摘 要： 電機轉(zhuǎn)速的測量與控制是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和試驗過程中經(jīng)常遇到的問題。針對傳統(tǒng)電機測控系統(tǒng)的一些不足， 研制了一種基于LabVIEW的電機轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)?；谔摂M儀器的設(shè)計思想，采用NI開發(fā)的LabVIEW圖形化設(shè)計軟件，結(jié)合數(shù)據(jù)采集技術(shù)和PID控制技術(shù)，設(shè)計完成了一套電機轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)。系統(tǒng)綜合運用了數(shù)據(jù)采集技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、測控技術(shù)，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速信號采集、處理、顯示以及反饋控制等功能。最后進行了實驗測試，結(jié)果表明所研制的系統(tǒng)操作簡單，人機界面友好，測量精度高，控制效率好，性能穩(wěn)定，便于廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： LabVIEW； 電機轉(zhuǎn)速； 虛擬儀器； 數(shù)據(jù)采集； 測控系統(tǒng)

中圖分類號： TN710?34； TP274 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）07?0114?04

隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，電機轉(zhuǎn)速測控在工業(yè)控制系統(tǒng)中占據(jù)著越來越重要的地位。在電機測控系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的方法是用邏輯電路或者單片機來實現(xiàn)[1]。此方法雖然可行，但由于存在著線路復(fù)雜、制成后不易調(diào)整、編程語言比較復(fù)雜等局限性，已很難適應(yīng)現(xiàn)代測試的要求。近年來，虛擬儀器技術(shù)以其強大的功能和價格優(yōu)勢日益成為測試技術(shù)發(fā)展的主流[2?3]。利用虛擬儀器，如美國NI公司的LabVIEW圖形化設(shè)計軟件，可以實現(xiàn)對各儀器功能模塊進行快速集成，從而使得測試系統(tǒng)更為簡潔、靈活和方便[4?7]。

因此，本文綜合運用虛擬儀器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、測控技術(shù)等相關(guān)技術(shù)，基于虛擬儀器的設(shè)計思想，采用LabVIEW圖形化設(shè)計軟件，結(jié)合數(shù)據(jù)采集技術(shù)和PID控制技術(shù)，研制了一套基于LabVIEW的電機轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)。系統(tǒng)可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速信號采集、處理、顯示以及反饋控制等功能。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

基于LabVIEW建立的電機轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)以轉(zhuǎn)速傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、計算機為硬件核心，LabVIEW開發(fā)平臺為軟件核心，并輔之于數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動程序以及一些測量控制編程?；贚abVIEW的電機轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

整個測控系統(tǒng)的工作原理可以描述為：轉(zhuǎn)速傳感器將電機轉(zhuǎn)動信號轉(zhuǎn)換成易測電信號，然后由信號調(diào)理電路對轉(zhuǎn)速電信號進行采集前的調(diào)理，再由數(shù)據(jù)采集卡采集轉(zhuǎn)速信號并輸入到計算機，由計算機中的軟件部分對采集到的轉(zhuǎn)速信號進行分析計算，得到控制信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸出并由放大電路放大，從而實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的控制。因此，傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、計算機、放大電路是本次設(shè)計必不可少的硬件部分，其整體控制框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件總體控制框圖

系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能如下：

（1） 目標轉(zhuǎn)速設(shè)置，可通過鍵盤輸入、鼠標點擊或者虛擬旋鈕3種方式進行設(shè)置；

（2） 轉(zhuǎn)速實時顯示，通過轉(zhuǎn)速值和轉(zhuǎn)速表指針2種方式進行顯示；

（3） 轉(zhuǎn)速差實時顯示，給出實際與目標轉(zhuǎn)速的差值，并將轉(zhuǎn)速的控制過程通過轉(zhuǎn)速比較表進行顯示；

（4） PID參數(shù)自由設(shè)定，可通過鍵盤輸入或者虛擬拉條進行設(shè)置；

（5） 可實現(xiàn)對電機的啟停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等控制，并設(shè)有急停按鈕，預(yù)防突發(fā)情況發(fā)生；

（6） 指示燈實時顯示電機工作狀態(tài)，如待機、警告、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等；

（7） 能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和讀取進行回放查看。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

在任何一個虛擬儀器測控系統(tǒng)中，傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和信號調(diào)理電路都是必不可少的，它們獨立工作，但又相互影響。計算機作為LabVIEW軟件運行的硬件平臺，放大電路用于調(diào)整控制電壓。因此，在硬件子系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)中，傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和信號調(diào)理電路的合理選型與設(shè)計是重點。

