于昆昆， 于正林， 王紅平

（長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022）

0 引言

電機(jī)的位置速度控制是機(jī)械自動(dòng)化控制領(lǐng)域的重要組成部分，因此對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確測(cè)量非常有必要。轉(zhuǎn)速測(cè)量的精確性和實(shí)時(shí)性影響整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度，尤其在閉環(huán)控制系統(tǒng)中作為速度反饋信號(hào)與輸入信號(hào)比較作差而嚴(yán)重影響系統(tǒng)輸入的大小。本文利用了虛擬儀器LaWindows/CVI編程的方便性和光柵編碼采集卡SGC-PCI3.1高運(yùn)算速度和運(yùn)算精度的特點(diǎn)，準(zhǔn)確實(shí)時(shí)靈活地測(cè)量出了某火炮隨動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載模擬仿真的被試電機(jī)的速度。

1 系統(tǒng)M測(cè)速方法分析

目前常見的M法測(cè)速原理是在固定時(shí)間ta內(nèi)測(cè)量測(cè)速傳感器發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)。其轉(zhuǎn)速運(yùn)算公式為n=60Z1/（qta）。式中：Z1為時(shí)間ta內(nèi)測(cè)量的脈沖數(shù)；q為所測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈傳感器所發(fā)出的脈沖數(shù)；n為轉(zhuǎn)速，r/min。轉(zhuǎn)速相對(duì)誤差為，Z1越大，相對(duì)誤差越小，所以M法測(cè)速適合中高速測(cè)量，時(shí)間ta可以自適應(yīng)選取致使其動(dòng)態(tài)響應(yīng)性比較好，但是其低速測(cè)量精度很低［1－2］。本隨動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載模擬試驗(yàn)臺(tái)是在中高速下運(yùn)行的，所以采用M測(cè)速法。時(shí)間ta的準(zhǔn)確測(cè)量通過(guò)虛擬儀器LabWindows/CVI編程實(shí)現(xiàn)，而且測(cè)速過(guò)程的啟動(dòng)與停止可以由軟件實(shí)現(xiàn)，加速度是由測(cè)得的相鄰速度作差除以時(shí)間，因此測(cè)速靈活簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性好。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的工作原理

如圖1，工控機(jī)發(fā)出指令通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊1控制伺服被試電機(jī)運(yùn)動(dòng)，并且可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊2控制液壓加載裝置對(duì)被試電機(jī)施加靜阻力矩、正弦力矩、沖擊力矩和慣性力矩及其復(fù)合力矩。測(cè)速傳感器將測(cè)得的脈沖數(shù)傳給工控機(jī)，工控機(jī)通過(guò)計(jì)算和濾波將所測(cè)速度、加速度和力矩實(shí)時(shí)顯示。

圖1 系統(tǒng)測(cè)速原理圖

2.2 系統(tǒng)硬件選擇及安裝

本系統(tǒng)的測(cè)速環(huán)節(jié)并沒(méi)有任何反饋環(huán)節(jié)，因此硬件的高精度是必須的，測(cè)速傳感器采用ZKK-3B系列的光電編碼器，采集卡是長(zhǎng)春數(shù)顯技術(shù)有限責(zé)任公司開發(fā)的SGC-PCI3.1光柵編碼數(shù)據(jù)采集卡，采集卡利用高速A/D連續(xù)采集編光電碼器輸出的脈沖信號(hào)，通過(guò)采集卡附帶的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)可以直接設(shè)置采集卡的分辨率、分辨率倍數(shù)，輕松靈活地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。SGC-PCI3.1的主要功能如下：1）具有3個(gè)坐標(biāo)軸X、Y、Z，每軸均有24bit高速計(jì)數(shù)器；2）可以在斷電瞬間保存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)保存期為100年；3）同時(shí)采用硬件和軟件抗干擾措施，可以用于火花機(jī)等強(qiáng)干擾環(huán)境；4）采用RS-422A訊號(hào)傳輸標(biāo)準(zhǔn)作輸入。通過(guò)PCI插槽安裝在工控機(jī)里。ZKK-3B光電編碼器的性能指標(biāo)如下：1）增量式編碼器的空心軸部分，軸孔徑或軸徑 φ/12/14/15×40；2）電源電壓為5V；3）電纜側(cè)出。采集卡輸入電路采用RS-422差動(dòng)線路接收器MC3486，故編碼器輸出電路采用RS-422差動(dòng)驅(qū)動(dòng)器MC3487。編碼器安裝一般可以分為兩種情況，一是同軸安裝，二是利用齒形帶從所測(cè)軸引出，所測(cè)軸的直徑與編碼器軸保證精確的傳動(dòng)比［4］。由于液壓負(fù)載模擬隨動(dòng)系統(tǒng)的被試電機(jī)軸振動(dòng)的原因，本測(cè)速系統(tǒng)采用第二種方法安裝，如圖2所示。

