基于LabVIEW的电机转速控制系统设计
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频率发生电路中 R6 、R7 及 C5 共同构成了锁相环电路的 低通滤波模块 , 其输入脉冲信号频率为 8 Hz 。Protel 中仿真电 路图如图 4 所示 。
图 4 中 , V 1 产生模拟脉冲信号 , 参数设置如下 : 脉冲幅 值 3 V , 上升时间 10μs , 下降时间 10 μs , 脉宽 60 ms , 周期 125 ms , 频率 8 Hz 。R6 、R7 及 C5 的值根据滤波效果可调整 , 最后选定 R6 = 510 K , Rz = 30 K , C5 = 1μF 。此时具有最佳的 滤波效果 。
关键词 : 虚拟仪器 ; 锁相环 ; LabV IEW
System Design Electro - motor Rotational Speed Control Based on of LabVIEW
Li Nan , Teng Fei ( School of Materials Science and Engineering , Shanghai Jiao Tong U niversity , Shanghai 200240 , China)
Key words : virt ual inst rument ; p hase locked loop ; LabV IEW
0 引言
振动焊接是一种在焊接过程中对焊接工件施加振动的新技 术 。该技术可以有效的提高工件焊接质量 , 并降低生产和时间 成本 。振动焊接是通过控制带有偏心块的电动机的振动频率来 工作的 , 因此 , 在对该技术的控制中 , 很重要的一项内容是控 制电动机的转速 。目前已有的振动焊接控制系统 , 对电机的转 速控制主要用单片机做硬件控制 , 以 C 语言做编程 。在操作 性及与其他软件的兼容性上存在一些不足 。本研究开发了以锁 相环为核心 , 以 N I 数据采集卡和 LabV IEW 为平台的电机转 速控制系统 , 该系统能够充分利用锁相环的精确锁相功能 , 实 现很高的控制精度 , 同时实现在软件界面上的控制操作 , 并且 能够与其他应用软件良好兼容 。很好的实现了对振动焊接工作 频率的控制 。
·794 ·
计算机测量与控制 . 2 0 0 6 . 1 4 ( 6 ) Computer Measurement & Control
文章编号 :1671 - 4598 (2006) 06 - 0794 - 03 中图分类号 : TP273 文献标识码 : A
收稿日期 :2006 - 03 - 14 ; 修回日期 :2006 - 04 - 21 。 作者简介 :李南 (1985 - ) ,男 ,河南人 ,本科 ,主要从事焊接控制方面 的研究 。
图 1 电动机锁相控制系统框图
应的变化 。所以系统锁定状态的维持要依靠相位差起作用 。如 果参考输入信号的频率和相位以一定的规律变化 , 只要它不超 出一定的范围 , 电动机的速度就会以同样规律跟着变化 。系统 这种工作过程和状态称为跟踪过程和跟踪状态 。
图 5 为放大电路图 :
V 1 : 直流电压 12 V 。 V 2 : 脉冲幅值 3 V , 上升时间 5 ms , 下降时间 5 ms , 脉 宽 5 ms , 周期 20 ms , 频率 50 Hz 。 图 6 是在测点 in1 、out1 、out2 、out3 测 得 的 仿 真 信 号 。 如图所示 , 在 in1 端输入了 0 - 3 V 的电压 , 经过放大后在 out3 点获得了我们所需的 0～5 V 的电动机工作电压 , 并且获 得了经过放大的电流 , 从而实现了功率放大的作用 。 31 4 倍频电路设计
电路中我们使用了 TL C27L4 功率放 大 芯 片 , 该 芯 片 是 cmo s 芯片 , 具有抗干扰能力强 , 能量消耗低等优点 。测试中 , 我们在 in1 端输入了 0 - 3V 的电压 , 经过放大后在 o ut3 点获 得了所需的 0 - 5V 的电动机工作电压 , 并且获得了经过放大 的电流 , 从而实现了功率放大的作用 。
