虛擬儀器虛擬電壓表課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、PAGE PAGE 32虛擬儀器課程設(shè)計(jì)的目的意義課程設(shè)計(jì)的目的及要求1.1.1 設(shè)計(jì)目的本課程設(shè)計(jì)的目的主要是讓學(xué)生在理解理論知識(shí)的基礎(chǔ)上掌握虛擬儀器技術(shù)的組件的性能、屬性、創(chuàng)建虛擬儀器的方法理論基礎(chǔ)和虛擬儀器的圖形編程方法,掌握虛擬儀器系統(tǒng)軟件開發(fā)工具，綜合利用傳感器技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行虛擬儀器的綜合開發(fā)，以及掌握虛擬儀器在測(cè)量?jī)x器、過程控制、信號(hào)分析、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制等應(yīng)用技能。1.1.2 設(shè)計(jì)要求本課程要求學(xué)生從理論上掌握虛擬儀器系統(tǒng)的基本構(gòu)成及基本設(shè)計(jì)思想,圖形語言有關(guān)知識(shí)，在課程設(shè)計(jì)過程中能利用數(shù)據(jù)采集卡和相應(yīng)的硬件設(shè)施完成課程設(shè)計(jì)任務(wù)。使學(xué)生掌握虛擬儀器系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)方法，提高計(jì)算

2、機(jī)技術(shù)綜合應(yīng)用的能力。軟件實(shí)驗(yàn)部分主要學(xué)習(xí)圖形化編程軟件LabVIEW的原理及編程方法，按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求進(jìn)行操作，循序漸進(jìn)地掌握VI程序及子程序的創(chuàng)建和調(diào)用，編輯和調(diào)試，各種結(jié)構(gòu)、圖表、圖形和數(shù)組的使用，以及字符串和文件I/O的操作，熟悉LabVIEW的各種函數(shù)以及菜單，選項(xiàng)的作用和功能。硬件實(shí)驗(yàn)部分，主要了解PCI-6024E多功能數(shù)據(jù)采集卡的使用方法和采集通道設(shè)置，并創(chuàng)建VI程序控制數(shù)據(jù)采集卡的I/O操作，利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)，實(shí)時(shí)檢測(cè)，顯示測(cè)量數(shù)據(jù)及波形，并寫出課程設(shè)計(jì)報(bào)告。1.2 課程在教學(xué)計(jì)劃中的地位和作用虛擬測(cè)試技術(shù)與儀器課程設(shè)計(jì)是為測(cè)控專業(yè)虛擬測(cè)試技術(shù)與儀器課程而開設(shè)的課程設(shè)

3、計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，其目的在于培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用理論知識(shí)來分析和解決實(shí)際問題的能力。 通過課程設(shè)計(jì)能進(jìn)一步鍛煉學(xué)生在虛擬測(cè)試技術(shù)與儀器應(yīng)用方面的實(shí)際工作能力。我們要著重學(xué)會(huì)面對(duì)一個(gè)實(shí)際問題，如何去自己收集資料，如何自己去學(xué)習(xí)新的知識(shí)，如何自己去制定解決問題的方案并通過實(shí)踐不斷地去分析和解決前進(jìn)道路上的一切問題。設(shè)計(jì)任務(wù)2.1必選題設(shè)計(jì)任務(wù)電子秤是各行業(yè)對(duì)物料進(jìn)行計(jì)量或工礦企業(yè)在生產(chǎn)過程中對(duì)物料重量進(jìn)行各種控制的新一代重量計(jì)量器具。作為重量測(cè)量?jī)x器，智能電子秤在各行各業(yè)中開始顯現(xiàn)其測(cè)量精度高，測(cè)量速度快，操作簡(jiǎn)單易學(xué)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控的巨大優(yōu)點(diǎn)，使其已經(jīng)開始逐漸取代傳統(tǒng)型的機(jī)械杠桿測(cè)量稱，成為測(cè)重領(lǐng)域的主流產(chǎn)

