USB-6341控制伺服电机实验报告.doc

伺服控制系统课程设计
预习报告

姓 名：
专 业： 电气工程及其自动化
指导教师：
完成日期： 2016.10.30
一、课程设计目的
1、掌握初步的自动控制系统集成概念和工程动手能力，学会分析和解决实际工作中出现的问题；
2、培养学生能够运用现代工程工具和信息技术工具对复杂电气工程问题进行预测和模拟，并理 解其局限性。
二、课程设计内容及要求
综合运用直流电机调速、电力电子与 PWM 控制、自动控制与 PID 闭环调节、转速传感器与检 测等基本原理与技术知识，在基于计算机的 LabVIEW/DAQ 测控平台上，完成双直流电机同步伺服 控制系统的建立，调整控制参数，设计人机接口，观察实验波形和调速效果，得出实验结论。具体 要求包括：
1、检索伺服电机控制系统的技术资料，了解其应用现状与发展趋势。
2、参阅 LabVIEW/DAQ 实验平台的官方英文资料，熟悉实验开发系统。
3、掌握整个伺服电机实验系统的结构、原理，重点熟悉各环节在整个系统中地位及工作原理。
4、掌握 LabVIEW/DAQ 数据采集、PID 控制、PWM 驱动器设计方法
5、在 LabVIEW 中实现电机控制软件的设计，实现转速闭环 PWM 输出控制。
6、独立完成课程设计报告的编写。
7、进行课程设计的答辩汇报。
三、课程设计实验设备
表1 实验设备名称与数量
设备名称
数量
计算机
1 台
LabVIEW 开发软件系统
1 套
NI USB-6341 系列数据采集套件
1 套
直流电机
2 套
H 桥驱动电路
2 套
转速编码器
2 套
直流电源
1 台

四、实验设备的使用
1、LabVIEW的编程方法简述
LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一种图形化的编程语言[1]，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW 集成了与满足 GPIB、VXI、RS-232 和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用 TCP/IP、ActiveX 等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。图形化的程序语言，又称为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW 是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。利用 LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的 32 位编译器。像许多重要的软件一样，LabVIEW 提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh 的多种版本。
具体来说，它是直观的前面板与流程图式的编程方法的结合，是构建虚拟仪器的理想工具。LabVIEW与仪器系统的数据采集、分析、显示部分一起协调工作，是简化了而又易于使用的基于图形化的编程语言G的开发环境。流程图式的程序设计与科技工程人员较为熟悉的数据流和方块图的概念是一致的，而且由于流程图与传统程序设计语言的语法细节无关，构建和测试程序就可以少费时间。使用流程图方法可以实现内部的自我复制，可以随时改变虚拟仪器来满足自己的需要。与传统的编程方式相比，使用LabVIEW设计虚拟仪器，可以提高效率4～10倍。同时，利用其模块化和递归方式，用户可以在很短的时间内构建、设计和更新自己的虚拟仪器系统。
2、USB-6341的基本规范简述
(1)数字 I/O/PFI：
USB-6341的数字 I/O/PFI的各种特性[2]如下表2——9：
表2 数字 I/O/PFI的静态特性
器件：
配置要求：
通道数
共 24 个，8 (P0.<0..7>), 16 (PFI<0..7> /P1, PFI <8..15>/P2)
参考地
D GND
方向控制
各端子可通过编程独立配置为输入或输出
下拉电阻
常规 50 kΩ，最低 20 kΩ
输入电压保护
±20 V，最多两个引脚

表3 端口的波形特性
端口 0 (P0.<0..7>)的特性：
配置要求：
端口/采样容量
最高 8 位
波形生成(DO) FIFO
2,047 个采样
波形采集(DI) FIFO
255 个采样

表4 DO 或 DI 采样时钟频率
PCIe/PXIe
0 MHz～1 MHz，取决于系统和总线活动
USB
0 MHz～1 MHz，取决于系统和总线活动

表5 数据传输要求
PCIe/PXIe
DMA（分散-收集）、编程控制 I/O
USB
USB 信号流、编程控制 I/O
数字线滤波器设置
160 ns、10.24 μs、5.12 ms、禁用