可以改变滤波器几个参数值来对比一下本设计的滤波效 果 , 假如改变电容 C5 的值采用 10 μF 的电容 , 由于电容值变 大 , 其放电充电时间变长 , 滤波器输出波形达到稳定的时间也
图 3 频率发生电路
图 4 频率合成滤波仿真电路
·796 ·
计算机测量与控制
第6期
相应增加 。另外改变 R7 或 R6 也会引起滤波效果的改变 。 31 3 放大电路
f in = 6M/ 212 + 7 = 6000 000/ 219 ≈111 4 Hz 31 2 滤波电路
滤波器的设计不仅要考虑响应时间 , 还需要考虑其滤波效 果及整个系统相应的机械特性 。在实际应用中 , 滤波器的响应 时间应该根据整个振动时效系统的响应时间来设定 , 相应的改 变 R6 、R7 或 C5 的值即可改变其达到稳定输出的时间 (即响应 时间) 。另外 , 考虑的机械系统的平稳性 , 要求滤波波形不能出 现太大的波动 , 应该平缓的在系统响应时间内达到稳定状态 。
Abstract : Elect ro - motor rotational speed cont rol has a wide application in t he filed of measurement and cont rol . Nowadays elect ro motor rotational speed cont rol is cont rolled by single - chip and has some disadvantages in operation and co mpatibilit y. A elect ro - motor rotational speed cont rol system is developed. The system describes some hardware circuit for signal acquisition and conditioning , and so me soft ware for cont rol . The system is tested in experiment s and is p roved to have a great imp rovement in expandable f unction , human - ma2 chine interface and convenient operation. The system has a great application value and bright market foreground.
系统设计电机转速控制结构框图如图2所示在该图中频率发生模块由晶振和分频器组成产生稳定的频率本系统采用的是经过分频器芯片4060和4040两次分频后到713hz的稳定频率这个频率经labview可编程倍频后得到一个713713nhz围的可变频率信号该信号输入到锁相环的锁相环内部的相位比较器受信号作用产生03v的直流电压直流电电机转速控制结构框图压经滤波和功率放大后带动电动机转动同时电动机上内置的光电编码器输出与转速成线性关系的脉冲信号该信号经硬件倍频后传回锁相环的b端的信号频率和相位都达到相等锁相成功转速控制系统建立平衡实现精确控制电机转速
工业控制
基于 LabVIEW 的电机转速控制系统设计
李 南 , 滕 飞
(上海交通大学 材料科学与工程学院 , 上海 200240)
摘要 : 电机转速控制在测量与控制领域有着广泛的应用 , 目前的电机转速控制主要用单片机做硬件控制 , 在操作性及与其他软件的 兼容性上存在一些不足 , 该研究开发了以锁相环为核心 , 以 N I 数据采集卡和 LabV IEW 为平台的电机转速控制系统 , 通过开发一系列 用于信号发生与调理的硬件电路以及运用 LabV IEW 构建控制软件实现了预期功能 , 实现了在软界面上的便捷操作 , 并且能够与其他应 用软件良好兼容 , 通过仿真和试验 , 验证了系统的可靠性 , 系统在扩展整体功能 、人机界面 、易操作性上都有了较大的提高 ; 系统具有 可靠性高 、成本低 , 通用性强 , 功能扩展方便等特征 , 有良好的应用价值和市场前景 。
第6期
李南 , 等 : 基于 LabV IEW 的电机转速控制系统设计
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图 2 电机转速控制结构框图
