何 俊， 鄧成軍

(四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065)

基于LabVIEW的數(shù)字伺服原理實驗系統(tǒng)

何 俊， 鄧成軍

(四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065)

基于LabVIEW軟件平臺和簡單硬件，研制了數(shù)字伺服原理實驗系統(tǒng)。系統(tǒng)運用LabVIEW軟件編制人機(jī)界面用于描繪實驗曲線、控制參數(shù)設(shè)定和進(jìn)行運算，數(shù)據(jù)采集卡采集傳感器信號的同時輸出PWM控制信號，此控制信號通過直流電動機(jī)驅(qū)動電路實現(xiàn)直流電動機(jī)的運動控制，編碼器和電流傳感器實時生成電流和速度信號并被采集卡采集，磁粉制動器提供實驗所需負(fù)載。該系統(tǒng)采用直流電動機(jī)加傳感器方式代替伺服電動機(jī)，采用LabVIEW軟件減化編程，實現(xiàn)伺服電動機(jī)開環(huán)、閉環(huán)、雙閉環(huán)、前饋等控制，并且可以設(shè)定不同控制參數(shù)，同時可以獲得各種控制模式及參數(shù)下的實時曲線，能夠全方位的展現(xiàn)伺服控制原理。通過該實驗系統(tǒng)，同學(xué)們可以充分了解伺服控制原理，掌握伺服電動機(jī)控制方法。

LabVIEW; 伺服控制; 脈沖寬度調(diào)制; 直流電動機(jī)

0 引 言

伴隨工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，以計算機(jī)為核心的伺服控制系統(tǒng)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，掌握伺服控制系統(tǒng)的原理與應(yīng)用，已成為高端裝備、精密儀器、機(jī)器人等相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)人員的一項迫切需求[1]。運用伺服控制可實現(xiàn)高速高精度復(fù)雜的運動控制，在工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中，只要涉及到被控設(shè)備精確的跟蹤給定參數(shù)，就需要用到伺服技術(shù)[2]。而伺服技術(shù)在工業(yè)自動化中最大的應(yīng)用就是電動機(jī)伺服的應(yīng)用，最主要表現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床方面的運用[3]。因此，讓學(xué)生們掌握電動機(jī)伺服控制原理，對以后自動化機(jī)械產(chǎn)品，數(shù)控機(jī)床等設(shè)計、調(diào)試、維護(hù)尤為重要。而伺服電動機(jī)控制原理涉及大量電動機(jī)控制和電子電路知識，具有跨學(xué)科特性，同時國內(nèi)專門針對數(shù)字伺服原理的實驗系統(tǒng)較少，為此本文借助LabVIEW軟件代替復(fù)雜的電子電路，實現(xiàn)直流電動機(jī)伺服控制，將電動機(jī)伺服控制原理轉(zhuǎn)化為電動機(jī)的實際運動和性能參數(shù)曲線，直觀的反映伺服電動機(jī)的控制原理和過程，以及伺服參數(shù)對伺服電動機(jī)運動控制的影響，從而掌握伺服電動機(jī)控制原理，掌握伺服電動機(jī)參數(shù)優(yōu)化，加深伺服控制技術(shù)的理解。

1 實驗系統(tǒng)

該實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，LabVIEW軟件被用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，運算和產(chǎn)生PWM波形，數(shù)據(jù)采集卡采集直流電動機(jī)電樞電流和編碼器脈沖，同時對外輸出脈沖寬度調(diào)制(PWM)電壓信號，控制直流電動機(jī)驅(qū)動電路從而驅(qū)動直流電動機(jī)，磁粉制動器與直流電動機(jī)直連提供系統(tǒng)負(fù)載。為降低成本，實驗系統(tǒng)用直流電動機(jī)代替伺服電動機(jī)，其驅(qū)動電路由H橋雙極性功放電路和PWM信號延遲電路構(gòu)成。系統(tǒng)速度和位移反饋信號由編碼器生成脈沖來實現(xiàn)，電流反饋通過霍爾電流傳感器檢測直流電動機(jī)電樞電流來實現(xiàn)。上位機(jī)一方面通過數(shù)據(jù)采集卡接收到電流、速度、位移反饋信號，經(jīng)過相應(yīng)的計算生成PWM波并經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸出，經(jīng)過直流電動機(jī)驅(qū)動電路后控制直流電動機(jī)的運動。從而實現(xiàn)直流電動機(jī)的電流、速度、位置環(huán)控制，并且系統(tǒng)可以實時繪制實驗曲線，展示系統(tǒng)工作效果。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 實驗系統(tǒng)理論基礎(chǔ)

