课程名称：综合物理实验5 专业：物理学，应用物理学 班级： 章节 学时 ELVIS-直流电机PID测速实验 4学时 名称 分配 1.了解虚拟仪器的基本概念，掌握ELVIS设备的软件及硬件资源情况。 教学 2.了解直流电机的工作原理，练习基于NI ELVIS软件的电路分析，完成电机 目的 测速和PID控制。 主要实 NI ELVISⅡ实验平台，LECT3301实验套件，数字万用表，示波器，安装有 验仪器 LabVIEW软件的计算机. 本实验中，需要使用的ELVIS 1I的仪器有可变电压源(VPS),用来驱动直流电机， 需要使用示波器观察电机转动产生的脉冲。实验中使用的直流电机，功率在6丽以内，在 12V电压对应的转速为3000转每分钟。空载时，电机所需的电流约为300A。改变外加 电压的极性，可以改变电机旋转的方向。 /De. 检测器 +5V 实验 1k0 教学 10k To AI2 Gnd- 12VDC Motor 内容 图】马达转速控制原理图 实验分两部分，分别为马达转速测量和马达转速PD控制。实验中将转速编码器的 输出信号采集到通道AI2差分输入，马达由ELVIS I1的可变电源(Variable Powe Supp1y)0-12伏供电，原理如图11所示，使用一个红外二极管/光电品体管模块，一个 1kQ电阻，一个10kQ电阻搭建一个电机反馈电路，将10k电阻两端和AI2通道相连接 该电路是基于红外发光二极管和光敏晶体管的光通信工作的。 根据图1所示的电路原理图，在原型板上搭建电路。小电机的两个引脚连接上单芯 线，在转轴上添加带有小缺口的圆片，圆片直径约为3厘米，缺口大约0.7厘米深。可 以使用一块橡皮将电机垫高，让小圆片可以在晶体管模块的槽位内自由的转动
课程名称：综合物理实验 5 专业：物理学，应用物理学 班级： 章节 名称 ELVIS-直流电机 PID 测速实验 学时 分配 4 学时 教学 目的 1. 了解虚拟仪器的基本概念， 掌握 ELVIS 设备的软件及硬件资源情况。 2.了解直流电机的工作原理，练习基于 NI ELVIS 软件的电路分析，完成电机 测速和 PID 控制。 主要实 验仪器 NI ELVIS II 实验平台，LECT-3301 实验套件，数字万用表，示波器，安装有 LabVIEW 软件的计算机。 实验 教学 内容 本实验中，需要使用的 ELVIS II 的仪器有可变电压源（VPS），用来驱动直流电机， 需要使用示波器观察电机转动产生的脉冲。实验中使用的直流电机，功率在 6W 以内，在 12V 电压对应的转速为 3000 转每分钟。空载时，电机所需的电流约为 300mA。改变外加 电压的极性，可以改变电机旋转的方向。 实验分两部分，分别为马达转速测量和马达转速 PID 控制。实验中将转速编码器的 输出信号采集到通道 AI 2 差分输入，马达由 ELVIS II 的可变电源（Variable Power Supply）0-12 伏供电，原理如图 11 所示，使用一个红外二极管/光电晶体管模块，一个 1kΩ 电阻，一个 10kΩ 电阻搭建一个电机反馈电路，将 10k 电阻两端和 AI 2 通道相连接。 该电路是基于红外发光二极管和光敏晶体管的光通信工作的。 根据图 1 所示的电路原理图，在原型板上搭建电路。小电机的两个引脚连接上单芯 线，在转轴上添加带有小缺口的圆片，圆片直径约为 3 厘米，缺口大约 0.7 厘米深。可 以使用一块橡皮将电机垫高，让小圆片可以在晶体管模块的槽位内自由的转动。 图 1 马达转速控制原理图
课程名称：综合物理实验5 专业：物理学，应用物理学 班级： 注意电路中5V电压的连接，以及GD的连接，将电机两个引脚连线分别联结至VPS 和GND端口。若引线不不方便，可以先用单芯线将这些电压源引至面包板上红蓝标记的 电压槽位上。 电路搭建好后，打开ELVIS IⅡ工作台电源开关以及原型板开关。打开VPS和Scop 的软面板。VS软面板中使用-12V的电压源，电机运行按钮，将电压由OV缓慢往上调 节，可以看到小电机在转动。 Scope软面板中，CH0选择AI2通道，点击运行按钮，观察所得到的脉冲，如图2 所示，若波形不适合观察，点击下方的utoscale按钮。将VpS的电压调节至ON,电机 停止，关闭软面板。 停止运行Scope,关闭软面板。关闭原型板电源开关。 图2观察电机旋转所得脉冲 2.1马达转速测量 马达程序Lab Motor-Manual.vi),用程序控制可变电源输出，即图3(a)中电压控件 观察测得的马达转速，也可通过Power Supply Launcher程控或者手动(Manual)演示电 机转速随电压改变而改变。 NI ELV1SDC电机转速演示 NI ELVIS DC电机转速演示 (a)马达转速测控图 (b)马达转速PID控制图 图3马达转速测量图