表6 PFI/端口 1/端口 2 功能
功能
静态数字输入、静态数字输出、定时输入、 定时输出
定时输出源
多个 AI、AO、计数器、DI、DO 定时信号

去抖动滤波设置
90 ns、5.12 μs、2.56 ms、自定义间隔、禁用；可编程的信号高低转换；每个输入可独立配置

表7 工作条件
输入高电压(VIH)

最小值
2.2 V
最大值
5.25 V
输入低电压(VIL)
最小值
0 V
最大值
0.8 V
输出高电流(IOH)

P0.<0..7>
-24 mA ，最大值
PFI<0..15> /P1/P2
-16 mA ，最大值
输出低电流(IOL)
P0. <0..7>
24 mA ，最大值
PFI <0..15>/P1/P2
16 mA ，最大值

数字 I/O 特性:
正向阈值(VT+)
2.2 V，最大值
反向阈值(VT-)
0.8 V，最小值
迟滞差值VT+ - VT-)
0.2 V，最小值
IIL 输入低电流(VIN = 0 V)
-10 μA，最大值
IIH 输入高电流(VIN = 5 V)
250 μA，最大值

（2）通用计数器:
表8 通用计数器
计数器/定时器数量
32 位
分辨率
4
计数器测量
边沿计数、脉冲、脉冲宽度、半周期、周期、双边沿间隔
位置测量
X1、X2、X4 正交编码（带复位通道 Z）；双脉冲编码
采样
脉冲、动态更新的脉冲序列、频分、等时采样
内部基准时钟
100 MHz、20 MHz、100 kHz

外部基准时钟频率
PCIe/USB
0 MHz～25 MHz
PXIe
0 MHz～25 MHz；0 MHz～100MH（PXIe_DSTAR、PXI_TRIG、PXI_STAR、多种内部信号
USB
任意 PFI、多种内部信号
FIFO
127 个采样/计数器

数据传输

PCIe/PXIe
各计数器/定时器专用分散-收集 DMA 控制器、编程控制 I/O
USB
USB 信号流、编程控制 I/O
（3）频率发生器:
表9 频率发生器
内部要求：
数值：
通道数
1
基准时钟
20 MHz、10 MHz、100 kHz
分频数
1～16
基准时钟精度
50 ppm
输出连接
任意 PFI 或 RTSI 接线端
(4)电流限制:
警告：对于PCIe，未安装磁盘驱动电源连接器时P0/PFI/P1/P2 和+5 V 端子组合不得超出最大值1A；已安装磁盘驱动电源连接器时+5 V 端子（连接器 0）不得超出最大值5V，P0/PFI/P1/P2 组合不得超出最大值1A。对于PXIe，+5 V 端子（连接器 0）不得超出最大值5V，P0/PFI/P1/P2 组合不得超出最大值2A。对于USB，5 V 端子（连接器 0）不得超出最大值5V，P0/PFI/P1/P2 组合不得超出最大值2A。超出电流限制可能引起设备和/或计算机/机箱不可预期的后果！
(5)最大工作电压:
最大工作电压指信号电压和共模电压之和。 通道对地电压需要小于11V。警告：在 Measurement Category II、III 和 IV 中，请勿使用设备进行测量。
(6)设备引脚：

图1 NI PCIe/PXIe-6341 引脚

图2 NI USB-6341 螺栓端子引脚

图3 NI USB-6341 BNC 前面板和螺栓端子引脚

3、双路隔离直流电机驱动模块的使用[3]
（1）接口定义

图4 接口定义
（2） 控制信号接口
如图5所示，+5V 和 GND 为控制信号电源，如果控制信号为 3.3V，那么+5V 接 3.3V；ENA、ENB 分别为电机接口 1 和电机接口 2 的使能信号，可以外接 PWM；IN1~IN4 为两路电机正反转、 制动(或称刹车)控制信号。