本實驗系統(tǒng)采用無刷直流電動機(jī)加增量編碼器代替直流伺服電動機(jī)[4]，直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速和其他參數(shù)之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系[5]為：

n=(U-IR)/(KeΦ)

(1)

式中:n為轉(zhuǎn)速;U為電樞電壓;I為電樞電流;R為電樞回路總電阻;Φ為勵磁磁通;Ke為電動勢常數(shù)。由此可以看出,直流電動機(jī)速度控制有3種方法，但是改變電阻只能有級調(diào)速，減弱磁通調(diào)速范圍窄，因此自動控制系統(tǒng)直流調(diào)速以改變電樞電壓為主。而改變電樞電壓的方式有多種，脈寬調(diào)制就是一種運用最廣泛的直流電動機(jī)調(diào)速方法，它可以將恒定的直流電壓調(diào)制為一定頻率，占空比可變的脈沖電壓，從而改變平均電壓大小來調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速，其原理如圖2所示。

圖2 脈寬調(diào)速原理圖

從圖2可以看出，控制電壓U為脈沖序列，控制高速開關(guān)通斷，從而施加在電動機(jī)兩端的電壓Ea為與控制電壓同頻率的脈沖電壓，直流電動機(jī)電壓的平均值為：

(2)

式中：T為脈沖周期；Ton為導(dǎo)通時間。可以不斷改變控制電壓波形的占空比，從而實現(xiàn)直流電動機(jī)調(diào)速目的。

由于直流伺服電動機(jī)是一種典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，本實驗系統(tǒng)采用電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)三環(huán)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行3個閉環(huán)負(fù)反饋PID調(diào)節(jié)。三環(huán)最內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，起到控制電動機(jī)轉(zhuǎn)矩作用，第二環(huán)為速度環(huán)，速度環(huán)的輸出為電流環(huán)的設(shè)定，最外環(huán)為位置環(huán)，位置環(huán)的輸出就是速度環(huán)的設(shè)定，以此構(gòu)成三環(huán)控制。此伺服原理實驗系統(tǒng)也可分別從直流電動機(jī)電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)，以及開環(huán)控制，前饋控制入手，開展開環(huán)調(diào)速和正反轉(zhuǎn)控制、電流環(huán)控制、速度環(huán)控制、電流速度雙閉環(huán)、位置環(huán)控制實驗，實驗系統(tǒng)完整控制原理如圖3所示，根據(jù)實驗項目不同，可以選擇不同的模塊進(jìn)行速度開環(huán)、單閉環(huán)控制、雙閉環(huán)以及前饋控制。

此直流電動機(jī)伺服系統(tǒng)，其控制是一個單輸入、單輸出的單變量控制系統(tǒng)[6]。電流環(huán)由電流控制器、PWM波生成環(huán)節(jié)、直流電動機(jī)驅(qū)動電路、直流電動機(jī)和電流傳感器構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)電樞電流來控制電動機(jī)轉(zhuǎn)矩，電流控制器實際是一種PI調(diào)節(jié)器[7]。速度環(huán)由速度控制器、電流環(huán)和編碼器及速度轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)構(gòu)成，主要控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速，速度控制器實際上一種P或PI調(diào)節(jié)器，這里作為PI調(diào)節(jié)器使用。位置環(huán)由位移控制器，速度環(huán)和編碼器構(gòu)成，控制電動機(jī)的角位移，這里位移控制器是P調(diào)節(jié)器。為了加強位置跟隨性能，在閉環(huán)反饋控制的基礎(chǔ)上，引入位移信號的順饋補償，構(gòu)成前饋控制，前饋控制和反饋控制共同構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)[8]。

圖3 實驗系統(tǒng)控制原理圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個實驗系統(tǒng)的硬件部分主要包括數(shù)據(jù)采集卡，直流電動機(jī)驅(qū)動電路，直流電動機(jī)，電流傳感器和編碼器，磁粉制動器，以及直流電源和上位機(jī)。數(shù)據(jù)采集卡選用NI公司的PCI-6236數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡有4路模擬量輸入(4～20 mA), 4路模擬量輸出(0～10 V)，2個計數(shù)器/定時器端口，模擬量端口16位分辨率，計時器端口32位分辨率，可測試電流、正交編碼器信號，同時還可輸出模擬電壓信號；直流電動機(jī)選用24 V雙輸出軸無刷直流電動機(jī)，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，額定扭矩1 N·m，額定功率100 W；編碼器采用增量編碼器，分辨率500 P/r；磁粉制動器選擇機(jī)座自冷式磁粉制動器CZ-0.2，額定轉(zhuǎn)矩2 N·m。電流傳感器選用CE-IZ01電流傳感器，量程0～5 A，輸出電流4～20 mA。