课程名称：综合物理实验 5 专业：物理学，应用物理学 班级： 注意电路中 5V 电压的连接，以及 GND 的连接，将电机两个引脚连线分别联结至 VPS+ 和 GND 端口。若引线不不方便，可以先用单芯线将这些电压源引至面包板上红蓝标记的 电压槽位上。 电路搭建好后，打开 ELVIS II 工作台电源开关以及原型板开关。打开 VPS 和 Scope 的软面板。VPS 软面板中使用 0-12V 的电压源，电机运行按钮，将电压由 0V 缓慢往上调 节，可以看到小电机在转动。 Scope 软面板中，CH 0 选择 AI 2 通道，点击运行按钮，观察所得到的脉冲，如图 2 所示，若波形不适合观察，点击下方的 Autoscale 按钮。将 VPS 的电压调节至 0V，电机 停止，关闭软面板。 停止运行 Scope，关闭软面板。关闭原型板电源开关。 2.1 马达转速测量 马达程序(Lab Motor-Manual.vi)，用程序控制可变电源输出，即图 3(a)中电压控件， 观察测得的马达转速，也可通过 Power Supply Launcher 程控或者手动(Manual)演示电 机转速随电压改变而改变。 （a）马达转速测控图 （b）马达转速 PID 控制图 图 3 马达转速测量图 图 2 观察电机旋转所得脉冲
课程名称：综合物理实验5专业：物理学，应用物理学 班级： 注：转速较低时，测得的转速不稳定，可调整采样率和采样点数。输出电压高于3 伏时测得的转速基本上是稳定的。 2.2马达转速PID控制 在上述程序的基础上加入PID控制模块，打开程序(Lab Motor-PID.vi),如图3(b 所示。马达的初试转速设定在1500rpm,运行程序，直到转速和设定的一致：调整比例增 益0.0003至0.0013，设定转速调整到2000rpm,看上升过程，有微小过冲，仍稳定：继 续调整比例增益至0.0023，设定转速到2500rm,可以看到明显过冲。也可在 1500-2000-2500rpm的范围内调节，改变PID参数，观测马达转速对应不同P1D值的调节 特性。 重点 实验原理及实验操作 难点 实验原理的理解以及数据处理分析 教法 以讲授与操作演示为主，黑板书写为辅：讲授法，演示法 1.试着修改PID控制程序中的PID增益参数，看看各个参数的变化对于电机 思考题 速率的变化是什么样的关系。 操作要1、认真检查电路图，然后在面包板上按电路图连接线路，安装直流电机马达 点及注 注意不要让马达的转速片接触到红外二极管。 2、每一次调速完毕后都要在PD面板中按停止，不能让电机马达一直处于转 意事项 动状态
课程名称：综合物理实验 5 专业：物理学，应用物理学 班级： 注：转速较低时，测得的转速不稳定， 可调整采样率和采样点数。输出电压高于 3 伏时测得的转速基本上是稳定的。 2.2 马达转速 PID 控制 在上述程序的基础上加入 PID 控制模块，打开程序(Lab Motor-PID.vi)，如图 3（b） 所示。马达的初试转速设定在 1500rpm，运行程序，直到转速和设定的一致；调整比例增 益 0.0003 至 0.0013，设定转速调整到 2000rpm，看上升过程，有微小过冲，仍稳定；继 续调整比例 增益至 0.0023 ，设定转 速到 2500rpm,可 以看到明 显过冲。 也可在 1500-2000-2500rpm 的范围内调节，改变 PID 参数，观测马达转速对应不同 PID 值的调节 特性。 重点 实验原理及实验操作 难点 实验原理的理解以及数据处理分析 教法 以讲授与操作演示为主，黑板书写为辅：讲授法，演示法 思考题 1．试着修改 PID 控制程序中的 PID 增益参数，看看各个参数的变化对于电机 速率的变化是什么样的关系。 操作要 点及注 意事项 1、认真检查电路图，然后在面包板上按电路图连接线路，安装直流电机马达。 注意不要让马达的转速片接触到红外二极管。 2、每一次调速完毕后都要在 PID 面板中按停止，不能让电机马达一直处于转 动状态
课程名称：综合物理实验5 专业：物理学，应用物理学 班级： 教师根据实际教学过程进行教学评价，反映本节课的成功及遗憾之处，提出改进建议等 评价 教师教学方面 学生学习方面 戏果 完成 作的积 重难点 破解 理解 成性 出色 较好 教学评价 其他说明 改进建议 建议学生1人为一组完成该实验
课程名称：综合物理实验 5 专业：物理学，应用物理学 班级： 教学评价 教师根据实际教学过程进行教学评价，反映本节课的成功及遗憾之处，提出改进建议等。 评价 效果 教师教学方面 学生学习方面 教学内 容完成 情况 重点 讲授 难点 破解 教学 策略 学习 态度 实验操 作的积 极性 重难点 理解 学习综 合效果 出色 √ √ 较好 √ √ √ √ √ √ 一般 其他说明 改进建议 建议学生 1 人为一组完成该实验