压经滤波和功率放大后 , 带动电动机转动 , 同时电动机上内置 的光电编码器输出与转速成线性关系的脉冲信号 , 该信号经硬 件倍频后传回锁相环的 B 端 , 经相位比较器的作用 , A 端和 B 端的信号频率和相位都达到相等 , 锁相成功 , 转速控制系统建 立平衡 , 实现精确控制电机转速 。
71 3 n = 504 ×电机转速 ×硬件倍频倍数 在本系统中 , 由于光电编码器上感应孔数较多 , 其产生频 率已在锁相环工作范围内 , 所以把硬件倍频倍数设为 1 , 则 有: 转速 = n/ 441 2 在此 , 只要设定转速 , 就相当于设定了倍频倍数 , 产生控 制信号控制电机转速 。 本系统中 , 锁相环的工作频率为 81 5～215 K , 在这个输 入频率范围内 , 锁相环才能锁相成功 , 输出 0～3 V 范围的直 流电压 。 转速控制的软件部分是利用 N I 数据采集卡的计数器和 LabV IEW 实现软件倍频 。
在转速控制系统中 , A 端输入信号频率为 71 3 n Hz ( n 为 LabV IEW 设置的倍频倍数) , B 端输入信号频率为 504 ×电机 转速 ×硬件倍频倍数 (504 为本系统用光电编码器上感应孔 数 , 即电机每转一圈 , 编码器产生 504 个脉冲) , 当系统建立 平衡则有 :
3 硬件设计
转速控制系统的电路图主要由频率发生电路 , 滤波电路 , 放大电路 , 倍频电路这几部分组成 。下面对这几部分作一一介 绍。 31 1 频率发生电路
现代电子技术中常常要求高精度和高稳定度的频率 , 一般 都用晶体振荡器 。但是晶体振荡器的频率是单一的 , 只能在极 小的范围内微调 。所以我们需要采用频率合成技术来取得我们
1 锁相环转速控制工作原理
利用锁相环路可以对直流电机转速实施非常精确的转速控 制 , 将基本的锁相环路加以适当改变 , 用电动机 M 和光电编 码器 E 代替 VCO , 即可得到电动机锁相控制系统 (或称锁相 环电动机控制系统) 的原理框图[1] , 如图 1 所示 。
系统处于锁定时 , 如果参考输入信号的频率和相位一旦有 了微小的变化 , 立刻就会在参考信号和反馈信号的相位差上反 映出来 , 鉴相器输出也随之改变 , 并且使电动机的速度发生相
本系统采用的是 6 M Hz 的晶振 , 经过分频器芯片 4060 和 4040 两次分频后 , 得到约为 111 4 Hz 的稳定频率 , 如图 3 中 , Y1 为一个 6 M Hz 的晶振 , MC14060B 和 MC14040B 分别为 12 级二进制分频器及 14 级二进制分频器 , MC14060B 的 1 脚输 出为 12 分频 , 而 MC14040B 的 4 脚输出为 7 分频 , 这样可以 得到初始参考频率 f in :
2 系统设计
电机转速控制结构框图如图 2 所示 , 在该图中 , 频率发生 模块由晶振和分频器组成 , 产生稳定的频率 , 本系统采用的是 6 M Hz 的晶振 , 经过分频器芯片 4060 和 4040 两次分频后 , 得 到 71 3 Hz 的稳定频率 , 这个频率经 LabV IEW 可编程倍频后 , 得到一个 71 3～71 3 n Hz ( n 为 LabV IEW 设置的倍频倍数) 范 围的可变频率信号 , 该信号输入到锁相环的 A 端 , 锁相环内 部的相位比较器受信号作用产生 0～3V 的直流电压 , 直流电
需要的频率 。 频率合成的方法主要有 3 种 。最早的合成方法被称为直接
频率合成 , 它利用混频器 、倍频器 、分频器和带通滤波器来完 成对频率的四则运算 , 一方面这种方法需要许多的硬设备 (振 荡器 、混频器等) , 导致体积大造价高 , 另一方面其输出端会 出现杂波 。最新的频率合成方法是直接数字频率合成 , 它用数 字计算机和数模变换器来产生信号 , 目前应用较少 。而最广泛 的频率合成方法是应用锁相环路的频率合成方法 , 称为间接合 成。
电动机的锁相控制比一般的模拟式控制优越[2] , 其主要原 因在于它用光电编码器代替常用的测速发电机作为速度检测元 件 , 同时引入具有一定频率和相位的周期信号 (而不是直流信 号) 作为给定信号和反馈信号 。光电编码器的性能比测速发电 机好得多 , 它没有气隙 、温度 、磁场强度等因素的改变对其输 出产生影响的问题 。
