楊文濤++湯暢通++郎坤++洪培烽++許浩

摘 要：本文以虛擬儀器國(guó)賽參賽作品智能接物垃圾桶為依托，根據(jù)電機(jī)低速和高速的不同原理，分析并實(shí)現(xiàn)了使用LabVIEW測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的幾種方法，并對(duì)測(cè)速性能進(jìn)行比較。低速時(shí)采用T法通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度的時(shí)間測(cè)量轉(zhuǎn)速，高速時(shí)采用M法通過(guò)讀取一定時(shí)間間隔的編碼盤(pán)脈沖數(shù)測(cè)速。對(duì)于T法測(cè)速，使用LabVIEW的外部觸發(fā)中斷結(jié)合定時(shí)器Elapsed Time實(shí)現(xiàn)。對(duì)于M法測(cè)速，通過(guò)使用定時(shí)中斷讀取一定時(shí)間間隔內(nèi)的脈沖數(shù)并保存后清零實(shí)現(xiàn)。其中，脈沖數(shù)的讀取又有使用MyRIO中encoder編碼器、外部中斷以及數(shù)字量輸入等多種形式。通過(guò)實(shí)現(xiàn)不同形式測(cè)速程序比較了他們各自的性能和優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)為使用LabVIEW編制測(cè)速程序但使用其他數(shù)據(jù)采集卡做硬件支持進(jìn)行測(cè)速提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電機(jī)測(cè)速不同方法；LabVIEW；MyRIO

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）07-0050-02

電機(jī)作為基本而經(jīng)典的控制機(jī)械廣泛應(yīng)用于無(wú)人機(jī)飛行、車(chē)輛行駛以及工業(yè)流水線控制等。而轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率是電機(jī)三個(gè)最重要的性能參數(shù)之一。因此，轉(zhuǎn)速測(cè)量的精度、快速性，測(cè)量方法及測(cè)量機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性對(duì)于電機(jī)實(shí)際應(yīng)用極為重要。LabVIEW是工業(yè)測(cè)控廣泛使用的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境之一，其圖形化編程方式使程序更為直觀，，本文以當(dāng)前測(cè)控領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的虛擬儀器LabVIEW程序開(kāi)發(fā)環(huán)境為基礎(chǔ)，以MyRIO創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)與項(xiàng)目開(kāi)發(fā)平臺(tái)為硬件支撐，以虛擬儀器國(guó)賽參賽作品智能接物垃圾桶為依托，討論了電機(jī)高速及低速時(shí)的幾種測(cè)速方法，分別實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行了性能比較。

1 LabVIEW中電機(jī)測(cè)速方法

LabVIEW中電機(jī)測(cè)速主要有M法（測(cè)頻法）、T法（測(cè)周期法）和M/T法（頻率/周期法）三種[1]。（1）測(cè)頻法。在一定時(shí)間間隔T內(nèi)，計(jì)數(shù)被測(cè)信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)N，則被測(cè)信號(hào)的頻率fx可表示為：fx=N/t；若以每圈測(cè)速編碼器有p個(gè)脈沖為例，則對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速可表示為：ω=2πfx/p。（2）測(cè)周期法。一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期或半周旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖數(shù)a，則被測(cè)信號(hào)頻fx=f/a，其中，f為時(shí)鐘脈沖信號(hào)頻率。乘以對(duì)應(yīng)一個(gè)周期的角度值即得轉(zhuǎn)速[2]。（3）M/T法測(cè)速。頻率法和周期法相結(jié)合，兼具頻率法適合低速和周期法適合高速的優(yōu)點(diǎn)。

2 在LabVIEW中各方法的實(shí)現(xiàn)

2.1 測(cè)頻法的實(shí)現(xiàn)

測(cè)頻法的要通過(guò)定時(shí)讀取脈沖累加值實(shí)現(xiàn)。因此，可通過(guò)定時(shí)方法的不同和讀取脈沖方式的不同分為幾種方法：（1）使用定時(shí)中斷定時(shí)。MyRIO提供的定時(shí)中斷，每隔一定時(shí)間調(diào)用中斷子函數(shù)，在子函數(shù)中通過(guò)平鋪式順序結(jié)構(gòu)先讀取當(dāng)前累加脈沖值，之后清零累加值[3]。由于累加子vi與定時(shí)中斷子vi不在一個(gè)vi中，因此使用全局變量存儲(chǔ)累加脈沖值。注意這里中斷子函數(shù)輸入端數(shù)目必須為1，否則不能作為中斷子vi被調(diào)用[4]。（2）使用定時(shí)器Elapsed Time定時(shí)，該函數(shù)中Elapsed Time端讀取零初始時(shí)刻開(kāi)始經(jīng)過(guò)的時(shí)間，通過(guò)比較得到到達(dá)某時(shí)刻的布爾邏輯控制值接入條件結(jié)構(gòu)條件輸入端，從而實(shí)現(xiàn)每間隔一定時(shí)間執(zhí)行條件結(jié)構(gòu)中內(nèi)容，在條件結(jié)構(gòu)中同上使用順序結(jié)構(gòu)讀取脈沖累加值后清零脈沖值。注意這里通過(guò)布爾控件控制定時(shí)器Elapsed Time是否計(jì)時(shí)值清零，因此脈沖累加值讀取后應(yīng)通過(guò)給計(jì)時(shí)器清零控制端布爾值置是清零，之后再通過(guò)給改值置否開(kāi)始計(jì)時(shí)。定時(shí)程序見(jiàn)圖1所示。