4、品。結(jié)合傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)開發(fā)設(shè)計(jì)一種基于LabVIEW的虛擬電子秤，采用普通PC機(jī)為主機(jī)，利用圖形化可視測(cè)試軟件LabVIEW 8.5為軟件開發(fā)平臺(tái)，完成虛擬儀器電子秤的標(biāo)定程序、測(cè)量程序設(shè)計(jì)，進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的低通濾波，應(yīng)用編寫的電子秤VI進(jìn)行重量測(cè)量，記錄數(shù)據(jù)并與實(shí)際值進(jìn)行比較，簡(jiǎn)要分析引起誤差的原因。2.2選作題設(shè)計(jì)任務(wù)電壓是電路中常用的電信號(hào)，通過電壓測(cè)量，利用基本公式可以導(dǎo)出其它的參數(shù)。因此，電壓測(cè)量是其他許多電參數(shù)和非電參數(shù)量測(cè)量的基礎(chǔ),測(cè)量電壓相當(dāng)普及的一種測(cè)量?jī)x表就是電壓表。結(jié)合數(shù)據(jù)采集技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)一種基于LabVIEW 8.5的虛擬數(shù)字電壓表，應(yīng)用

5、DAQ卡獲取電壓信號(hào)，或產(chǎn)生模擬信號(hào)，分別進(jìn)行交直流電壓測(cè)量，實(shí)現(xiàn)電壓數(shù)字顯示（直流檔顯示直流電壓，交流檔顯示有效值，平均值和峰值），通道配置與選擇，交、直流選擇，采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置。第三章 總體設(shè)計(jì)方案3.1虛擬電子秤總體設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)主要通過LabVIEW8.5編程來實(shí)現(xiàn)電子秤的功能，采用模塊化設(shè)計(jì)，將不同測(cè)量?jī)?nèi)容設(shè)計(jì)成單獨(dú)的功能模塊，各子模塊分別完成一定的功能。系統(tǒng)主要由硬件和軟件模塊構(gòu)成，硬件模塊利用DVCC-TES壓力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和PCI-6024E數(shù)據(jù)采集卡采集壓力信號(hào)并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。軟件模塊細(xì)分為前面板設(shè)計(jì)和框圖程序設(shè)計(jì)，前面板主要由輸入控制器和輸出控制器組成，可通過控制模板和

6、工具模板構(gòu)建；框圖程序主要由數(shù)據(jù)采集處理模塊、標(biāo)定模塊、重量測(cè)量顯示模塊和價(jià)格計(jì)算顯示構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集處理模塊主要完成模擬量與數(shù)字量的相互轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集測(cè)量并進(jìn)行濾波處理，標(biāo)定模塊主要是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，重量測(cè)量模塊主要完成測(cè)量結(jié)果的顯示?？傮w設(shè)計(jì)流程圖如圖3.1所示。開始開始數(shù)據(jù)采集卡初始化讀取采樣數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理測(cè)量結(jié)果顯示結(jié)束零點(diǎn)標(biāo)定？斜率標(biāo)定？是是否否標(biāo)定零點(diǎn)標(biāo)定斜率圖3.1 虛擬電子秤總體設(shè)計(jì)流程圖3.2虛擬數(shù)字電壓表總體設(shè)計(jì)方案根據(jù)虛擬數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)要求，可以知道其組成部分包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理顯示兩部分。數(shù)據(jù)采集部分采用NI公司PCI-6024E卡獲取電壓信號(hào)或者產(chǎn)生模擬信

7、號(hào)，數(shù)據(jù)處理部分軟件基于虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW8.5進(jìn)行開發(fā)，主要控制數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集，并對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并顯示?？傮w設(shè)計(jì)流程圖如圖3.2所示。開始開始設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡顯示交流電壓參數(shù)讀取采樣數(shù)據(jù)對(duì)直流信號(hào)進(jìn)行處理結(jié)束直流否是對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行處理顯示直流電壓參數(shù)圖3.2 虛擬數(shù)字電壓表總體設(shè)計(jì)流程圖第四章 硬件設(shè)計(jì)4.1 PCI-6024E卡及安裝PCI-6024E卡將作為本次課程設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集卡，VI程序通過它來實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的輸入輸出功能。PCI-6024E卡是基于32位PCI總線的高性能、多功能的數(shù)據(jù)采集卡。它有16個(gè)單端輸入或8個(gè)差分模擬輸入，2路獨(dú)立的DA輸出通道，

