劉蘊紅，楊君寶

（大連理工大學 電氣工程學院，遼寧 大連 116024）

現(xiàn)如今直流電機在各行各業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用，因而直流電機的速度控制和測量的重要性也越發(fā)的突出。隨著科技的快速發(fā)展，PWM調(diào)速由于其開關(guān)頻率高、低速運行穩(wěn)定、動態(tài)性能好、效率高等優(yōu)勢已成為電機調(diào)速的新方式，并且在電機調(diào)速中被普遍運用[1-3]。文獻[4-5]中提到的PWM控制信號大多是通過單片機的中斷實現(xiàn)，比較占用系統(tǒng)資源，而且容易受到系統(tǒng)中斷的影響和干擾，造成系統(tǒng)很不穩(wěn)定。文中所涉及的PWM信號雖由軟件產(chǎn)生，但卻是基于硬件的PWM控制，穩(wěn)定性更好。

NImyDAQ是美國國家儀器有限公司 （NationalInstruments，NI）推出的一個便攜式設備，而且配有USB即插即用功能，可針對各種測量進行快速方便的采集與顯示，方便了控制信號的輸入輸出。采用LabVIEW的基于WEB發(fā)布工具可以方便的實現(xiàn)網(wǎng)頁的遠程發(fā)布，為遠程控制提供了可能。本項目設計的 “基于myDAQ的直流電機PWM遠程控制系統(tǒng)設計”可實現(xiàn)隨時隨地通過網(wǎng)絡訪問該平臺完成對直流電機的各種控制與測量顯示。

1 系統(tǒng)的整體設計

NI myDAQ將軟件與硬件集合成了一個整體。硬件上myDAQ集成了20路的信號通道，其中包含了8路數(shù)字輸入輸出口、2路差分模擬輸入口、2路模擬輸出口、以及示波器、數(shù)字萬用表、函數(shù)發(fā)生器、各類電源和伯德圖分析儀，我們一方面可以方便的利用這些數(shù)據(jù)通道采集電機的各種狀態(tài)信息、發(fā)送控制命令，另一方面還可以將電機運行結(jié)果借助于虛擬儀器形象化的表達出來。在軟件上myDAQ的開發(fā)采用圖形化系統(tǒng)設計軟件LabVIEW進行編程設計，利用集成化、形象化、模塊化的圖形編程方式可以快速方便的編制出實驗程序。

基于myDAQ的直流電機PWM遠程控制系統(tǒng)采用B/S（Brower/Server）控制模式，B/S模式下，使用 Web瀏覽器訪問服務器，通過網(wǎng)頁與實驗裝置交互。B/S模式具有客戶端數(shù)量不受限制、軟件開發(fā)相對簡單、系統(tǒng)擴展維護簡單等優(yōu)點[6]。遠程客戶端是運行在網(wǎng)絡終端的用戶計算機。因為電機控制的程序都由服務器承載和執(zhí)行，并且提供了相應的操作界面，任何連接在Internet上的PC機都可以使用瀏覽器登錄到網(wǎng)站進行遠程控制，不需要安裝專門的客戶端軟件。需要注意的是客戶端計算機LabVIEW Run-Time Engine。此時要求本地服務器端相關(guān)的LabVIEW軟件及VI程序是打開的。操作者進入運行界面后可對直流電機進行遠程控制。當多個客戶端同時監(jiān)控服務器端時，可以多個同時控制，但只能有一個客戶端有控制權(quán)，其他的需等待釋放后獲得控制權(quán)。本地服務器端是一臺裝有Web服務器的主機，該主機需要安裝LabVIEW及相關(guān)驅(qū)動的軟件。該主機是使遠程客戶端和本地服務器端進行通信的橋梁。服務器為用戶構(gòu)建一個遠程實驗交互平臺，負責整個系統(tǒng)的任務調(diào)度和網(wǎng)絡管理等工作。

當該遠程控制系統(tǒng)完成后，客戶端操作者可以通過任意一臺接入因特網(wǎng)的計算機來進入遠程控制系統(tǒng)。通過鏈接進入整個系統(tǒng)的網(wǎng)址，驗證操作者的身份后進行操作，可以實現(xiàn)對直流電機的正反轉(zhuǎn)控制、起?？刂?、轉(zhuǎn)速控制等，同時在客戶端界面顯示電機的工作運行狀態(tài)以及PWM控制波形，另外提供攝像頭還可以觀看現(xiàn)場電機實際運行情況。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

基于以上分析可以看出系統(tǒng)主要有客戶端、服務器、被控端3部分組成，但又以被控端的設計為主，其設計主要包含硬件設計和軟件設計兩部分，下面將針對硬件和軟件兩部分設計做分別說明。

2 系統(tǒng)的硬件設計

該系統(tǒng)在硬件設計上主要為直流電機的驅(qū)動電路設計。需要實現(xiàn)對直流電機的控制功能主要有：電機的啟動、停止；電機的換向；電機的PWM調(diào)速。這里我們采用美國國家半導體公司 （NS）推出的專用于直流電機驅(qū)動的H橋芯片LMD18200。同一芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件，其峰值輸出電流高達6 A，連續(xù)輸出電流達3 A，工作電壓高達55 V，具有溫度報警和過熱與短路保護功能，具有良好的抗干擾性。利用它可以與主處理器、直流電機和增量型編碼器構(gòu)成一個完整的運動控制系統(tǒng)。廣泛應用于打印機、機器人和各種自動化控制領域。其控制原理圖如圖2所示，電機控制指令如表1所示。

