量式輸出的霍爾編碼器4的使用（1）編碼器簡介：霍爾編碼器是一種通過磁電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器?；魻柧幋a器是由霍爾碼盤和霍爾元件組成?；魻柎a盤是在一定直徑的圓板上等分地布置有不同的磁極。霍爾碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，霍爾元件檢測輸出若干脈

15、沖信號，為判斷轉向，一般輸出兩組存在一定相位差的方波信號（2）編碼器接線說明：圖7 電機編碼器實物這是一款增量式輸出的霍爾編碼器。編碼器有AB相輸出，所以不僅可以測速，還可以辨別轉向。根據上圖的接線說明可以看到，我們只需給編碼器電源5V供電，在電機轉動的時候即可通過AB相輸出方波信號。編碼器自帶了上拉電阻，所以無需外部上拉，可以直接連接到單片機IO讀取。5、 課程設計原理分析（1）直流電機的優(yōu)缺點：直流電機優(yōu)點：起動和調速性能好，調速范圍廣平滑，過載能力較強，受電磁干擾影響?。恢绷麟姍C具有良好的啟動特性和調速特性；直流電機的轉矩比較大；維修比較便宜；直流電機的直流相對于交流比較節(jié)能環(huán)保。直流電

16、機缺點：直流電機制造比較貴，有碳刷 ；與異步電動機比較，直流電動機結構復雜，使用維護不方便，而且要用直流電源；復雜的結構限制了直流電動機體積和重量的進一步減小，尤其是電刷和換向器的滑動接觸造成了機械磨損和火花，使直流電動機的故障多、可靠性低、壽命短、保養(yǎng)維護工作量大。換向火花既造成了換向器的電腐蝕，還是一個無線電干擾源，會對周圍的電器設備帶來有害的影響。電機的容量越大、轉速越高，問題就越嚴重。所以，普通直流電動機的電刷和換向器限制了直流電動機向高速度、大容量的發(fā)展。（2） 直流電機的主要應用 直流電動機應用廣泛。使用最廣的就是直流電動工具。直流電動工具是一種運用小容量直流電動機或電磁鐵，通過傳

17、動機構驅動工作頭的手持式或可移式的機械化工具。世界上第一臺直流電動工具是1894年制造的電鉆。1900年制造出三相工頻電鉆，由三相異步電動機驅動。1913年生產出首批由單相串激電機驅動的交、直流兩用電鉆。20世紀80年代后，隨著世界經濟的發(fā)展，電動工具技術得到迅速發(fā)展。到新世紀初，世界電動工具的品種發(fā)展到近千個，年產量超過1億臺。 電動工具結構輕巧，攜帶方便。它比手工工具可提高勞動生產率幾倍到幾十倍，比傳統(tǒng)的風動工具效率高、費用低（勿需空壓機）、震動和噪聲小、易于自動控制。因此，電動工具逐步取代手工工具，已 廣泛應用于機械，建筑、機電、冶金設備安裝，橋梁架設，住宅裝修，農牧

18、業(yè)生產，醫(yī)療、衛(wèi)生等各個方面。并且廣為個體勞動者及家庭使用，是一種量大面廣的機械化工具，發(fā)展前景十分廣闊。在發(fā)電廠里，同步發(fā)電機的勵磁機、蓄電池的充電機等，都是直流發(fā)電機；鍋爐給粉機的原動機是直流電動機。此外，在許多工業(yè)部門，例如大型軋鋼設備、大型精密機床、礦井卷揚機、市內電車、電纜設備要求嚴格線速度一致的地方等，通常都采用直流電動機作為原動機來拖動工作機械的。直流發(fā)電機通常是作為直流電源，向負載輸出電能；直流電動機則是作為原動機帶動各種生產機械工作，向負載輸出機械能。在控制系統(tǒng)中，直流電機還有其它的用途，例如測速電機、伺服電機等。（3） H橋對直流電機進行伺服速度控制5。所謂 H 橋驅動電路