8、24條與TTL兼容的數(shù)字I/O，3個(gè)用于I/O定時(shí)的16 位計(jì)數(shù)/定時(shí)器。將PCI6024E 數(shù)據(jù)采集卡插到計(jì)算機(jī)主板上的一個(gè)空閑PCI插槽中，接好各種附件，包括一條50芯的數(shù)據(jù)線和一個(gè)轉(zhuǎn)接板。4.2 PCI6024E卡I/O配置PCI6024E卡同NI公司的絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集卡一樣是即插即用型的設(shè)備，硬件正確安裝后，如果機(jī)器安裝了LabVIEW和NIDAQ，就會(huì)出現(xiàn)在Measurement & Automation Explorer的ConfigurationMysystem Devices and Interfaces列表中。在設(shè)備名PCI-6024E上單擊右鍵，選擇Properties，就

9、會(huì)出現(xiàn)采集卡的配置對(duì)話框配置包括System,AI,AO,Accessory,OPC和Remote Access五個(gè)部分的設(shè)置。4.3 PCI6024E卡通道配置在使用DAQ設(shè)備的模擬I/O或數(shù)字I/O功能時(shí)，必須首先配置設(shè)備的通道。在Measurement & Automation Explorer中配置通道步驟如下： 右鍵單擊Data Neighbourhood圖標(biāo)，選擇彈出菜單中的Insert，系統(tǒng)會(huì)彈出Insert New對(duì)話框。單擊Finish； 在彈出的Create New Channel對(duì)話框中將通道類型設(shè)置為Analog Input，單擊下一步； 在Enter Channel

10、Name and Description對(duì)話框中，將通道名稱設(shè)置為ScropA，并填上適當(dāng)?shù)耐ǖ烂枋?，單擊下一步?在Channel Wizard對(duì)話框中，選擇傳感器或測(cè)量信號(hào)類型，單擊 下一步； 設(shè)置單位為Volts，量程為5V5V，單擊下一步； 設(shè)置縮放比例因子為NoScaling，單擊下一步； 指定DAQ硬件為Dev1:PCI-6024E，通道編號(hào)為0；模擬輸入方式為Differential,單擊完成。 4.4 數(shù)據(jù)采集操作LabVIEW涉及到的操作類型有模擬輸入，模擬輸出，計(jì)數(shù)操作和數(shù)字I/O等，相應(yīng)的操作函數(shù)在功能模板中的Data Acquisition子模板。本次實(shí)驗(yàn)中，我們應(yīng)用了

11、以下DAQ assitant對(duì)PCI-6024E卡進(jìn)行操作。雙擊DAQ assitant，對(duì)DAQ assitant進(jìn)行初始化操作，設(shè)置合適的采樣點(diǎn)數(shù)和采樣頻率，單擊OK完成。DVC-TES3壓力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用CZL-1R型橋路(應(yīng)變片)壓力傳感器(量程500克)實(shí)現(xiàn)R-V物理量變換,將壓力傳感器輸出的小信號(hào)經(jīng)過放大和低通濾波后,送至A/D轉(zhuǎn)換器。具體工作原理是當(dāng)橋路中的某臂電阻發(fā)生變化時(shí)，橋路就不平衡，橋路輸出的變化量就反映了壓力的變化量。該變化量通過二級(jí)放大，將微弱信號(hào)放大送到PCI-6024E數(shù)據(jù)采集卡，通過PCI-6024E卡送到PC機(jī)，完成數(shù)據(jù)采集操作。4.5 虛擬電子秤接線說明 DV

12、C-TES3壓力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的壓力信號(hào)輸出口IN0與PCI-6024E數(shù)據(jù)采集卡的相應(yīng)的通道通過數(shù)據(jù)線相連，注意：DVC-TES3壓力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的接地端與PCI-6024E數(shù)據(jù)采集卡的接地端要相連。4.6 虛擬數(shù)字電壓表接線說明通過PCI-6024E數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生模擬信號(hào)，數(shù)據(jù)采集卡上的模擬信號(hào)輸出口通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集卡上的相應(yīng)的通道相連（如果通過波形生成選板里的波形產(chǎn)生函數(shù)產(chǎn)生模擬信號(hào)的，則硬件部分不用接線）。第五章 軟件設(shè)計(jì)5.1 虛擬電子秤軟件設(shè)計(jì)5.1.1 虛擬電子秤框圖程序設(shè)計(jì)虛擬電子秤軟件設(shè)計(jì)框圖程序具體如圖5.1所示。圖5.1虛擬電子秤框圖程序5.1.2 虛擬電子秤框圖程序說明虛擬電