图 4 中 , V 1 产生模拟脉冲信号 , 参数设置如下 : 脉冲幅 值 3 V , 上升时间 10μs , 下降时间 10 μs , 脉宽 60 ms , 周期 125 ms , 频率 8 Hz 。R6 、R7 及 C5 的值根据滤波效果可调整 , 最后选定 R6 = 510 K , Rz = 30 K , C5 = 1μF 。此时具有最佳的 滤波效果 。
关键词 : 虚拟仪器 ; 锁相环 ; LabV IEW
System Design Electro - motor Rotational Speed Control Based on of LabVIEW
Li Nan , Teng Fei ( School of Materials Science and Engineering , Shanghai Jiao Tong U niversity , Shanghai 200240 , China)
Key words : virt ual inst rument ; p hase locked loop ; LabV IEW
0 引言
振动焊接是一种在焊接过程中对焊接工件施加振动的新技 术 。该技术可以有效的提高工件焊接质量 , 并降低生产和时间 成本 。振动焊接是通过控制带有偏心块的电动机的振动频率来 工作的 , 因此 , 在对该技术的控制中 , 很重要的一项内容是控 制电动机的转速 。目前已有的振动焊接控制系统 , 对电机的转 速控制主要用单片机做硬件控制 , 以 C 语言做编程 。在操作 性及与其他软件的兼容性上存在一些不足 。本研究开发了以锁 相环为核心 , 以 N I 数据采集卡和 LabV IEW 为平台的电机转 速控制系统 , 该系统能够充分利用锁相环的精确锁相功能 , 实 现很高的控制精度 , 同时实现在软件界面上的控制操作 , 并且 能够与其他应用软件良好兼容 。很好的实现了对振动焊接工作 频率的控制 。
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计算机测量与控制 . 2 0 0 6 . 1 4 ( 6 ) Computer Measurement & Control
文章编号 :1671 - 4598 (2006) 06 - 0794 - 03 中图分类号 : TP273 文献标识码 : A
收稿日期 :2006 - 03 - 14 ; 修回日期 :2006 - 04 - 21 。 作者简介 :李南 (1985 - ) ,男 ,河南人 ,本科 ,主要从事焊接控制方面 的研究 。
图 1 电动机锁相控制系统框图
应的变化 。所以系统锁定状态的维持要依靠相位差起作用 。如 果参考输入信号的频率和相位以一定的规律变化 , 只要它不超 出一定的范围 , 电动机的速度就会以同样规律跟着变化 。系统 这种工作过程和状态称为跟踪过程和跟踪状态 。
图 5 为放大电路图 :
V 1 : 直流电压 12 V 。 V 2 : 脉冲幅值 3 V , 上升时间 5 ms , 下降时间 5 ms , 脉 宽 5 ms , 周期 20 ms , 频率 50 Hz 。 图 6 是在测点 in1 、out1 、out2 、out3 测 得 的 仿 真 信 号 。 如图所示 , 在 in1 端输入了 0 - 3 V 的电压 , 经过放大后在 out3 点获得了我们所需的 0～5 V 的电动机工作电压 , 并且获 得了经过放大的电流 , 从而实现了功率放大的作用 。 31 4 倍频电路设计
电路中我们使用了 TL C27L4 功率放 大 芯 片 , 该 芯 片 是 cmo s 芯片 , 具有抗干扰能力强 , 能量消耗低等优点 。测试中 , 我们在 in1 端输入了 0 - 3V 的电压 , 经过放大后在 o ut3 点获 得了所需的 0 - 5V 的电动机工作电压 , 并且获得了经过放大 的电流 , 从而实现了功率放大的作用 。
可以改变滤波器几个参数值来对比一下本设计的滤波效 果 , 假如改变电容 C5 的值采用 10 μF 的电容 , 由于电容值变 大 , 其放电充电时间变长 , 滤波器输出波形达到稳定的时间也
图 3 频率发生电路
图 4 频率合成滤波仿真电路