图5 控制信号接口

控制逻辑如表 10 和表 11 所示。其中 0 为低电平、1 为高平、 ×为任意电平，悬空时为高电平。

表10 电机接口 1 控制信号逻辑

表11 电机接口 2 控制信号逻辑

（3） 使用数字控制引脚控制电机转动接线方法
使用数字控制引脚控制电机转动的接线方法如图6所示。数字控制引脚的电源与驱动板控制信号电 源应共地，但不要与电机电源 PGND 共地。当使用 5V 数字控制引脚时，驱动板+5V 接电源+5V； 当使用 3.3V 单片机时，驱动板+5V 接电源+3.3V。数字控制引脚和驱动板控制信号可共用一电源或 各自独立供电（但一定要共地）。ENA 为与单片机的一个 GPIO 或 PWM 输出端口相连，当 ENA 为高电平时，驱动板使能，正反转或刹车有效，如果是 PWM 信号，那么可对电机进 行调速；低电平时，驱动板禁能，电机接口无输出。IN1 和 IN2 与数字控制引脚的两个 GPIO 连 ，控制电机正反转及刹车。驱动逻辑见表 10。

图6 使用单片机控制电机转动接线示意图
4、增量式输出的霍尔编码器[4]的使用
（1）编码器简介：
霍尔编码器是一种通过磁电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。霍尔编码器是由霍尔码盘和霍尔元件组成。霍尔码盘是在一定直径的圆板上等分地布置有不同的磁极。霍尔码盘与电动机同轴，电动机旋转时，霍尔元件检测输出若干脉冲信号，为判断转向，一般输出两组存在一定相位差的方波信号
（2）编码器接线说明：

图7 电机编码器实物

这是一款增量式输出的霍尔编码器。编码器有AB相输出，所以不仅可以测速，还可以辨别转向。根据上图的接线说明可以看到，我们只需给编码器电源5V供电，在电机转动的时候即可通过AB相输出方波信号。编码器自带了上拉电阻，所以无需外部上拉，可以直接连接到单片机IO读取。
五、 课程设计原理分析
（1）直流电机的优缺点：
直流电机优点：起动和调速性能好，调速范围广平滑，过载能力较强，受电磁干扰影响小；直流电机具有良好的启动特性和调速特性；直流电机的转矩比较大；维修比较便宜；直流电机的直流相对于交流比较节能环保。
直流电机缺点：直流电机制造比较贵，有碳刷 ；与异步电动机比较，直流电动机结构复杂，使用维护不方便，而且要用直流电源；复杂的结构限制了直流电动机体积和重量的进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有害的影响。电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。所以，普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。
（2） 直流电机的主要应用
直流电动机应用广泛。使用最广的就是直流电动工具。直流电动工具是一种运用小容量直流电动机或电磁铁，通过传动机构驱动工作头的手持式或可移式的机械化工具。世界上第一台直流电动工具是1894年制造的电钻。1900年制造出三相工频电钻，由三相异步电动机驱动。1913年生产出首批由单相串激电机驱动的交、直流两用电钻。20世纪80年代后，随着世界经济的发展，电动工具技术得到迅速发展。到新世纪初，世界电动工具的品种发展到近千个，年产量超过1亿台。 电动工具结构轻巧，携带方便。它比手工工具可提高劳动生产率几倍到几十倍，比传统的风动工具效率高、费用低（勿需空压机）、震动和噪声小、易于自动控制。因此，电动工具逐步取代手工工具，已 广泛应用于机械，建筑、机电、冶金设备安装，桥梁架设，住宅装修，农牧业生产，医疗、卫生等各个方面。并且广为个体劳动者及家庭使用，是一种量大面广的机械化工具，发展前景十分广阔。在发电厂里，同步发电机的励磁机、蓄电池的充电机等，都是直流发电机；锅炉给粉机的原动机是直流电动机。此外，在许多工业部门，例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等，通常都采用直流电动机作为原动机来拖动工作机械的。直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；直流电动机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。
（3） H桥对直流电机进行伺服速度控制[5]。
所谓 H 桥驱动电路是为直流电机而设计的一种常见电路，它主要实现直流电机的正反向驱动，其典型电路形式如下：