系統(tǒng)硬件部分關(guān)鍵是直流電動機(jī)驅(qū)動電路，此驅(qū)動電路包括PWM波延遲電路和H橋雙極性功放電路兩部分。PWM波延遲電路負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)采集卡生成的PWM波削去負(fù)半周，然后分為兩路，一路直接驅(qū)動H橋雙極性功放電路功率MOSFET管柵極，另一路經(jīng)反向后驅(qū)動功放電路功率MOSFET管柵極，即一路信號控制電動機(jī)正轉(zhuǎn)，一路信號控制電動機(jī)反轉(zhuǎn)。整個直流電動機(jī)驅(qū)動電路原理如圖4所示。

數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生的PWM信號經(jīng)光電耦合后經(jīng)D1二極管的箍位作用削去負(fù)半周信號，保留正半周，之后信號分為兩路，一路與T1、T4功率MOSFET管柵極相連，另一路經(jīng)非門反相后與T2、T3功率MOSFET管柵極相連。當(dāng)PWM信號為高電平時，T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)閉，電動機(jī)兩端電壓UAB=24 V，反之PWM信號為低電平時，T1、T4關(guān)閉，T2、T3導(dǎo)通，電動機(jī)兩端電壓UAB=-24 V。電動機(jī)兩端的平均電壓為:

圖4 直流電動機(jī)驅(qū)動電路原理圖

(3)

式中:ρ為PWM波的占空比，ρ>0.5時，直流電動機(jī)正轉(zhuǎn)，ρ<0.5時，直流電動機(jī)反轉(zhuǎn)，ρ=0.5時，直流電動機(jī)不轉(zhuǎn)，通過控制PWM波輸出占空比，就可以實現(xiàn)直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)[9]。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用NI公司開發(fā)的LabVIEW軟件平臺，它是一個圖形化編程語言和開發(fā)環(huán)境，它采用數(shù)據(jù)流編程方式[10-11]，可以降低控制系統(tǒng)的成本，同時大大縮短項目開發(fā)周期[12]。

該系統(tǒng)采用計算機(jī)作為上位機(jī)，通過數(shù)據(jù)采集卡采集直流電動機(jī)電樞電流和旋轉(zhuǎn)編碼器信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理和運算后，生成PWM控制信號，再經(jīng)采集卡模擬量端口輸出控制直流電動機(jī)運動。軟件執(zhí)行流程如圖5所示。

系統(tǒng)上位機(jī)軟件一方面提供人機(jī)操作界面，另一面方面按要求采集傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的處理運算。此實驗系統(tǒng)可以進(jìn)行伺服系統(tǒng)加減速實驗、雙閉環(huán)啟動與加載實驗、PID參數(shù)對電動機(jī)影響實驗、開環(huán)增益與跟隨誤差、系統(tǒng)剛性、前饋補償?shù)葘嶒?。系統(tǒng)軟件主要可以分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、PWM波生成模塊和實驗選擇模塊，其中數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和PWM波生成是系統(tǒng)軟件設(shè)計的重點和難點。

圖5 上位機(jī)程序流程圖

(1) 數(shù)據(jù)采集模塊功能包括電流信號采集、編碼器信號采集和模擬電壓信號生成。通過軟件底層驅(qū)動程序可以對數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行配置，設(shè)置采集卡通道數(shù)、采樣頻率、采樣點數(shù)和觸發(fā)等信息，通過數(shù)據(jù)采集模塊可以將傳感器檢測數(shù)據(jù)讀入上位機(jī)，并且可以將生成的PWM波信號對外傳輸。電流信號和電壓信號為模擬量信號，而編碼器信號為數(shù)字量信號，該模塊軟件程序圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集模塊程序圖

(2) 數(shù)據(jù)處理模塊功能一方面將測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的計算轉(zhuǎn)化為相應(yīng)PID調(diào)節(jié)的設(shè)定值、過程變量值，另一方面對PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行限幅、參數(shù)設(shè)定、以及控制量生成。數(shù)據(jù)處理模塊難點之一就是速度計算，數(shù)據(jù)采集卡采集編碼器脈沖信號后，需要進(jìn)行相應(yīng)計算才能得到電動機(jī)轉(zhuǎn)速。實驗系統(tǒng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速M/T法測速[13]，通過測取規(guī)定時間內(nèi)編碼器的輸出脈沖個數(shù)，同時檢測同一時間間隔的時鐘脈沖個數(shù)來得到編碼器旋轉(zhuǎn)速度。編碼器轉(zhuǎn)速即電動機(jī)轉(zhuǎn)速可通過以下公式獲得：

