基于數(shù)據(jù)采集卡的直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

1、基于數(shù)據(jù)采集卡的直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)于靜1，鄧兆哲1，王輝1（1. 山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250061）摘 要：數(shù)字控制調(diào)速系統(tǒng)因其控制器開發(fā)周期短并具有開放性的特點(diǎn)，越來越多的應(yīng)用到本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。作者開發(fā)了基于數(shù)據(jù)采集卡的直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，無需對傳統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備改造，利用數(shù)據(jù)采集卡NI USB-6008將轉(zhuǎn)速和電流信號傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)輸出移相控制電壓控制電機(jī)驅(qū)動電路，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與實(shí)際硬件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信及控制?？刂瞥绦蛟贛ATLAB/Simulink環(huán)境下編寫，形成可視化控制界面，方便修改程序和控制器參數(shù)。本文闡述了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)，給出了完整的控制程序框圖。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)

2、果驗(yàn)證了該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制策略的有效性和可行性。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集卡；數(shù)字控制；直流調(diào)速；MATLAB/Simulink中圖分類號：A 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：TM921Experimental of dc speed regulation system based on data acquisition cardYu Jing1, Deng Zhaozhe1, Wang Hui1（1.School of Electrical Engineering, Shandong University, Jinan 250061 China）Abstract: Digital control speed regulati

3、on system is more and more used in undergraduate experimental teaching because of its short development cycle and open characteristic of controller. The experiment of dc speed regulation system based on data acquisition card is developed. The data acquisition card NI usb-6008 is used to transmit the

4、 speed and current signals to the upper computer without modifying the traditional simulation experimental equipment. The upper computer outputs the phase shift control voltage which control motor drive circuit, realizes the data communication and control between the upper computer and the actual ha

5、rdware system. The control program was written in MATLAB/Simulink environment to form a visual control interface and facilitate the modification of program and controller parameters. This paper describes the overall design of the experimental system, and gives a complete control program block diagra

6、m. The experimental results verify the effectiveness and feasibility of the control strategy of the experimental systemKeywords：data acquisition card, dc speed regulation, matlab/simulink0 引 言基金項(xiàng)目：1.國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51577109）；2.山東大學(xué)2019教育教學(xué)改革研究一般項(xiàng)目（2019Y131）作者簡介：于靜（1966），女，碩士，高級工程師，從事電力電子技術(shù)及應(yīng)用等實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，Em

7、ail：yu_jing“電力拖動自動控制系統(tǒng)”是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是掌握運(yùn)動控制系統(tǒng)本質(zhì)的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用以運(yùn)算放大器為核心的模擬電路作為閉環(huán)控制器，通過改變接入電阻、電容的大小來調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)特性，參數(shù)調(diào)節(jié)范圍受到限制，控制效果受器件性能、溫度等因素的影響，不宜實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律1-3。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字控制技術(shù)因其控制靈活并具有開放性的特點(diǎn)，越來越多的融入到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中?？紤]將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制直流調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行。學(xué)生完成調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)后，利用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測試調(diào)節(jié)器控制效果，當(dāng)直流調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo)不能滿足要求時(shí)，在控

8、制系統(tǒng)軟件模型中改變調(diào)節(jié)器參數(shù)非常方便，學(xué)生可以實(shí)時(shí)地看到調(diào)節(jié)器參數(shù)修改后的控制效果。因此，利用數(shù)字控制直流調(diào)速系統(tǒng)可以簡化直流電機(jī)閉環(huán)控制設(shè)計(jì)過程，縮短研發(fā)周期。作者利用數(shù)據(jù)采集卡和MATLAB/Simulink軟件，結(jié)合傳統(tǒng)的電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)裝置，開發(fā)了數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，給出了整體設(shè)計(jì)方案和完整的控制程序框圖，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制策略的有效性和可行性，適合在高校相關(guān)實(shí)驗(yàn)室推廣。1 整體方案設(shè)計(jì)基于數(shù)據(jù)采集卡的直流調(diào)速系統(tǒng)是在電力電子及電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)而成，主要由電機(jī)驅(qū)動電路、直流電動機(jī)和負(fù)載、測速系統(tǒng)、電流反饋單元、數(shù)據(jù)采集卡和MATLAB/Simulink控