13、子秤框圖程序大體分為四個(gè)部分:數(shù)據(jù)采集處理模塊、標(biāo)定模塊、重量測(cè)量顯示模塊和價(jià)格計(jì)算顯示模塊。下面就四個(gè)子模塊對(duì)該框圖程序進(jìn)行介紹。數(shù)據(jù)采集處理模塊數(shù)據(jù)采集處理模塊主要完成模擬量與數(shù)字量的相互轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集測(cè)量并進(jìn)行濾波處理。借助DAQ assitant 完成數(shù)據(jù)的采集，采用切比雪夫?yàn)V波器和平均值對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，具體見圖5.2。圖5.2數(shù)據(jù)采集處理模塊標(biāo)定模塊標(biāo)定模塊主要是對(duì)電子秤進(jìn)行標(biāo)定，找出重量與電壓的關(guān)系。具體原理是電子稱托盤空載時(shí)輸出電壓V0設(shè)置為重量W0：0克，托盤上放置重量W1：200克的砝碼，記下這時(shí)的輸出電壓V1。那么1伏輸出電壓對(duì)應(yīng)的重量為：detaW=(W1-W0

14、)/(V1-V0)標(biāo)定模塊如圖5.3所示。圖5.3 標(biāo)定模塊3.重量測(cè)量顯示模塊標(biāo)定后的電子秤基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，為了減少設(shè)計(jì)的電子秤測(cè)量誤差，使其測(cè)量更精準(zhǔn)，在數(shù)據(jù)采集處理之后進(jìn)行零點(diǎn)補(bǔ)償和校正，然后輸出值乘以標(biāo)定值的局部變量，結(jié)果顯示的是當(dāng)前砝碼的重量。重量測(cè)量顯示模塊如圖5.4所示。圖5.4 重量測(cè)量顯示模塊4.價(jià)格計(jì)算與顯示模塊取重量的局部變量，乘以單價(jià)輸入值，顯示結(jié)果。價(jià)格計(jì)算與顯示模塊如圖5.5所示。圖5.5 價(jià)格計(jì)算與顯示模塊5.2 虛擬數(shù)字電壓表軟件設(shè)計(jì)5.2.1 虛擬數(shù)字電壓表框圖程序設(shè)計(jì)虛擬數(shù)字電壓表工作狀態(tài)由電源開關(guān)決定，框圖程序設(shè)計(jì)如圖5.6所示。圖5.6 虛擬數(shù)字電壓

15、表框圖程序5.2.2 虛擬數(shù)字電壓表框圖程序說明虛擬數(shù)字電壓表框圖程序采用模塊化設(shè)計(jì)，主要分為數(shù)據(jù)采集模塊（或軟件生成模擬信號(hào)模塊）和數(shù)據(jù)處理模塊，其中數(shù)據(jù)處理顯示模塊里細(xì)分為交直流數(shù)據(jù)處理顯示兩個(gè)子模塊。下面對(duì)虛擬數(shù)字電壓表框圖程序進(jìn)行說明。數(shù)據(jù)采集模塊（或軟件生成模擬信號(hào)模塊）通過PCI-6024E數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生模擬信號(hào)并通過通道0采集，DAQ assitant輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)通過Butterworth濾波器進(jìn)行濾波處理。數(shù)據(jù)采集模塊如圖5.7所示。圖5.7 數(shù)據(jù)采集模塊通過波形生成選板里波形基本函數(shù)發(fā)生器直接產(chǎn)生模擬信號(hào)，信號(hào)輸出通過Butterworth濾波器進(jìn)行濾波處理。軟件產(chǎn)生模擬信