根據(jù)測(cè)速編碼器脈沖讀入方式不同分為：（1）通過(guò)MyRIO的encoder編碼器讀入脈沖。LabVIEW的MyRIO實(shí)驗(yàn)與開(kāi)發(fā)平臺(tái)提供三個(gè)encoder編碼器，每個(gè)編碼器由兩個(gè)輸入端組成，提供可檢測(cè)轉(zhuǎn)向的正交編碼方式和step and direction signals兩種工作方式，其中前者會(huì)自動(dòng)累加計(jì)數(shù)值，正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)時(shí)分別為正值和負(fù)值，專(zhuān)門(mén)用于電機(jī)測(cè)速。具體程序如圖2所示；（2）通過(guò)MyRIO或其他數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字量輸入讀入脈沖。讀入數(shù)字量輸入并結(jié)合上升沿或下降沿處理即可在數(shù)字量每變化一次調(diào)用條件結(jié)構(gòu)給計(jì)數(shù)值加1。（3）通過(guò)MyRIO或其他數(shù)據(jù)采集卡的外部中斷讀入脈沖。使用外部中斷，每次脈沖值變化調(diào)用一次中斷，使脈沖計(jì)數(shù)值加一。具體程序見(jiàn)圖3所示。

2.2 測(cè)周期法的實(shí)現(xiàn)

使用定時(shí)器Elapsed Time和比較結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)測(cè)周期法測(cè)速。每當(dāng)當(dāng)前時(shí)間大于設(shè)定值時(shí)，讀取上升沿得到布爾邏輯控制量觸發(fā)條件結(jié)構(gòu)，在條件結(jié)構(gòu)中使用順序結(jié)構(gòu)，先通過(guò)局部變量讀取當(dāng)前時(shí)間作為時(shí)間周期，之后在下一幀將定時(shí)器時(shí)間清零，清零后當(dāng)前時(shí)間小于設(shè)定時(shí)間從而退出讀周期部分。具體程序如圖4所示。

3 不同方法性能比較

實(shí)際編程實(shí)現(xiàn)后，分析比較不同方法性能及優(yōu)缺點(diǎn)如下[5]：

根據(jù)定時(shí)方式不同的兩個(gè)方法性能比較：（1）使用定時(shí)中斷定時(shí)。使用中斷定時(shí)準(zhǔn)確度較高，為大多數(shù)情況下使用的方法，但往往中斷數(shù)目有限，當(dāng)有多個(gè)定時(shí)時(shí)中斷可能不夠用，需要復(fù)用。除此之外，過(guò)多使用中斷會(huì)降低程序運(yùn)行速度。（2）使用Elapsed Time定時(shí)。由于通過(guò)比較確定到達(dá)時(shí)間周期的時(shí)刻，準(zhǔn)度沒(méi)有定時(shí)中斷高，且編程更為困難。但不受定時(shí)器數(shù)目限制，可以設(shè)置多個(gè)定時(shí)器而不影響程序執(zhí)行速度。

根據(jù)讀編碼器脈沖方式不同的幾個(gè)方法性能比較：（1）使用MyRIO自帶Encoder讀脈沖。Encoder編碼器提供可檢測(cè)轉(zhuǎn)向的正交編碼方式和step and direction signals兩種工作方式，可同時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，自動(dòng)累加脈沖，集成度及準(zhǔn)確度高，編程簡(jiǎn)單。但是一個(gè)MyRIO僅能提供三個(gè)編碼器，且有時(shí)正交編碼會(huì)出現(xiàn)脈沖累加值為-2、-1、0、1、2無(wú)效變化的情況，有時(shí)三個(gè)編碼器之間會(huì)相互干擾，兩個(gè)轉(zhuǎn)速不同時(shí)兩個(gè)編碼器脈沖值均顯示其中某一個(gè)的轉(zhuǎn)速，極為不穩(wěn)定，給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了較大隱患。（2）使用外部中斷讀脈沖。該方法可行性較低，由于每個(gè)脈沖均會(huì)引起一次脈沖值加一中斷，而測(cè)速編碼器往往一圈會(huì)有數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)脈沖，因此實(shí)際程序運(yùn)行數(shù)秒后便會(huì)因執(zhí)行太多次中斷而卡機(jī)，不得不強(qiáng)行關(guān)閉程序。（3）使用MyRIO或數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字量輸入讀脈沖。該方法沒(méi)有使用集成好的Encoder簡(jiǎn)單準(zhǔn)確，會(huì)隨轉(zhuǎn)速增加漏掉越來(lái)越多的脈沖（詳細(xì)實(shí)際數(shù)據(jù)見(jiàn)表1），但是一個(gè)或兩個(gè)數(shù)字量輸入即可測(cè)量一個(gè)電機(jī)，因此可同時(shí)測(cè)量多個(gè)電機(jī)，且對(duì)硬件要求較低，有數(shù)字量輸入即可。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從電機(jī)測(cè)轉(zhuǎn)速的M法、T法以及M/T法原理根據(jù)定時(shí)方法和讀取脈沖方式不同介紹了在LabVIEW編程環(huán)境下測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的幾種方法，并給出了具體編程實(shí)現(xiàn)比較了各自的優(yōu)缺點(diǎn)和使用范圍，對(duì)于實(shí)際電機(jī)測(cè)速應(yīng)用具有一定的借鑒價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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