9、制平臺組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure block diagram1.1系統(tǒng)主電路和反饋信號電機(jī)驅(qū)動電路由晶閘管三相橋式全控整流電路和晶閘管觸發(fā)電路構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集卡輸出的移相控制電壓接入晶閘管觸發(fā)電路，產(chǎn)生觸發(fā)信號經(jīng)功放后觸發(fā)晶閘管全控整流電路。整流輸出電壓經(jīng)電感濾波后接入直流電動機(jī)電樞繞組，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動。通過調(diào)節(jié)移相控制電壓來改變整流電路輸出電壓從而控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速。電動機(jī)、負(fù)載發(fā)電機(jī)和測速發(fā)電機(jī)同軸，負(fù)載由發(fā)電機(jī)在其電樞回路串聯(lián)電阻組成。測速發(fā)電機(jī)測量直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速，并將轉(zhuǎn)速變量轉(zhuǎn)換為電壓信號。電流反饋單元的輸入端連接電流互感器監(jiān)測主

10、電路電流，其輸出端輸出電流反饋電壓。速度和電流反饋信號送至數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入端。1.2 數(shù)據(jù)采集卡本文選用的數(shù)據(jù)采集卡型號為NI USB-6008，引腳分布圖如圖2所示。該數(shù)據(jù)采集卡共有8個(gè)模擬輸入端口和2個(gè)模擬輸出端口，端口數(shù)可滿足單閉環(huán)及雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集卡將采集的轉(zhuǎn)速和電流反饋信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并通過USB端口直接送入上位機(jī)中的MATLAB系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，處理后的數(shù)據(jù)由采集卡進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電壓信號即為移相控制電壓，該電壓傳輸給電機(jī)驅(qū)動電路，實(shí)時(shí)控制電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與實(shí)際硬件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信及控制6。本文采用模擬輸入端口AI0采集轉(zhuǎn)速（電壓）信號，AI1采

11、集電流（電壓）信號，采用模擬輸出端AO0輸出移相控制電壓。圖2 NI USB-6008引腳分布圖Fig.3 Pin distribution diagram of NI usb-60081.3 MATALAB/Simulink控制平臺控制程序在MATLAB/Simulink中實(shí)現(xiàn)。通過MATLAB的Simulink系統(tǒng)和SISOTOOL工具，根據(jù)至直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)測量結(jié)果，搭建轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)模型。在Simulink中調(diào)用Data Acquisition Toolbox模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡與Simulink平臺的通訊，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)外部采樣數(shù)據(jù)的輸入和內(nèi)部控制信號的輸出4-5。2數(shù)

12、字控制直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)2.1閉環(huán)數(shù)字控制器設(shè)計(jì)基于數(shù)據(jù)采集卡的直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖3所示。圖3直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖Fig.4 Dc motor double closed loop speed regulation system schematic diagram圖3中，觸發(fā)電路GT控制電力電子變換器UPE，GT與UPE構(gòu)成直流電機(jī)驅(qū)動電路；測速發(fā)電機(jī)TG將速度信號送到轉(zhuǎn)速變換器FBS，F(xiàn)BS輸出轉(zhuǎn)速反饋電壓信號；電流互感器TA將主電路電流信號送到反饋與過流保護(hù)電路FBC+FA，該電路輸出電流反饋信號。直流電動機(jī)M、發(fā)電機(jī)G和測速機(jī)TG同軸，以上部分與傳統(tǒng)模擬控制直流調(diào)速系統(tǒng)相同。從

13、閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，該系統(tǒng)是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是根據(jù)測定的系統(tǒng)參數(shù)（包括主電路總電阻和總電感、系統(tǒng)電磁時(shí)間常數(shù)、機(jī)電時(shí)間常數(shù)等）和調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo)要求建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，利用工程最優(yōu)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器參數(shù)，該參數(shù)作為數(shù)字控制調(diào)節(jié)器模型中參數(shù)設(shè)置依據(jù)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。測試系統(tǒng)參數(shù)和設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器過程此處不再贅述。PC機(jī)中安裝MATLAB軟件，在MATLAB的Simulink 環(huán)境中，根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)模型搭建雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制程序，形成可視化控制界面（如圖4所示）。圖4中Analog Input1和Ana