2.1 傳感器選型

本系統(tǒng)中，傳感器作用是把電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成易于采集的電信號，因此，選擇ZCF121測速發(fā)電機作為傳感器。它是封閉自冷具有換向器的他激式直流發(fā)電機，在恒定激磁電流下，電樞電壓與電樞轉(zhuǎn)速成正比。ZCF121轉(zhuǎn)速傳感器價格合理，測速性能滿足本次設(shè)計要求，實物如圖3所示。其主要技術(shù)參數(shù)如下：

額定測量轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，適合中低轉(zhuǎn)速的測量；額定輸出電壓為+50 V；激磁電流為0.09 A；負載電阻為2 000 Ω；工作溫度為-40～50 ℃；相對濕度在20 ℃時能達到95%；線性誤差小于等于1%；重量約0.44 kg。

圖3 ZCF121測速發(fā)電機實物圖

2.2 數(shù)據(jù)采集卡的選型

在選取數(shù)據(jù)采集卡時，需要考慮分辨率和精度、最高采樣速度、通道數(shù)、數(shù)據(jù)接口類型以及是否有擴展功能、支持的軟件平臺等幾個因素[8]。本次設(shè)計選擇型號為USB2.0?DAQ?Ver1.0數(shù)據(jù)采集卡，具有較高的性價比，實物如圖4所示。其主要技術(shù)參數(shù)如下：

共4路模擬量輸入，4路可并行采集，1路模擬量輸出；25 KS/s每路最高采樣率（所有通道的采樣率相同，可通過相應(yīng)的VI或函數(shù)設(shè)定）；10位A/D轉(zhuǎn)換器分辨率；輸入輸出均為0～3.3 V的量程；微分線性誤差為±1 LSB；積分非線性度為±2 LSB；偏移誤差為±3 LSB；增益誤差為±0.5%；絕對誤差為±4 LSB；可軟件觸發(fā)采集（支持LabVIEW編程）；共有6路PWM（高速脈寬調(diào)制）。此外，還配置有8個DIO接口（均可以配置成DI，DO）。

圖4 US2.0-DAQ-Ver1.0數(shù)據(jù)采集卡實物圖

2.3 調(diào)理電路設(shè)計

根據(jù)所選傳感器和數(shù)據(jù)采集卡的技術(shù)參數(shù)，測速電機的輸出并不能直接作為采集卡的輸入。此外測速電機的輸出必須經(jīng)過濾波處理后才能得到穩(wěn)定的直流電壓，因此需要設(shè)計相應(yīng)的信號調(diào)理電路。當測速電機轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時，輸出電壓為+50 V，而數(shù)據(jù)采集卡的額定量程只有+10 V，因此需要用分壓電阻進行分壓。測速電機的負載電阻為2 000 Ω，考慮到設(shè)計電路的過壓承載能力，設(shè)定3 000 r/min時采集電壓為+8 V。因此，可計算出分壓電阻[R1=]2 000×8/50 Ω=320 Ω，另一串聯(lián)電阻[R2=]（2 000-320） Ω=1 680 Ω。

考慮到測速電機自身的影響，需要對輸出信號進行濾波，以去掉沖擊干擾信號。因此，在分壓電阻[R1]兩端并聯(lián)一個電容[C，]構(gòu)成一個RC濾波器。選擇電容時，根據(jù)工程經(jīng)驗每0.5 A電流選擇1 000 μF，則可以計算得到電容[C]取值約為50 μF。由于沒有這一規(guī)格的型號，可用容量為47 μF的電容進行代替。所設(shè)計的信號調(diào)理電路原理圖如圖5所示。

圖5 信號調(diào)理電路原理圖

2.4 電機的選型

對于實驗待測電機的選型，從實驗方便性和經(jīng)濟性考慮，選擇普通電壓控制型直流電機，軸徑為6 mm，型號為ZYTD?45SRZ DC24V3000永磁碳刷直流電機，其實物如圖6所示。其特點是體積小、功率大、噪音低、易控制，可自由正反轉(zhuǎn)。

圖6 永磁碳刷直流電機實物圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件的設(shè)計與開發(fā)是本項目開發(fā)的重點和難點。利用LabVIEW軟件為開發(fā)平臺，進行系統(tǒng)軟件設(shè)計。用戶界面（前面板） 是虛擬儀器的重要組成部分，儀器參數(shù)的設(shè)置、測試結(jié)果顯示等功能都是通過軟件實現(xiàn)，因此要求軟件界面簡單直接，便于操作。

