ELVIS III Mechatronic Actuators Board（机电执行器板卡）是专门为ELVIS III平台开发的一款针对机电执行器（电机）教学应用的实验板卡。学生可以基于板卡上搭载的有刷直流电机、无刷直流电机、步进电机、伺服电机，对各类不同电机的驱动和电机控制开展实验。

基于“ELVIS III 电机原理与应用板卡 + LabVIEW”的实验方案，学生可以更好的学习和理解不同类型电机的工作原理和控制原理，锻炼和提升动手实践能力。

这套实验方案的优势体现在：

• 覆盖4种十分常用的电机类型：有刷/无刷直流电机、步进电机、伺服电机

• 基于LabVIEW FPGA的程序设计，对用户开放，可自定义

• 实验方案设计紧凑，可结合ELVIS III的仪器功能让学生观察电机控制信号

• 专门支持工程教育专业认证指标点的实验内容及环节设计

图1 ELVIS III机电执行器板卡上的各个部件

下面向大家具体展示用LabVIEW和机电执行器板卡进行电机实验的过程。

图2 ELVIS III机电执行器实验板卡

该电机板卡可以进行有刷直流电机、无刷直流电机、步进电机、伺服电机这四类电机的驱动与控制实验。

1. 有刷直流电机

有刷直流电动机通过在定子中容纳永磁体，并在转子通电时产生的电磁力来产生扭矩，因而可以旋转，当旋转180°后，由碳刷实现电流换向，使产生的电磁扭矩方向不变。用最常见的、原理最简单的有刷直流电机作为引入实验，配合PWM（脉冲宽度调制）产生可调的驱动电压，可以实现电机的正/反转，由于直流有刷电机转速与电压成正比，调节PWM占空比改变电压有效值大小，可以调节直流电机转速。并配合转速传感器可以观测到电机的实时转速为多少。

2. 无刷直流电机

直流无刷电机通过在转子中容纳永磁体并在定子中换向多个电磁铁来产生扭矩。不需要电刷将电流传递到转子，因此称为无刷直流电动机。需要额外的传感器来检测电枢转子的角位置，更复杂的电路和反馈控制是必要的，以确保定子中电磁场的正确换向。直流无刷电机实验中，学生需要在理解检测转子位置与定子三相电换向的基础下，自己完成程序最核心的一部分算法，即根据转子的不同位置选择导通哪两相，产生最大的电磁转矩拉动转子转动。实验面板可观测三个霍尔传感器的逻辑组合代表转子的位置，还能调节PWM占空比改变转速。

3. 步进电机

步进电机作为一种开环控制的电机，与有刷直流电动机或无刷直流电动机的连续旋转相反，步进电动机以不连续的步骤使电枢旋转。完成一次完整旋转所需的步数决定了步进电机的步长。由于电动机仅在已知的不同位置上有效，因此可以命令它保持某个位置而不需要任何反馈传感器。步进电机实验提供了简单易懂的呈现形式，可自由搭配4相的激励顺序与激励方式，波步进，全步步进，半步步进，微步进均可实现，观察不同的激励形式对电机的影响。

4. 伺服电机

伺服机构是使用反馈传感器使用反馈控制自动调整系统行为的设备。直流伺服电动机（通常简称为伺服）是一种旋转执行器，它将电能转换成机械能并包含一个用于位置控制的反馈机构。即使在有负载时，它也能保持指令位置，直到被指示不这样做。构成一个完整的闭环系统。该实验可以实现在有限角度范围内的伺服控制，即给定角度后电机经过齿轮减速器到输出轴，旋转到指定位置后停止，即使用外力改变其角度，仍能快速回到指定角度位置。

以下为部分实验的实验程序前面板展示：

图3 有刷直流电机实验程序前面板

图4 步进电机实验程序前面板

图5 伺服电机实验程序前面板