图8 H桥典型电路
从图中可以看出，其形状类似于字母“H”，而作为负载的直流电机是像“桥”一样架在上面的，所以称之为“ H 桥驱动”。4个开关所在位置就称为“桥臂”。 从电路中不难看出，假设开关A、D接通，电机为正向转动，则开关B、C接通时，直流电机将反向转动。从而实现了电机的正反向驱动。借助这4个开关还可以产生电机的另外2个工作状态： A） 刹车 —— 将B 、D开关（或A、C）接通，则电机惯性转动产生的电势将被短路，形成阻碍运动的反电势，形成“刹车”作用。 B） 惰行 —— 4个开关全部断开，则电机惯性所产生的电势将无法形成电路，从而也就不会产生阻碍运动的反电势，电机将惯性转动较长时间。 以上只是从原理上描述了H桥驱动，而实际应用中很少用开关构成桥臂，通常使用晶体管，因为控制更为方便，速度寿命都长于有接点的开关（继电器）。 细分下来，晶体管有双极性和MOS管之分，而集成电路（例如L298）只是将它们集成而已，其实质还是这两种晶体管，只是为了设计、使用方便、可靠而做成了一块电路。 双极性晶体管构成的 H 桥：

图9 双极性晶体管构成的 H 桥
MOS管构成的 H 桥：

图10 MOS管构成的 H 桥

驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要[6]。如果三极管TA和TB同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。 图11所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。4个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而2个非门通过提供一种方向输人，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。

图11 具有使能控制和方向逻辑的H桥电路

采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两个方向信号和一个使能信号。如果DIR－L信号为0，DIR－R信号为1，并且使能信号是1，那么三极管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机（如图12所示）；如果DIR－L信号变为1，而DIR－R信号变为0，那么Q2和Q3将导通，电流则反向流过电机。

图12 分立元件的H桥驱动电路图
（4）PID三个控制参数的主要功能：
（1）比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造系统的不稳定。
（2）积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强，反之积分作用就弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与其他两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。
（3）微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能，在微分时间选择合适的情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反映的是变化率，而当输入没有变化是，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。
（4） PID参数工程整定方法：
系统整定是指选择调节器的比例度、积分时间TI和微分时间Td的具体数值。系统整定的实质，就是通过改变控制参数使调节器特性和被控过程特性配合好，来改善系统的动态和静态特性，求得最佳的控制效果。系统的良好控制效果一般要求：瞬时响应的衰减率(0.75-0.9)（以保证系统具有一定的稳定性储备），尽量减小稳态偏差(余差)、最大偏差和过渡过程时间。
工程上得到广泛应用的PID参数整定方法通常有：动态特性参数法、临界比例度法、衰减曲线法、现场实验整定法等。它直接在过程控制系统中进行，其方法简单，计算简便，而且容易掌握.。在实际应用中，将调节器的整定参数按先比例、后积分、最后微分的程序置于某些经验数值后，再作给定位扰动，观察系统过渡过程曲线。若曲线还不够理想，则改变调节器的δ、TI、Td值，进行反复凑试，以寻求最佳的整定参数，直到控制质量符合要求为止。
控制器设计总体指标可以概括为：稳、准、快，均衡调节以Kp、Ki、Kd三参数则可一定程度上满足上述三个指标的要求。在控制初期，关键要克服各环节的滞后，为了避免积分饱和造成较大超调，Ki应选的小一些。在控制中期，系统偏差以减小，但为了不过分影响稳定性，Ki可适当增大一些。在调节过程后期，为减小稳太误差，提高控制精度，Ki可选取更大一些。在控制初期，为尽快消除偏差，提高响应速度，Kp应该取大一些；在控制过程中期，为了防止超调过大造成震荡，Kp要减小些；在控制过程后期，则要克服超调，使系统尽快稳定，Kp值要再减小一些。纯大滞后系统在控制中，容易产生超调，使系统失稳。其主要原因是：其时滞阶段对误差的积分太大。因此，为了改善纯大滞后系统的相应特性，对积分因子提出了新的要求。
（5） 直流电机闭环伺服调速控制系统框图
控制器
驱动器
电机装置
转速反馈
转速给定
——