14、log Output為USB-6008模塊的輸入和輸出端；Transfer Fcn為濾波環(huán)節(jié)；PID Controller為比例積分微分調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果設(shè)置；Sarturation模塊為限幅模塊；Quantizer為離散化模塊。設(shè)計(jì)了從0到1500轉(zhuǎn)六個(gè)級別的變速控制，Constant-Constant5表示給定的轉(zhuǎn)速，有六個(gè)給定的轉(zhuǎn)速，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要的轉(zhuǎn)速進(jìn)行選擇。數(shù)據(jù)采集工具箱允許Simulink 從外部硬件采集數(shù)據(jù)和發(fā)出信號以便控制或驅(qū)動附加設(shè)備。采集到的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波還原后，與設(shè)定轉(zhuǎn)速做差送入轉(zhuǎn)速PI 控制器中；轉(zhuǎn)速控制器的輸出作為電流參考值與反饋電流信號做差送入電流P

15、I控制器中，最終輸出移相控制電壓。設(shè)定的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)和PI參數(shù)能夠根據(jù)需要直接在模塊中更改。采集和輸出信號的波形都能在Simulink 內(nèi)置的示波器模塊中直接觀察。圖4基于MATLAB的雙閉環(huán)直流調(diào)速控制程序Fig.4 DC motor double closed-loop speed regulation control program based on MATLAB2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)整定傳統(tǒng)模擬雙閉環(huán)直流調(diào)速實(shí)驗(yàn)改造的難點(diǎn)在于數(shù)字控制器與主電路的接口兼容，需要解決的問題主要有兩點(diǎn)：反饋電壓與采集卡量程的兼容和輸出電壓與移相控制范圍的兼容。在雙閉環(huán)直流調(diào)速實(shí)驗(yàn)中，轉(zhuǎn)速和電流反饋信號最終都被轉(zhuǎn)化成電

16、壓信號，而電壓信號與原信號之間的數(shù)量關(guān)系需要在調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)情況下測出?？梢酝ㄟ^輸出處的可變電阻進(jìn)行整定，使反饋信號在USB-6008能夠接受-10V+10V的信號范圍內(nèi)。調(diào)整觸發(fā)電路的移相偏移電壓，使移相控制電壓為零時(shí)對應(yīng)電機(jī)臨界起轉(zhuǎn)的移相角。由于USB-6008的模擬輸出端口的標(biāo)稱輸出范圍為05V（實(shí)際最大輸出電壓為4.92V），如果該輸出電壓達(dá)到最大時(shí)，電機(jī)達(dá)不到預(yù)期的轉(zhuǎn)速，則需要外加放大電路擴(kuò)大輸出電壓范圍。3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證根據(jù)測試的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)了調(diào)節(jié)器，搭建了基于MATLAB/Simulink控制的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)參數(shù)類型取值轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

17、器比例系數(shù)0.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器積分系數(shù)1電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)0.5電流調(diào)節(jié)器積分系數(shù)0.01測速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速-電壓比0.0035V/rpm電流傳感器的電流-電壓比4.615V/A3.1 工況一：轉(zhuǎn)速指令階躍該工況共設(shè)定了5種轉(zhuǎn)速指令，分別為：0，300，600，900，1200 r/min。實(shí)驗(yàn)中，從轉(zhuǎn)速指令為0開始，逐漸調(diào)至1200 r/min，再依次下降到0 r/min，觀察實(shí)際轉(zhuǎn)速跟蹤情況，實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示。由圖6可見，電機(jī)從靜止到啟動過程有將近1s的延時(shí)，之后快速地跟蹤上指令值；當(dāng)直流電機(jī)啟動后再進(jìn)行調(diào)速時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)速跟蹤指令值速度快，跟蹤誤差幾乎為零。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明控制環(huán)節(jié)在變轉(zhuǎn)速指令工況下

18、的有效性。圖6 轉(zhuǎn)速指令階躍工況下轉(zhuǎn)速跟蹤波形Fig.6 Rotor-speed tracking waveform under speed step command3.2 工況二：直流負(fù)載擾動在該工況中，設(shè)定直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速為900 r/min。在17s時(shí)突加負(fù)載，29s時(shí)突減負(fù)載，實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示。由圖8可見，從零開始啟動后，轉(zhuǎn)速很快達(dá)到900r/min；突加負(fù)載后，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，由于閉環(huán)調(diào)速控制，轉(zhuǎn)速很快恢復(fù)至指令值；突減負(fù)載后，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，由于閉環(huán)調(diào)速控制，轉(zhuǎn)速很快恢復(fù)至指令值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本文控制環(huán)節(jié)在直流負(fù)載擾動工況下的有效性。圖8負(fù)載突變工況下轉(zhuǎn)速波形 Fig.8 Speed wa