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计算机测量与控制
第6期
相应增加 。另外改变 R7 或 R6 也会引起滤波效果的改变 。 31 3 放大电路
f in = 6M/ 212 + 7 = 6000 000/ 219 ≈111 4 Hz 31 2 滤波电路
滤波器的设计不仅要考虑响应时间 , 还需要考虑其滤波效 果及整个系统相应的机械特性 。在实际应用中 , 滤波器的响应 时间应该根据整个振动时效系统的响应时间来设定 , 相应的改 变 R6 、R7 或 C5 的值即可改变其达到稳定输出的时间 (即响应 时间) 。另外 , 考虑的机械系统的平稳性 , 要求滤波波形不能出 现太大的波动 , 应该平缓的在系统响应时间内达到稳定状态 。
Abstract : Elect ro - motor rotational speed cont rol has a wide application in t he filed of measurement and cont rol . Nowadays elect ro motor rotational speed cont rol is cont rolled by single - chip and has some disadvantages in operation and co mpatibilit y. A elect ro - motor rotational speed cont rol system is developed. The system describes some hardware circuit for signal acquisition and conditioning , and so me soft ware for cont rol . The system is tested in experiment s and is p roved to have a great imp rovement in expandable f unction , human - ma2 chine interface and convenient operation. The system has a great application value and bright market foreground.
系统设计电机转速控制结构框图如图2所示在该图中频率发生模块由晶振和分频器组成产生稳定的频率本系统采用的是经过分频器芯片4060和4040两次分频后到713hz的稳定频率这个频率经labview可编程倍频后得到一个713713nhz围的可变频率信号该信号输入到锁相环的锁相环内部的相位比较器受信号作用产生03v的直流电压直流电电机转速控制结构框图压经滤波和功率放大后带动电动机转动同时电动机上内置的光电编码器输出与转速成线性关系的脉冲信号该信号经硬件倍频后传回锁相环的b端的信号频率和相位都达到相等锁相成功转速控制系统建立平衡实现精确控制电机转速
工业控制
基于 LabVIEW 的电机转速控制系统设计
李 南 , 滕 飞
(上海交通大学 材料科学与工程学院 , 上海 200240)
摘要 : 电机转速控制在测量与控制领域有着广泛的应用 , 目前的电机转速控制主要用单片机做硬件控制 , 在操作性及与其他软件的 兼容性上存在一些不足 , 该研究开发了以锁相环为核心 , 以 N I 数据采集卡和 LabV IEW 为平台的电机转速控制系统 , 通过开发一系列 用于信号发生与调理的硬件电路以及运用 LabV IEW 构建控制软件实现了预期功能 , 实现了在软界面上的便捷操作 , 并且能够与其他应 用软件良好兼容 , 通过仿真和试验 , 验证了系统的可靠性 , 系统在扩展整体功能 、人机界面 、易操作性上都有了较大的提高 ; 系统具有 可靠性高 、成本低 , 通用性强 , 功能扩展方便等特征 , 有良好的应用价值和市场前景 。
第6期
李南 , 等 : 基于 LabV IEW 的电机转速控制系统设计
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图 2 电机转速控制结构框图