16、號(hào)模塊如圖5.8所示。圖5.8 軟件產(chǎn)生模擬信號(hào)模塊數(shù)據(jù)處理顯示模塊交流電壓處理顯示模塊應(yīng)用了波形測(cè)量選板里的幅值和電平測(cè)量函數(shù)，選取此函數(shù)，雙擊后在配置幅值和電平窗口選擇均方根（有效值）、最大峰、最小峰和周期平均（平均值），點(diǎn)擊確定即可。交流電壓處理顯示模塊如圖5.10所示圖5.10 交流電壓處理顯示模塊直流電壓處理顯示模塊應(yīng)用了幅值和電平測(cè)量函數(shù)，在配置幅值和電平測(cè)量窗口選取直流，點(diǎn)擊確定即可，直流電壓處理顯示模塊如圖5.11所示。圖5.11 直流電壓處理顯示模塊第六章 系統(tǒng)調(diào)試及使用操作說明6.1 虛擬電子秤系統(tǒng)調(diào)試及使用操作說明6.1.1 系統(tǒng)調(diào)試按正確連線操作把DVCC-TES3壓力

17、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、PCI-6024E數(shù)據(jù)采集卡和PC機(jī)連成一個(gè)系統(tǒng)?？蛰d時(shí)，按零點(diǎn)標(biāo)定，放200g砝碼，按第二次標(biāo)定，標(biāo)定完成進(jìn)入稱重狀態(tài)。系統(tǒng)調(diào)試中碰到下面兩個(gè)問題：1）重量顯示屏幕數(shù)字顯示不穩(wěn)定；2)測(cè)量結(jié)果誤差較大。經(jīng)過老師的指導(dǎo)和與同學(xué)探討，找到了解決問題的方法，重新設(shè)置DAQ assitant的采樣點(diǎn)數(shù)和采樣頻率，修改顯示格式，重量顯示保留兩位小數(shù)，單價(jià)輸入和總價(jià)顯示保留一位小數(shù)。6.1.2 系統(tǒng)使用操作說明虛擬電子秤前面板如圖6.1所示。圖6.1 虛擬電子秤前面板運(yùn)行程序，進(jìn)入標(biāo)定界面?？蛰d時(shí)，按零點(diǎn)標(biāo)定按鈕；放200g砝碼后，按第二次標(biāo)定，完成電子秤標(biāo)定，進(jìn)入稱重界面，放上砝碼，輸入單價(jià)

18、，即時(shí)顯示重量和總價(jià)。6.2 虛擬數(shù)字電壓表系統(tǒng)調(diào)試及使用操作說明虛擬數(shù)字電壓表前面板如圖6.2所示。圖6.2 虛擬數(shù)字電壓表前面板運(yùn)行程序，按下開關(guān)按鈕，將交直流開關(guān)打到交流檔，測(cè)量交流電壓，并在交流顯示欄顯示電壓有效值、平均值、最大峰值和最小峰值，如圖6.3所示。圖6.3 交流電壓測(cè)量運(yùn)行程序，按下開關(guān)按鈕，將交直流選擇開關(guān)打到直流檔，測(cè)量直流電壓并在直流顯示欄顯示直流電壓，運(yùn)行結(jié)果如圖6.4所示。圖6.4 直流電壓測(cè)量第七章 收獲、體會(huì)本學(xué)期我們專業(yè)開設(shè)了虛擬儀器課，這門課主要學(xué)習(xí)圖形化編程軟件LabVIEW的原理及編程方法，理論知識(shí)比較強(qiáng)。學(xué)習(xí)任何知識(shí)，僅從理論上去求知，而沒有實(shí)踐，探