——
PWM
n

图13 转速伺服闭环控制系统原理框图
六、 实验步骤准备
1、做出USB-6341的硬件资源分配，给出其与驱动器控制端口的对应关系表
本次实验由计数器1即77号引脚采集电机1转速，计数器0的89号引脚输出信号到驱动器的IN1端口，计数器3的79号引脚采集电机2的转速，计数器2的93号引脚输出信号到驱动器的IN3端口。USB-6341的具体硬件资源分配与驱动器控制端口的对应关系表如下所示：
表12 板卡引脚与驱动器端子接线表
驱动器引脚
板卡引脚
驱动器引脚
板卡引脚
+5V
96
IN1
89 (PFI 12)
GND
94
IN2
94
ENA
96
IN3
93 (PFI 14)
ENB
96
IN4
94

USB-6341 数据采集卡中的计数器直接测量脉冲频率，再根据增量式编码器一圈输出 390个脉冲信号求出实际转速。同时，计数器将调制的pwm信号输出到驱动器控制接口。USB-6341数据采集卡的硬件资源引脚编号如下：
表13 USB-6341计数器端子编号
计数器/定时信号
默认的引脚编号（名称）
CTR 2 SRC
73 (PFI 0)
CTR 0 SRC
81 (PFI 8)
CTR2GATE
74 (PFI 1)
CTR 0 GATE
83 (PFI 9)
CTR 2 AUX
75 (PFI 2)
CTR 0 AUX
85 (PFI 10)
CTR 2 OUT
93 (PFI 14)
CTR 0 OUT
89 (PFI 12)
CTR 2 A
73 (PFI 0)
CTR 0 A
81 (PFI 8)
CTR 2 Z
74 (PFI 1)
CTR 0 Z
83 (PFI 9)
CTR 2 B
75 (PFI 2)
CTR 0 B
85 (PFI 10)
CTR 3 SRC
78 (PFI 5)
CTR 1 SRC
76 (PFI 3)
CTR3GATE
79 (PFI 6)
CTR 1 GATE

77 (PFI 4)
CTR 3 AUX
80 (PFI 7)
CTR 1 AUX
87 (PFI 11)
CTR 3 OUT
95 (PFI 15)
CTR 1 OUT
91 (PFI 13)
CTR 3 A
78 (PFI 5)
CTR 1 A
76 (PFI 3)
CTR 3 Z
79 (PFI 6)
CTR 1 Z
77 (PFI 4)
CTR 3 B
80 (PFI 7)
CTR 1 B
87 (PFI 11)
FREQ OUT
93 (PFI 14)
2、分析说明双电机转速伺服控制的LabVIEW软件主要功能模块组成
双电机转速伺服控制的LabVIEW软件功能模块主要由频率采集模块，PID控制模块，PWM波生成模块组成，其中频率采集模块负责采集电机的脉冲频率，再根据增量式编码器一圈输出 390个脉冲信号求出实际转速。然后根据在LabVIEW软件前面板上设定的转速和PID控制信号来生成PWM波信号给驱动电路，再由驱动电路控制电机的实时转速。LabVIEW软件具体功能模块如下图所示：

图14 LabVIEW软件具体功能模块示意图

3、设计出PID三个参数调节与跟踪误差测量数据记录表
如下表10、11、12分别为调节P、I、D三个参数，对转速超调量σ、响应时间s、稳态精度e的数据进行记录的表格。

表14 P参数调节记录表（I=0，D=0）
P
σ（%）
s（t）
e（rpm）

表15 I参数调节记录表（P= ，D=0 ）
I
σ（%）
s（t）
e（rpm）

表16 D参数调节记录表（P= ，I= ）
D
σ（%）
s（t）
e（rpm）

七、参考文献
[1] 计算机控制技术 范立南 李雪飞编著肖成勇.LabVIEW 2010基础教程.中国铁道出版社,2012
[2] NI. NI USB-6341 Device Specification. National Instruments Corporation,2016.
[3] NI. USB系列多功能DAQ卡用户手册.美国NI公司,2010
[4] 传感器原理
[5] 阮毅,陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统(第四版).机械工业出版社,2010
[6] 张崇巍.运动控制系统.武汉理工大学出版社,2002
[7] 伺服控制系统课程设计实验指导书.电气教研室自编,2015

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