圖2 直流電機控制原理圖Fig.2 DC motor control principle diagram

表1 電機控制指令表Tab.1 Motor control instruction chart

對于直流電機的速度檢測環(huán)節(jié)采用增量式編碼器，型號選擇歐姆龍公司的E6B2-CWZ6C旋轉(zhuǎn)增量式編碼器，分辨率為1000P/R其電源電壓為DC5～24V，消費電流處于80 mA以下，是NPN集電極開路輸出信號，輸出相有A、B、Z三相。

3 系統(tǒng)的軟件設計

3.1 PWM調(diào)速原理

脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation），簡稱PWM。在PWM調(diào)速系統(tǒng)中，一般可以采用定寬調(diào)頻、調(diào)寬調(diào)頻、定頻調(diào)寬3種方法改變控制脈沖的占空比，但是前兩種方法在調(diào)速時改變了控制脈寬的周期，從而引起控制脈沖頻率的改變，當該頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時將會引起振蕩。為避免之，設計采用定頻調(diào)寬改變占空比的方法來調(diào)節(jié)直流電動機電樞兩端電壓。定頻調(diào)寬法的基本原理是按一個固定頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)接通和斷開的時間比（占空比）來改變直流電機電樞上電壓的占空比，從而改變平均電壓，控制電機的轉(zhuǎn)速[7]。在PWM調(diào)速系統(tǒng)中，當電機通電時其速度增加，電機斷電時其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間，即可使得電樞電壓的平均值發(fā)生變化，從而控制電機轉(zhuǎn)速。相比于電壓調(diào)速，采用PWM技術(shù)構(gòu)成的無級調(diào)速系統(tǒng)，啟停時對直流系統(tǒng)無沖擊，精度高，并且具有啟動功耗小、運行穩(wěn)定，易于控制的優(yōu)點，能保證系統(tǒng)較長時間的運行工作。

3.2 PWM的LabVIEW編程設計

LabVIEW是一款圖形化編程工具，編制程序時使用圖像化語言，也叫G語言，相比于C語言等文本性編程方法，其編程更加方便快捷，程序可讀性強，前面板程序更適于人機交互。本系統(tǒng)涉及到的PWM程序是通過利用LabVIEW基本開發(fā)語言配合DAQmx工具包里的各種模塊，編制出一個占空比可調(diào)的PWM波，并通過myDAQ的模擬輸出口AO0輸出并送至驅(qū)動電路。其PWM程序圖如圖3所示。

3.3 直流電機速度采集算法

增量式光電編碼器是碼盤隨位置的變化輸出一系列的脈沖信號，然后根據(jù)位置變化的方向用計數(shù)器對脈沖進行加/減計數(shù)，以此達到位置檢測的目的。它是由光源、透鏡、主光柵碼盤、鑒向盤、光敏元件和電子線路組成。常用的測速方法有M法和T法兩種[8]。M法測速適用于測量高轉(zhuǎn)速，因為對于給定的光電編碼器轉(zhuǎn)速越高，計數(shù)脈沖越大，誤差也就越小。T法測速適用于低速運行的場合。但轉(zhuǎn)速太低，一個編碼器輸出脈沖的時間太長，時鐘脈沖數(shù)會超過計數(shù)器最大計數(shù)值而產(chǎn)生溢出；另外，時間太長也會影響控制的快速性。

圖3 PWM程序圖Fig.3 PWM program diagram

M法測速又稱之為測頻法，其測速原理是在規(guī)定的檢測時間Tc內(nèi)，對光電編碼器輸出的脈沖信號計數(shù)的測速方法。設脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的脈沖數(shù)為P，且在規(guī)定的時間Tc（S）內(nèi)，測得的脈沖數(shù)為M1，則電機每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)為：

T法測速又稱之為測周法，該測速方法是在一個脈沖周期內(nèi)對時鐘信號脈沖進行計數(shù)的方法。用一已知頻率為fclk的時鐘向一計數(shù)器發(fā)送脈沖數(shù)，設脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的脈沖數(shù)為P，測得的脈沖數(shù)為M2，則電機每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)為：

本系統(tǒng)所用到的旋轉(zhuǎn)編碼器有5條引線，其中3條脈沖輸出線，一條是COMMON端線，1條是電源線，才外還有一根屏蔽線。編碼器的A相、B相的相位差為90度，可通過比較A相在前還是B想在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，由于本系統(tǒng)涉及到的電機為直流減速電機，轉(zhuǎn)速相對較低，因而測速算法采用T法測速。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

系統(tǒng)軟件部分和硬件部分設計完成后，客戶端在遠程對系統(tǒng)進行測試，通過鏈接進入整個系統(tǒng)的網(wǎng)址，驗證操作者的身份后進入操作界面，在操作界面上通過方向按鈕可實現(xiàn)對電機方向的控制；點擊剎車控件實現(xiàn)電機及時剎車；通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，當增大PWM波的占空比時電機轉(zhuǎn)速增加，當減小PWM波占空比時電機轉(zhuǎn)速下降；同時在操作界面上還將顯示出電機的轉(zhuǎn)速以及PWM控制波形。整個系統(tǒng)的操作控制界面如圖4所示。

5 結(jié) 論

該遠程控制系統(tǒng)用myDAQ作為直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)的控制核心，以LMD18200作為直流電機驅(qū)動電路的核心器件，利用旋轉(zhuǎn)式增量編碼器測量直流電機的轉(zhuǎn)速，用PWM脈寬調(diào)制方式來控制直流電機的轉(zhuǎn)動速度，上位機通過myDAQ數(shù)字輸出口給驅(qū)動電路發(fā)送方向、剎車指令，進而控制直流電機的轉(zhuǎn)向和起停。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、設置靈活、可靠性高、運行穩(wěn)定，此外，操作者在遠程端還可通過攝像頭實時監(jiān)控現(xiàn)場直流電機的運行情況，及時根據(jù)運行狀況做出相應調(diào)整。

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圖4 控制界面圖Fig.4 Control interface diagram