19、是為直流電機而設計的一種常見電路，它主要實現直流電機的正反向驅動，其典型電路形式如下：圖8 H橋典型電路從圖中可以看出，其形狀類似于字母“H”，而作為負載的直流電機是像“橋”一樣架在上面的，所以稱之為“ H 橋驅動”。4個開關所在位置就稱為“橋臂”。 從電路中不難看出，假設開關A、D接通，電機為正向轉動，則開關B、C接通時，直流電機將反向轉動。從而實現了電機的正反向驅動。借助這4個開關還可以產生電機的另外2個工作狀態(tài)： A） 剎車 將B 、D開關（或A、C）接通，則電機慣性轉動產生的電勢將被短路，形成阻礙運動的反電勢，形成“剎車”作用。 B） 惰行 4個開關全部斷開，則電機慣性所產生的電勢將無

20、法形成電路，從而也就不會產生阻礙運動的反電勢，電機將慣性轉動較長時間。 以上只是從原理上描述了H橋驅動，而實際應用中很少用開關構成橋臂，通常使用晶體管，因為控制更為方便，速度壽命都長于有接點的開關（繼電器）。 細分下來，晶體管有雙極性和MOS管之分，而集成電路（例如L298）只是將它們集成而已，其實質還是這兩種晶體管，只是為了設計、使用方便、可靠而做成了一塊電路。 雙極性晶體管構成的 H 橋：圖9 雙極性晶體管構成的 H 橋MOS管構成的 H 橋： 圖10 MOS管構成的 H 橋驅動電機時，保證H橋上兩個同側的三極管不會同時導通非常重要6。如果三極管TA和TB同時導通，那么電流就會從正極穿過兩

21、個三極管直接回到負極。此時，電路中除了三極管外沒有其他任何負載，因此電路上的電流就可能達到最大值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒壞三極管?；谏鲜鲈?，在實際驅動電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開關。 圖11所示就是基于這種考慮的改進電路，它在基本H橋電路的基礎上增加了4個與門和2個非門。4個與門同一個“使能”導通信號相接，這樣，用這一個信號就能控制整個電路的開關。而2個非門通過提供一種方向輸人，可以保證任何時候在H橋的同側腿上都只有一個三極管能導通。圖11 具有使能控制和方向邏輯的H橋電路采用以上方法，電機的運轉就只需要用三個信號控制：兩個方向信號和一個使能信號。如果DIRL信號為

22、0，DIRR信號為1，并且使能信號是1，那么三極管Q1和Q4導通，電流從左至右流經電機（如圖12所示）；如果DIRL信號變?yōu)?，而DIRR信號變?yōu)?，那么Q2和Q3將導通，電流則反向流過電機。圖12 分立元件的H橋驅動電路圖（4）PID三個控制參數的主要功能： （1）比例調節(jié)作用：是按比例反應系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現了偏差，比例調節(jié)立即產生調節(jié)作用以減少偏差。比例作用大，可以加快調節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造系統(tǒng)的不穩(wěn)定。（2）積分調節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調節(jié)就進行，直至無差，積分調節(jié)停止，積分調節(jié)輸出一常值。積分作用的強弱取決于

23、積分時間常數Ti，Ti越小，積分作用就越強，反之積分作用就弱，加入積分調節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應變慢。積分作用常與其他兩種調節(jié)規(guī)律結合，組成PI調節(jié)器或PID調節(jié)器。（3）微分調節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，因此能產生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，在微分時間選擇合適的情況下，可以減少超調，減少調節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反映的是變化率，而當輸入沒有變化是，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調節(jié)規(guī)律相結合