压经滤波和功率放大后 , 带动电动机转动 , 同时电动机上内置 的光电编码器输出与转速成线性关系的脉冲信号 , 该信号经硬 件倍频后传回锁相环的 B 端 , 经相位比较器的作用 , A 端和 B 端的信号频率和相位都达到相等 , 锁相成功 , 转速控制系统建 立平衡 , 实现精确控制电机转速 。
71 3 n = 504 ×电机转速 ×硬件倍频倍数 在本系统中 , 由于光电编码器上感应孔数较多 , 其产生频 率已在锁相环工作范围内 , 所以把硬件倍频倍数设为 1 , 则 有: 转速 = n/ 441 2 在此 , 只要设定转速 , 就相当于设定了倍频倍数 , 产生控 制信号控制电机转速 。 本系统中 , 锁相环的工作频率为 81 5～215 K , 在这个输 入频率范围内 , 锁相环才能锁相成功 , 输出 0～3 V 范围的直 流电压 。 转速控制的软件部分是利用 N I 数据采集卡的计数器和 LabV IEW 实现软件倍频 。
在转速控制系统中 , A 端输入信号频率为 71 3 n Hz ( n 为 LabV IEW 设置的倍频倍数) , B 端输入信号频率为 504 ×电机 转速 ×硬件倍频倍数 (504 为本系统用光电编码器上感应孔 数 , 即电机每转一圈 , 编码器产生 504 个脉冲) , 当系统建立 平衡则有 :
3 硬件设计
转速控制系统的电路图主要由频率发生电路 , 滤波电路 , 放大电路 , 倍频电路这几部分组成 。下面对这几部分作一一介 绍。 31 1 频率发生电路
现代电子技术中常常要求高精度和高稳定度的频率 , 一般 都用晶体振荡器 。但是晶体振荡器的频率是单一的 , 只能在极 小的范围内微调 。所以我们需要采用频率合成技术来取得我们
1 锁相环转速控制工作原理
利用锁相环路可以对直流电机转速实施非常精确的转速控 制 , 将基本的锁相环路加以适当改变 , 用电动机 M 和光电编 码器 E 代替 VCO , 即可得到电动机锁相控制系统 (或称锁相 环电动机控制系统) 的原理框图[1] , 如图 1 所示 。
系统处于锁定时 , 如果参考输入信号的频率和相位一旦有 了微小的变化 , 立刻就会在参考信号和反馈信号的相位差上反 映出来 , 鉴相器输出也随之改变 , 并且使电动机的速度发生相
本系统采用的是 6 M Hz 的晶振 , 经过分频器芯片 4060 和 4040 两次分频后 , 得到约为 111 4 Hz 的稳定频率 , 如图 3 中 , Y1 为一个 6 M Hz 的晶振 , MC14060B 和 MC14040B 分别为 12 级二进制分频器及 14 级二进制分频器 , MC14060B 的 1 脚输 出为 12 分频 , 而 MC14040B 的 4 脚输出为 7 分频 , 这样可以 得到初始参考频率 f in :
2 系统设计
电机转速控制结构框图如图 2 所示 , 在该图中 , 频率发生 模块由晶振和分频器组成 , 产生稳定的频率 , 本系统采用的是 6 M Hz 的晶振 , 经过分频器芯片 4060 和 4040 两次分频后 , 得 到 71 3 Hz 的稳定频率 , 这个频率经 LabV IEW 可编程倍频后 , 得到一个 71 3～71 3 n Hz ( n 为 LabV IEW 设置的倍频倍数) 范 围的可变频率信号 , 该信号输入到锁相环的 A 端 , 锁相环内 部的相位比较器受信号作用产生 0～3V 的直流电压 , 直流电
需要的频率 。 频率合成的方法主要有 3 种 。最早的合成方法被称为直接
频率合成 , 它利用混频器 、倍频器 、分频器和带通滤波器来完 成对频率的四则运算 , 一方面这种方法需要许多的硬设备 (振 荡器 、混频器等) , 导致体积大造价高 , 另一方面其输出端会 出现杂波 。最新的频率合成方法是直接数字频率合成 , 它用数 字计算机和数模变换器来产生信号 , 目前应用较少 。而最广泛 的频率合成方法是应用锁相环路的频率合成方法 , 称为间接合 成。
电动机的锁相控制比一般的模拟式控制优越[2] , 其主要原 因在于它用光电编码器代替常用的测速发电机作为速度检测元 件 , 同时引入具有一定频率和相位的周期信号 (而不是直流信 号) 作为给定信号和反馈信号 。光电编码器的性能比测速发电 机好得多 , 它没有气隙 、温度 、磁场强度等因素的改变对其输 出产生影响的问题 。