3.1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計

系統(tǒng)程序框圖大體分為四個模塊： 轉(zhuǎn)速控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、儀器功能模塊及PID控制模塊。轉(zhuǎn)速控制模塊中包括對系統(tǒng)的初始化、參數(shù)的設(shè)定、生成輸出模擬量并送到數(shù)據(jù)采集卡；數(shù)據(jù)采集模塊主要完成模擬量與數(shù)字量的相互轉(zhuǎn)換， 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集測量；儀器功能模塊主要實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和測量結(jié)果顯示，包括數(shù)據(jù)的存儲和讀??；PID控制模塊主要完成對PID參數(shù)的設(shè)定等功能。每一模塊可直接調(diào)用 LabVIEW 中的子模塊（庫函數(shù)）或由用戶自定義設(shè)計實現(xiàn)。

在測控系統(tǒng)軟件設(shè)計中，首先進行的是數(shù)據(jù)采集卡的配置，然后對傳感器所測信號進行采集，并編程對其分析計算得到轉(zhuǎn)速，再按照規(guī)定的算法對轉(zhuǎn)速信號進行控制計算，得到控制信號輸出，其整個程序框圖如圖7所示。

圖7 電機轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)程序流程圖

3.2 系統(tǒng)前面板設(shè)計

前面板界面如圖8所示。

1?轉(zhuǎn)速比較表； 2?狀態(tài)燈； 3?實際轉(zhuǎn)速；

4?數(shù)據(jù)存儲及讀?。?5?控制按鈕；

6?目標轉(zhuǎn)速； 7?PID參數(shù)控制

圖8 系統(tǒng)前面板

3.3 轉(zhuǎn)速控制模塊設(shè)計

本程序的核心部分由于涉及到多個狀態(tài)，故僅作正轉(zhuǎn)部分的介紹，調(diào)理后實際轉(zhuǎn)速與目標轉(zhuǎn)速通過PID調(diào)節(jié)算法比較輸出參量轉(zhuǎn)換后賦予驅(qū)動環(huán)節(jié)對電機進行速度調(diào)節(jié)，如圖9所示。

圖9 轉(zhuǎn)速控制模塊程序

3.4 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

首先判斷電機的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，將采集卡采集到的電壓轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速值，目標轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速曲線都在轉(zhuǎn)速比較表中顯示出來。再次判斷控制按鈕狀態(tài)，使系統(tǒng)能夠順利實現(xiàn)不同狀態(tài)的切換。數(shù)據(jù)采集模塊程序如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)采集模塊程序

3.5 PID控制模塊設(shè)計

在工業(yè)自動化設(shè)備中，常采用能夠?qū)崿F(xiàn)比例、微分和積分作用的控制器，即PID控制器[8]。目前，有三種比較常見的PID控制算法，即：增量式算法，位置式算法，微分先行。這三種算法中增量式算法目前應(yīng)用的最為廣泛。因此，本系統(tǒng)采用增量式PID控制算法。根據(jù)PID的算法原理，利用LabVIEW中的數(shù)學(xué)函數(shù)選板和循環(huán)結(jié)構(gòu)，并充分使用具有記憶功能的移位寄存器，先調(diào)節(jié)比例增益，再根據(jù)一定的算法規(guī)則加上微分和積分就組成了PID控制程序，PID子VI程序框圖如圖11所示。

圖11 PID控制模塊程序

4 系統(tǒng)功能測試

為了驗證所研制系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性，對系統(tǒng)的功能進行測試，測試系統(tǒng)布置如圖12所示。

圖12 電機轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)現(xiàn)場布置圖

對系統(tǒng)進行了多次實驗驗證測試，包括啟停測試、正反轉(zhuǎn)測試等。如圖13所示為目標轉(zhuǎn)速設(shè)定為454 r/min、電機正轉(zhuǎn)情況下，系統(tǒng)的實時測控效果。經(jīng)驗一段時間后，電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在459 r/min，轉(zhuǎn)速差為5 r/min，穩(wěn)態(tài)誤差為1.1 r/min。實驗結(jié)果表明所研制的系統(tǒng)操作簡單，人機界面友好，測量精度高，控制效率好，性能穩(wěn)定。

圖13 電機轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)PID控制效果圖

5 結(jié) 論

本文提出了一種基于LabVIEW 的電機轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)，包括硬件系統(tǒng)的選型、設(shè)計和搭建，以及軟件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。可實現(xiàn)對電機的啟?？刂疲崔D(zhuǎn)控制，急?？刂萍稗D(zhuǎn)速的實時測控等功能，同時還能對轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的存儲和讀取進行回放查看等。

通過實驗測試，驗證了所研制系統(tǒng)可以滿足電機轉(zhuǎn)速的測控要求，性能穩(wěn)定。相對于傳統(tǒng)測控方式，具有操作簡單，人機界面友好，測量精度高，控制效率好等特點，可廣泛應(yīng)用。

注：本文通訊作者為蔣永華。

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