24、，組成PD或PID控制器。（4） PID參數工程整定方法：系統(tǒng)整定是指選擇調節(jié)器的比例度、積分時間TI和微分時間Td的具體數值。系統(tǒng)整定的實質，就是通過改變控制參數使調節(jié)器特性和被控過程特性配合好，來改善系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)特性，求得最佳的控制效果。系統(tǒng)的良好控制效果一般要求：瞬時響應的衰減率(0.75-0.9)（以保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性儲備），盡量減小穩(wěn)態(tài)偏差(余差)、最大偏差和過渡過程時間。工程上得到廣泛應用的PID參數整定方法通常有：動態(tài)特性參數法、臨界比例度法、衰減曲線法、現場實驗整定法等。它直接在過程控制系統(tǒng)中進行，其方法簡單，計算簡便，而且容易掌握.。在實際應用中，將調節(jié)器的整定參數

25、按先比例、后積分、最后微分的程序置于某些經驗數值后，再作給定位擾動，觀察系統(tǒng)過渡過程曲線。若曲線還不夠理想，則改變調節(jié)器的、TI、Td值，進行反復湊試，以尋求最佳的整定參數，直到控制質量符合要求為止?？刂破髟O計總體指標可以概括為：穩(wěn)、準、快，均衡調節(jié)以Kp、Ki、Kd三參數則可一定程度上滿足上述三個指標的要求。在控制初期，關鍵要克服各環(huán)節(jié)的滯后，為了避免積分飽和造成較大超調，Ki應選的小一些。在控制中期，系統(tǒng)偏差以減小，但為了不過分影響穩(wěn)定性，Ki可適當增大一些。在調節(jié)過程后期，為減小穩(wěn)太誤差，提高控制精度，Ki可選取更大一些。在控制初期，為盡快消除偏差，提高響應速度，Kp應該取大一些；在控制

26、過程中期，為了防止超調過大造成震蕩，Kp要減小些；在控制過程后期，則要克服超調，使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，Kp值要再減小一些。純大滯后系統(tǒng)在控制中，容易產生超調，使系統(tǒng)失穩(wěn)。其主要原因是：其時滯階段對誤差的積分太大。因此，為了改善純大滯后系統(tǒng)的相應特性，對積分因子提出了新的要求。（5） 直流電機閉環(huán)伺服調速控制系統(tǒng)框圖控制器驅動器電機裝置轉速反饋轉速給定PWMn圖13 轉速伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖6、 實驗步驟準備1、做出USB-6341的硬件資源分配，給出其與驅動器控制端口的對應關系表本次實驗由計數器1即77號引腳采集電機1轉速，計數器0的89號引腳輸出信號到驅動器的IN1端口，計數器3的79號引腳采

27、集電機2的轉速，計數器2的93號引腳輸出信號到驅動器的IN3端口。USB-6341的具體硬件資源分配與驅動器控制端口的對應關系表如下所示：表12 板卡引腳與驅動器端子接線表驅動器引腳板卡引腳驅動器引腳板卡引腳+5V96IN189 (PFI 12)GND94IN294ENA96IN393 (PFI 14)ENB96IN494USB-6341 數據采集卡中的計數器直接測量脈沖頻率，再根據增量式編碼器一圈輸出 390個脈沖信號求出實際轉速。同時，計數器將調制的pwm信號輸出到驅動器控制接口。USB-6341數據采集卡的硬件資源引腳編號如下：表13 USB-6341計數器端子編號計數器/定時信號默認的

28、引腳編號（名稱）CTR 2 SRC73 (PFI 0)CTR 0 SRC81 (PFI 8)CTR2GATE74 (PFI 1)CTR 0 GATE83 (PFI 9)CTR 2 AUX75 (PFI 2)CTR 0 AUX85 (PFI 10)CTR 2 OUT93 (PFI 14)CTR 0 OUT89 (PFI 12)CTR 2 A73 (PFI 0)CTR 0 A81 (PFI 8)CTR 2 Z74 (PFI 1)CTR 0 Z83 (PFI 9)CTR 2 B75 (PFI 2)CTR 0 B85 (PFI 10)CTR 3 SRC78 (PFI 5)CTR 1 SRC76 (PFI 3)CTR3GATE79