基于LabVIEW的直流電機PID速度控制系統設計

沈峰，鐘勝奎,仲兆準 ，張運詩 謝光偉，

(蘇州大學 a.機電工程學院；b.沙鋼鋼鐵學院 江蘇 蘇州215021)

0 引言

直流電機是機械能和直流電能互相轉換的旋轉機械裝置，直流電機具有較好的調速性能和較大的啟動轉矩，因此，對調速要求較高的生產機械(例如龍門刨床、鏜床、軋鋼機等)或者需要較大啟動轉矩的生產機械(例如起重機械、電力牽引設備等)往往采用直流電機來驅動。

隨著計算機技術、大規模集成電路技術和通信技術的飛速發展，儀器技術領域發生了巨大的變化，出現了一種全新的儀器概念——虛擬儀器(Virtual Instrument)；LabVIEW是美國國家儀器公司(簡稱NI)的創新軟件產品，也是目前應用最廣、發展最快、功能最強的圖形化軟件開發集成環境，又稱為G語言，它把復雜、繁瑣、費時的語言編程簡化成用菜單或圖標提示的方法選擇功能，使用線條把各種功能連接起來的簡單編程方式。

本文就是要運用LabVIEW來編寫軟件，通過友好的人機界面，實現對直流電機實際轉速的測量，以及用PID控制算法對其轉速進行控制，使之達到理想的控制效果。

1 系統組成及工作原理

實驗系統由一臺裝有LabVIEW的計算機；NI ELVIS II+實驗平臺；額定電壓12V、額定轉速3500r/min的直流電機；以及一個集成光敏晶體管組成。ELVIS II+是基于LabVIEW編程環境，以及原型搭建的環境，實驗硬件電路是在該平臺上搭建的，該平臺集成了-15V～+15V的可變電壓源，+5V的直流電壓源，以及多通道的數據采集(AI)，兩通道示波器，信號發生器等。集成光敏晶體管是用來測量電機實際轉速的，接線如圖1所示。

圖1 光電器件電路原理圖

將直流電機的一個引腳接可變電壓源，另一個引腳接地，由于直流電機空載轉速與控制電壓近似成線性正比關系，故通過計算機控制直流電機引腳的電壓的大小即可改變電機的轉速，在電機的轉軸頂端添加一個帶一缺口的隔光圓片，將圓片放置在晶體管模塊中間，當電機轉動的時候，每轉過一圈，光敏晶體管就可以接收到一次信號，AI通道就可以采集到一個脈沖，通過測量兩個相鄰脈沖的間隔時間，經過轉換就可得到電機的實際轉速，系統結構如圖2所示。

圖2 系統結構圖

2 系統軟件設計

系統編程采用美國NI公司的LabVIEW2010軟件，該程序通常由前面板和程序框圖組成。前面板是VI的人機界面，它通過各種控制器件和顯示器件實現各類數據的輸入和顯示，模擬了真實儀器的面板，如圖3所示；程序框圖是程序員編寫LabVIEW程序的窗口界面，如圖4所示。

圖3 前面板

圖4 程序框圖

此程序主要分為三個模塊，分別是：轉速測量模塊，PID算法模塊以及轉速控制模塊。下面分別對三個模塊進行介紹。

2.1 轉速測量模塊

該模塊是要采集AI通道兩端的脈沖信號，并將之轉化成電機的實際轉速，經過濾波顯示出來。首先配置一個模擬電壓輸入通道，選擇相應的物理通道，設置采樣率，使用脈沖測量.vi計算脈沖周期，取周期的倒數，可得到每秒的轉速，乘以60，可得每分鐘的轉速，最后用位移寄存器累加5次再除以5進行平均值濾波把最終結果顯示在前面板上。

2.2 PID算法模塊

程序采用增量式PID算式,如式(1)：

Δv=Kp(ek-ek-1)+Kiek=Kd(ek-2ek-1+ek-2)

(1)

式中：Kp是比例系數；Ki是積分系數；Kd是微分系數；ek，ek-1，ek-2分別是第k次、第k-1次、第k-2次采樣時設定轉速與實際轉速的差值；Δv是輸出的速度增量。

程序用一個公式節點，以Kp，Ki，Kd，ek，ek-1，ek-2為輸入量，Δv是經過PID算法計算得出的速度增量作為輸出量控制電機轉速，通過在前面板上輸入適當的Kp，Ki，Kd值，使程序達到理想控制效果。

2.3 轉速控制模塊

該模塊是將通過PID算法得出的速度增量經過轉換，得到控制電壓，控制電機轉速。首先配置一個模擬電壓輸出通道，設定電壓最大值為12V，最小值為0V，然后由于直流電機的轉速與控制電壓近似成線性正比關系，所以將Δv速度增量加上設定轉速，除以額定轉速3500r/min，再乘以額定電壓12V，就可以得到控制電壓，控制電機轉速。

3 系統運行及調試結果

3.1 PID參數的整定

PID控制器參數的整定方法有很多，目前廣泛運用的有三種：試湊法、經驗數據法以及擴充臨界比例度法。這里采用擴充臨界比例度法對PID參數進行整定。首先選擇一個足夠短的采樣周期T，調整Kp的值使之做純比例控制，當系統出現臨界振蕩時記下此時的Kp為臨界振蕩增益Ks，以及臨界振蕩周期Ts；然后選擇合適的控制度，所謂控制度，就是數字控制器和模擬調節器所對應的過渡過程的誤差平方比；根據控制度查表1，即可求出Kp，Ti，Td的值；由式(2)、(3)可得到Kp，Ki，Kd的值。

Ki=KpT/Ti

(2)

Kd=KpTd/T

(3)

表1 擴充臨界比例度法參數整定表

最后在前面板上輸入正確的物理通道，PID參數，運行程序，調節儀表盤設定轉速，觀察實際轉速的變化曲線，發現達到了速度控制的理想效果，實際運行結果如圖5、6所示，參數設定如圖7所示。

圖5運行結果1

圖6 運行結果2

圖7 參數設定

4 結語

系統設計利用圖形化編程語言LabVIEW實現了對直流電機的轉速控制，實踐證明，用PID算法控制電機轉速，其結構簡單，穩定性好，魯棒性強，具有良好的控制效果；利用LabVIEW開發的控制系統，其人機界面友好形象，參數修改、系統調試方便，編程直觀易用，降低了系統開發時間與項目籌建成本，提高了工作效率，因此具有一定的應用價值。

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