圖2 編碼器安裝

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)工控機(jī)操作系統(tǒng)是WindowsXP，利用LabWindows/CVI2012虛擬儀器設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面。光柵編碼采集卡提供動(dòng)態(tài)引導(dǎo)庫(kù)文件CardDll.lib，頭文件CardDll.h和動(dòng)態(tài)庫(kù)CardDll.dll。利用以上3個(gè)文件，LabWindows/CVI2012可以直接調(diào)用采集卡的功能函數(shù)［5］。由圖1的系統(tǒng)工作原理圖知，工控機(jī)需要處理的數(shù)據(jù)包括力矩傳感器輸出的負(fù)載力矩和由光柵編碼采集卡采集到的速度。所以這里編程使用了雙線程技術(shù)，主程序兩次使用LabWindows/CVI2012庫(kù)函數(shù) CmtScheduleTheadPoolFunction（int Pool_Handle，ThreadFunctionPtr Thread_Function，void*Thread_Function_Data，int*Thread_Function_ID）［6］分別創(chuàng)建線程1 和線程2，線程1處理負(fù)載力矩，線程2處理測(cè)速，線程2開始與否用線程開始標(biāo)志Threadflag標(biāo)定，即Threadflag=1表示測(cè)速線程開始，Threadflag=0表示測(cè)速線程結(jié)束，這就是LabWindows/CVI2012虛擬儀器測(cè)速的靈活性，另外由第二部分知M法測(cè)速需要測(cè)出時(shí)間，這里利用while（Threadflag）這一死循環(huán)和Windows系統(tǒng)API函數(shù)測(cè)得。具體實(shí)現(xiàn)程序如圖3。

圖3 測(cè)速線程程序

其中XReadOut（mIndex）為采集卡功能函數(shù)，能直接輸出隨動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載模擬系統(tǒng)在俯仰方向的測(cè)速脈沖數(shù)。QueryperformanceCounter（&EndTime）為系統(tǒng)計(jì)時(shí)器函數(shù)，獲取電腦計(jì)時(shí)器的值，nFreq.QuadPart是由函數(shù)QueryPerformance Frequency（LARGE_INTEGER*lpFrequency）在主程序獲取的計(jì)時(shí)器頻率值。time1就相當(dāng)于測(cè)速的時(shí)間ta。Vsx是俯仰方向速度。Vsx之后就是平滑濾波程序。至于YReadOut（mIndex）、Vsy是另外一個(gè)光柵編碼采集卡隨動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載模擬系統(tǒng)在高低方向脈沖數(shù)和速度的標(biāo)定?；舅悸肥敲看窝h(huán)測(cè)出一實(shí)際尺寸位置值和循環(huán)的時(shí)間time1，再由兩次實(shí)際位置值做差除以time1得到速度，再除以time1就可以得到加速度。由程序知ta不是絕對(duì)固定的，是隨程序運(yùn)行有所改變的，但是其測(cè)速的實(shí)時(shí)性更加可靠。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

如圖4，被試電機(jī)在300r/min時(shí)所測(cè)的是速度和加速度，可以看出測(cè)速很穩(wěn)定，且實(shí)際與激光測(cè)速儀所測(cè)速度誤差較小。圖5是被試電機(jī)由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)和由反轉(zhuǎn)到正轉(zhuǎn)過(guò)程中所測(cè)速度及加速度，由其速度波動(dòng)可以看出測(cè)速的實(shí)時(shí)性很好，完全滿足隨動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載模擬試驗(yàn)的測(cè)速要求。

圖4 速度加速度測(cè)試結(jié)果

圖5 正反轉(zhuǎn)測(cè)速結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的基于LabWindows/CVI虛擬儀器的測(cè)速度和加速度方法，實(shí)現(xiàn)了M法測(cè)速，并以此測(cè)出了加速度，沒(méi)有過(guò)多設(shè)計(jì)硬件電路，更多地體現(xiàn)在軟件編程上，提高了測(cè)速的可操作性和靈活性，其實(shí)時(shí)性完全滿足隨動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載模擬試驗(yàn)的測(cè)速要求，對(duì)研究隨動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載特性仿真模擬具有重要意義。

［1］ 馬艷歌.電機(jī)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)測(cè)量方法及其在DSP上的實(shí)現(xiàn)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27（增刊1）：2362-2364.

［2］ 孫同景.單片機(jī)變M/T測(cè)速方法及其應(yīng)用［J］.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，1997，19（4）：57-59.

［3］ 姜慶明.一種基于光電編碼器的高精度測(cè)速和測(cè)加速度方法［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2004，20（6）：48-49，78.

［4］ 文曉燕.增量式編碼器測(cè)速的典型問(wèn)題分析及應(yīng)對(duì)策略［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27（2）：185-189.

［5］ 張文清，于正林.基于labWindows/CVI的隨動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比模擬方法研究［J］.2012，33（4）：108-110.

［6］ 王建新，隋美麗.LabWindows/CVI虛擬儀器測(cè)試技術(shù)及工程應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.