(4)

式中:M1為編碼器脈沖個數(shù);Tc為計量時間;Z為編碼器分辨率。速度計算程序如下圖7所示。

圖7 速度轉(zhuǎn)換程序圖

由于控制系統(tǒng)電流環(huán)，速度環(huán)采用PI控制器，而位置環(huán)采用P控制器，程序設(shè)計時選用LabVIEW軟件自帶的PID Autotuning.VI[14]，并對其輸出進(jìn)行限幅[15-16]設(shè)定，電流控制器及限幅設(shè)定程序如圖8所示，偏差信號經(jīng)PID運算后生成控制量。

圖8 電流PID及限幅程序圖

(3) 偏差信號經(jīng)過PID運算后生成控制量，需要將控制量轉(zhuǎn)化生成PWM波形，并且經(jīng)控制卡模擬量輸出端口輸出以控制電動機(jī)動作，PWM波生成及輸出程序如圖9所示，由于增加PWM采樣頻率，電動機(jī)運行的抖動和噪聲減小[17]，但過高的采樣頻率對系統(tǒng)硬件要求過高，為此實驗系統(tǒng)采樣頻率為1.0 kHz。

圖9 PWM波生成程序圖

5 實驗結(jié)果

經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，該實驗系統(tǒng)功能正常，能夠?qū)崟r采集電流信號和編碼器信號，并且經(jīng)過相應(yīng)的運算后生成PWM波形驅(qū)動H橋MOSFET管，從而驅(qū)動直流電動機(jī)運動，軟件界面可以實時生成實驗曲線。圖10所示展示了實驗系統(tǒng)工作的效果。

通過該實驗系統(tǒng)，可以實現(xiàn)伺服電動機(jī)開環(huán)正反轉(zhuǎn)調(diào)速實驗，閉環(huán)電流環(huán)/速度環(huán)零速啟動、穩(wěn)態(tài)加載、PI運動特性實驗，雙閉環(huán)零速啟動、穩(wěn)態(tài)加載、PI運動特性實驗以及位置環(huán)加減速、前饋-跟隨誤差、Kp-跟隨誤差、Kp-伺服剛度實驗，并且可以獲得實驗曲線。通過該實驗系統(tǒng)，同學(xué)們可以掌握伺服參數(shù)對伺服電動機(jī)控制的影響和明確伺服電動機(jī)各控制模式的特性，為數(shù)控技術(shù)的學(xué)習(xí)提供必要的基礎(chǔ)。

(a) 電流環(huán)穩(wěn)態(tài)加載實驗曲線圖

(b) 速度環(huán)零速啟動實驗曲線圖

(c) 雙閉環(huán)零速啟動實驗曲線圖(電流放大50倍)

(d) 位置環(huán)加減速實驗曲線圖(速度放大10倍)

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ADigitalServoPrincipleExperimentSystemBasedonLabVIEW

HEJun,DENGChengjun

(School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

A LabVIEW software platform and simple hardware were used to develop the digital servo principle experiment system in this article. The LabVIEW software was used to design the man-machine interface which was used to describe the experimental curve, control parameters, setting and computing. The sensor signals were collected with the data acquisition card, the PWM control signals were reported, also. Then, a DC motor was controlled by DC motor driving circuit when the control signal was achieved. The electric current and speed signal which were generated by encoder and current sensor were achieved with the sampling card. The load was provided though magnetic powder brake in this experiment system. The DC motor and sensor were used to replace the servo motor, and the LabVIEW software was used to simplify programming in this system. Open loop, closed loop, double closed loop and feed forward control could be realized, different control parameters could be set, also. The real-time experimental curve could be get under all kinds of control mode and parameters at the same time. The servo control principle could be full displayed. The students can fully understand the servo control principle and servo motor control method through this experiment system.

LabVIEW; servo control; pulse width modulation(PWM); DC motor

TP 311.11

A

1006-7167(2017)09-0070-05

2016-11-15

何 俊(1984-)，男，四川西昌人，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事數(shù)控技術(shù)的實驗教學(xué)及研究工作。Tel.：13808049945；E-mail：hejun0201102@126.com

鄧成軍(1983-)，男，四川南充人，工程師，主要從事數(shù)控技術(shù)的實驗教學(xué)及研究工作。Tel.：13683450821；E-mail：pzhxydcj@126.com