19、索是不行的，所以在學(xué)期末給我們安排一次虛擬儀器的課程設(shè)計(jì)是很及時(shí)的也很有必要的，這樣不僅能加深我們平時(shí)所學(xué)的知識(shí)，而且還及時(shí)真正的做到學(xué)以致用。本次課程設(shè)計(jì)中，我的設(shè)計(jì)內(nèi)容是虛擬電子秤和虛擬數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)。這兩個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目注重軟硬件結(jié)合，虛擬電子秤的硬件部分應(yīng)用PCI-6024E數(shù)據(jù)采集卡和DVCC-TES3壓力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，虛擬數(shù)字電壓表硬件部分應(yīng)用PCI-6024E數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生模擬信號(hào)并通過采集通道采集數(shù)據(jù)信號(hào)，軟件部分主要學(xué)習(xí)圖形化編程軟件LabVIEW的原理及編程方法，并應(yīng)用LabVIEW的各種函數(shù)以及菜單，選項(xiàng)的作用和功能，創(chuàng)建VI程序，完成課程設(shè)計(jì)要求。課程設(shè)計(jì)中，我遇到了很多問題，

20、比如電子秤測(cè)量精度還不夠高，存在測(cè)量誤差，重量顯示不穩(wěn)定等等，通過老師的指導(dǎo)和同學(xué)的幫助，這些問題都得到了解決。這次課程設(shè)計(jì)歷時(shí)三個(gè)星期，通過這三個(gè)星期的學(xué)習(xí)和動(dòng)手實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)了自己在這門課方面的知識(shí)還有很多漏洞，看到了自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)還是比較缺乏，理論聯(lián)系實(shí)際的能力還急需提高。參考文獻(xiàn)1胡仁喜，等.LabVIEW8.2.1虛擬儀器實(shí)例指導(dǎo)教程.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.112侯國(guó)屏.LabVIEW 7.1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì).北京： 清華大學(xué)出版社,20053劉君華.基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計(jì).電子工業(yè)出版社，2003 HYPERLINK l _Toc188371721 附錄資料：不需

21、要的可以自行刪除 永磁同步電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)PMSM的數(shù)學(xué)模型交流電機(jī)是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。永磁同步電機(jī)的三相繞組分布在定子上，永磁體安裝在轉(zhuǎn)子上。在永磁同步電機(jī)運(yùn)行過程中，定子與轉(zhuǎn)子始終處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，永磁體與繞組，繞組與繞組之間相互影響，電磁關(guān)系十分復(fù)雜，再加上磁路飽和等非線性因素，要建立永磁同步電機(jī)精確的數(shù)學(xué)模型是很困難的。為了簡(jiǎn)化永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，我們通常做如下假設(shè)：忽略電機(jī)的磁路飽和，認(rèn)為磁路是線性的；不考慮渦流和磁滯損耗；當(dāng)定子繞組加上三相對(duì)稱正弦電流時(shí)，氣隙中只產(chǎn)生正弦分布的磁勢(shì)，忽略氣隙中的高次諧波；驅(qū)動(dòng)開關(guān)管和續(xù)流二極管為理想元件；忽略齒槽、換向過程和電樞反應(yīng)等

22、影響。永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型由電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程組成，在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下：(l)電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的電壓方程如下式所示:其中，Rs為定子電阻；ud、uq分別為d、q 軸上的兩相電壓；id、iq分別為d、q軸上對(duì)應(yīng)的兩相電流；Ld、Lq分別為直軸電感和交軸電感；c為電角速度；d、q分別為直軸磁鏈和交軸磁鏈。若要獲得三相靜止坐標(biāo)系下的電壓方程，則需做兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到三相靜止坐標(biāo)系的變換，如下式所示。(2)d/q軸磁鏈方程：其中，f為永磁體產(chǎn)生的磁鏈，為常數(shù)，而是機(jī)械角速度，p為同步電機(jī)的極對(duì)數(shù)，c為電角速度，e0為空載反電動(dòng)勢(shì)，其值為每項(xiàng)繞組反電動(dòng)勢(shì)的

23、倍。(3)轉(zhuǎn)矩方程：把它帶入上式可得:對(duì)于上式，前一項(xiàng)是定子電流和永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，稱為永磁轉(zhuǎn)矩；后一項(xiàng)是轉(zhuǎn)子突極效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩，稱為磁阻轉(zhuǎn)矩，若Ld=Lq，則不存在磁阻轉(zhuǎn)矩，此時(shí)，轉(zhuǎn)矩方程為：這里，為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，。(4)機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程：其中，是電機(jī)轉(zhuǎn)速，是負(fù)載轉(zhuǎn)矩，是總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(包括電機(jī)慣量和負(fù)載慣量)，是摩擦系數(shù)。直線電機(jī)原理永磁直線同步電機(jī)是旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上的一種演變，相當(dāng)于把旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子和動(dòng)子沿軸向剖開，然后將電機(jī)展開成直線，由定子演變而來的一側(cè)稱為初級(jí)，轉(zhuǎn)子演變而來的一側(cè)稱為次級(jí)。由此得到了直線電機(jī)的定子和動(dòng)子，圖1為其轉(zhuǎn)變過程。直線電機(jī)不僅在結(jié)構(gòu)上是旋轉(zhuǎn)電機(jī)的演變，在工作原理上也與旋

24、轉(zhuǎn)電機(jī)類似。在旋轉(zhuǎn)的三相繞組中通入三相正弦交流電后，在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣隙磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速（又叫同步轉(zhuǎn)速）為： （1-1）其中，交流電源頻率，電機(jī)的極對(duì)數(shù)。如果用表示氣隙磁場(chǎng)的線速度，則有： （1-2）其中，為極距。當(dāng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)展開成直線電機(jī)形式以后，如果不考慮鐵芯兩端開斷引起的縱向邊端效應(yīng)，此氣隙磁場(chǎng)沿直線運(yùn)動(dòng)方向呈正弦分布，當(dāng)三相交流電隨時(shí)間變化時(shí)，氣隙磁場(chǎng)由原來的圓周方向運(yùn)動(dòng)變?yōu)檠刂本€方向運(yùn)動(dòng)，次級(jí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)和初級(jí)的磁場(chǎng)相互作用從而產(chǎn)生電磁推力。在直線電機(jī)當(dāng)中我們把運(yùn)動(dòng)的部分稱為動(dòng)子，對(duì)應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子。這個(gè)原理和旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似，二者的差異是：直線電機(jī)的磁場(chǎng)是平移的，而不是旋轉(zhuǎn)

25、的，因此稱為行波磁場(chǎng)。這時(shí)直線電機(jī)的同步速度為v=2f,旋轉(zhuǎn)電機(jī)改變電流方向后，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生改變，同樣的方法可以使得直線電機(jī)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。圖1永磁直線同步電機(jī)的演變過程 圖2 直線電機(jī)的基本工作原理 對(duì)永磁同步直線電機(jī)，初級(jí)由硅鋼片沿橫向疊壓而成，次級(jí)也是由硅鋼片疊壓而成，并且在次級(jí)上安裝有永磁體。根據(jù)初級(jí)，次級(jí)長(zhǎng)度不同，可以分為短初級(jí)-長(zhǎng)次級(jí)結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)初級(jí)-短次級(jí)的結(jié)構(gòu)。對(duì)于運(yùn)動(dòng)部分可以是電機(jī)的初級(jí)，也可以是電機(jī)的次級(jí)，要根據(jù)實(shí)際的情況來確定?；窘Y(jié)構(gòu)如圖3所示，永磁同步直線電機(jī)的速度等于電機(jī)的同步速度： （1-3）圖3 PMLSM的基本結(jié)構(gòu) 矢量控制（磁場(chǎng)定向控制技術(shù)）矢量控制技術(shù)是（磁

26、場(chǎng)定向控制技術(shù)）是應(yīng)用于永磁同步伺服電機(jī)的電流（力矩）控制，使得其可以類似于直流電機(jī)中的電流（力矩）控制。矢量控制技術(shù)是通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的。坐標(biāo)變換需要坐標(biāo)系，變化整個(gè)過程給出三個(gè)坐標(biāo)系：靜止坐標(biāo)系（a，b，c）：定子三相繞組的軸線分別在此坐標(biāo)系的a，b，c三軸上；靜止坐標(biāo)系（，）：在（a，b，c）平面上的靜止坐標(biāo)系，且軸與a軸重合，軸繞軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度；旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d,q）:以電源角頻率旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系。矢量控制技術(shù)對(duì)電流的控制實(shí)際上是對(duì)合成定子電流矢量的控制，但是對(duì)合成定子電流矢量的控制的控制存在以下三個(gè)方面的問題：是時(shí)變量，如何轉(zhuǎn)換為時(shí)不變量？如何保證定子磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)之間始終保持垂直？是

27、虛擬量，力矩T的控制最終還是要落實(shí)到三相電流的控制上，如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)轉(zhuǎn)換？從靜止坐標(biāo)系（a，b，c）看是以電源角頻率旋轉(zhuǎn)的，而從旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d,q）上看是靜止的，也就是從時(shí)變量轉(zhuǎn)化為時(shí)不變量，交流量轉(zhuǎn)化為直流量。所以，通過Clarke和Park坐標(biāo)變換（即3/2變換），實(shí)現(xiàn)了對(duì)勵(lì)磁電流id和轉(zhuǎn)矩電流iq的解耦。在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d,q）中，已經(jīng)成為了一個(gè)標(biāo)量。令在q軸上（即讓id=0），使轉(zhuǎn)子的磁極在d軸上。這樣，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d,q）中，我們就可以象直流電機(jī)一樣，通過控制電流來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。且解決了以上三個(gè)問題中的前兩個(gè)。但是，id、iq不是真實(shí)的物理量，電機(jī)的力矩控制最終還是由定子繞組電流ia

28、、ib、ic（或者定子繞組電壓ua、ub、uc）實(shí)現(xiàn)，這就需要進(jìn)行Clarke和Park坐標(biāo)逆變換。且解決了以上三個(gè)問題中的第三個(gè)。力矩回路控制的實(shí)現(xiàn)：圖中電流傳感器測(cè)量出定子繞組電流ia,ib作為clarke變換的輸入，ic可由三相電流對(duì)稱關(guān)系ia+ib+ic=0求出。clarke變換的輸出i,i ，與由編碼器測(cè)出的轉(zhuǎn)角作為park變換的輸入，其輸出id與iq作為電流反饋量與指令電流idref及iqref比較，產(chǎn)生的誤差在力矩回路中經(jīng)PI運(yùn)算后輸出電壓值ud,uq。再經(jīng)逆park逆變換將這ud,uq變換成坐標(biāo)系中的電壓u ,u。SVPWM算法將u,u轉(zhuǎn)換成逆變器中六個(gè)功放管的開關(guān)控制信號(hào)以產(chǎn)

29、生三相定子繞組電流。電流環(huán)控制交流伺服系統(tǒng)反饋分為電流反饋、速度反饋和位置反饋三個(gè)部分。其中電流環(huán)的控制是為了保證定子電流對(duì)矢量控制指令的準(zhǔn)確快速跟蹤。電流環(huán)是內(nèi)環(huán)，SVPWM控制算法的實(shí)現(xiàn)主要集中在電流環(huán)上，電流環(huán)性能指標(biāo)的好壞，特別是動(dòng)態(tài)特性，將全面影響速度、位置環(huán)。PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點(diǎn): P調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量; 而PI調(diào)節(jié)器輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān), 而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要PI調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值, 它就能提供多少, 直到飽和為止。電流環(huán)常采用PI控制器，目的是把P控制器不為0 的靜態(tài)偏差變?yōu)?。電流環(huán)控制器的作用有以下幾個(gè)方面：內(nèi)環(huán)；在外環(huán)調(diào)

30、速的過程中，它的作用是使電流緊跟其給定電流值（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出）；對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起及時(shí)抗干擾作用；在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中（起動(dòng)、升降速）中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流-即加速了動(dòng)態(tài)過程；過載或者賭轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。電流環(huán)的控制指標(biāo)主要是以跟隨性能為主的。在穩(wěn)態(tài)上，要求無靜差；在動(dòng)態(tài)上，不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流電流在動(dòng)態(tài)過程中不超過允許值。雙閉環(huán)電機(jī)調(diào)速過程中所希望達(dá)到的目標(biāo)：起動(dòng)過程中: 只有電流負(fù)反饋, 沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。達(dá)到穩(wěn)態(tài)后: 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主導(dǎo)作用; 電流負(fù)反饋僅為電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。雙閉環(huán)電機(jī)具體工作過程：根據(jù)檢測(cè)模塊得到的速度值和電流值實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。當(dāng)測(cè)量的實(shí)際轉(zhuǎn)速低于設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)，速度調(diào)節(jié)器的積