基于myDAQ的直流電機PWM遠程控制系統設計

劉蘊紅，楊君寶

（大連理工大學 電氣工程學院，遼寧 大連 116024）

現如今直流電機在各行各業中發揮著越來越重要的作用，因而直流電機的速度控制和測量的重要性也越發的突出。隨著科技的快速發展，PWM調速由于其開關頻率高、低速運行穩定、動態性能好、效率高等優勢已成為電機調速的新方式，并且在電機調速中被普遍運用[1-3]。文獻[4-5]中提到的PWM控制信號大多是通過單片機的中斷實現，比較占用系統資源，而且容易受到系統中斷的影響和干擾，造成系統很不穩定。文中所涉及的PWM信號雖由軟件產生，但卻是基于硬件的PWM控制，穩定性更好。

NImyDAQ是美國國家儀器有限公司 （NationalInstruments，NI）推出的一個便攜式設備，而且配有USB即插即用功能，可針對各種測量進行快速方便的采集與顯示，方便了控制信號的輸入輸出。采用LabVIEW的基于WEB發布工具可以方便的實現網頁的遠程發布，為遠程控制提供了可能。本項目設計的 “基于myDAQ的直流電機PWM遠程控制系統設計”可實現隨時隨地通過網絡訪問該平臺完成對直流電機的各種控制與測量顯示。

1 系統的整體設計

NI myDAQ將軟件與硬件集合成了一個整體。硬件上myDAQ集成了20路的信號通道，其中包含了8路數字輸入輸出口、2路差分模擬輸入口、2路模擬輸出口、以及示波器、數字萬用表、函數發生器、各類電源和伯德圖分析儀，我們一方面可以方便的利用這些數據通道采集電機的各種狀態信息、發送控制命令，另一方面還可以將電機運行結果借助于虛擬儀器形象化的表達出來。在軟件上myDAQ的開發采用圖形化系統設計軟件LabVIEW進行編程設計，利用集成化、形象化、模塊化的圖形編程方式可以快速方便的編制出實驗程序。

基于myDAQ的直流電機PWM遠程控制系統采用B/S（Brower/Server）控制模式，B/S模式下，使用 Web瀏覽器訪問服務器，通過網頁與實驗裝置交互。B/S模式具有客戶端數量不受限制、軟件開發相對簡單、系統擴展維護簡單等優點[6]。遠程客戶端是運行在網絡終端的用戶計算機。因為電機控制的程序都由服務器承載和執行，并且提供了相應的操作界面，任何連接在Internet上的PC機都可以使用瀏覽器登錄到網站進行遠程控制，不需要安裝專門的客戶端軟件。需要注意的是客戶端計算機LabVIEW Run-Time Engine。此時要求本地服務器端相關的LabVIEW軟件及VI程序是打開的。操作者進入運行界面后可對直流電機進行遠程控制。當多個客戶端同時監控服務器端時，可以多個同時控制，但只能有一個客戶端有控制權，其他的需等待釋放后獲得控制權。本地服務器端是一臺裝有Web服務器的主機，該主機需要安裝LabVIEW及相關驅動的軟件。該主機是使遠程客戶端和本地服務器端進行通信的橋梁。服務器為用戶構建一個遠程實驗交互平臺，負責整個系統的任務調度和網絡管理等工作。

當該遠程控制系統完成后，客戶端操作者可以通過任意一臺接入因特網的計算機來進入遠程控制系統。通過鏈接進入整個系統的網址，驗證操作者的身份后進行操作，可以實現對直流電機的正反轉控制、起停控制、轉速控制等，同時在客戶端界面顯示電機的工作運行狀態以及PWM控制波形，另外提供攝像頭還可以觀看現場電機實際運行情況。整個系統的結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖Fig.1 System structure diagram

基于以上分析可以看出系統主要有客戶端、服務器、被控端3部分組成，但又以被控端的設計為主，其設計主要包含硬件設計和軟件設計兩部分，下面將針對硬件和軟件兩部分設計做分別說明。

2 系統的硬件設計

該系統在硬件設計上主要為直流電機的驅動電路設計。需要實現對直流電機的控制功能主要有：電機的啟動、停止；電機的換向；電機的PWM調速。這里我們采用美國國家半導體公司 （NS）推出的專用于直流電機驅動的H橋芯片LMD18200。同一芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件，其峰值輸出電流高達6 A，連續輸出電流達3 A，工作電壓高達55 V，具有溫度報警和過熱與短路保護功能，具有良好的抗干擾性。利用它可以與主處理器、直流電機和增量型編碼器構成一個完整的運動控制系統。廣泛應用于打印機、機器人和各種自動化控制領域。其控制原理圖如圖2所示，電機控制指令如表1所示。

圖2 直流電機控制原理圖Fig.2 DC motor control principle diagram

表1 電機控制指令表Tab.1 Motor control instruction chart

對于直流電機的速度檢測環節采用增量式編碼器，型號選擇歐姆龍公司的E6B2-CWZ6C旋轉增量式編碼器，分辨率為1000P/R其電源電壓為DC5～24V，消費電流處于80 mA以下，是NPN集電極開路輸出信號，輸出相有A、B、Z三相。

3 系統的軟件設計

3.1 PWM調速原理

脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation），簡稱PWM。在PWM調速系統中，一般可以采用定寬調頻、調寬調頻、定頻調寬3種方法改變控制脈沖的占空比，但是前兩種方法在調速時改變了控制脈寬的周期，從而引起控制脈沖頻率的改變，當該頻率與系統的固有頻率接近時將會引起振蕩。為避免之，設計采用定頻調寬改變占空比的方法來調節直流電動機電樞兩端電壓。定頻調寬法的基本原理是按一個固定頻率來接通和斷開電源，并根據需要改變一個周期內接通和斷開的時間比（占空比）來改變直流電機電樞上電壓的占空比，從而改變平均電壓，控制電機的轉速[7]。在PWM調速系統中，當電機通電時其速度增加，電機斷電時其速度減低。只要按照一定的規律改變通、斷電的時間，即可使得電樞電壓的平均值發生變化，從而控制電機轉速。相比于電壓調速，采用PWM技術構成的無級調速系統，啟停時對直流系統無沖擊，精度高，并且具有啟動功耗小、運行穩定，易于控制的優點，能保證系統較長時間的運行工作。

3.2 PWM的LabVIEW編程設計

LabVIEW是一款圖形化編程工具，編制程序時使用圖像化語言，也叫G語言，相比于C語言等文本性編程方法，其編程更加方便快捷，程序可讀性強，前面板程序更適于人機交互。本系統涉及到的PWM程序是通過利用LabVIEW基本開發語言配合DAQmx工具包里的各種模塊，編制出一個占空比可調的PWM波，并通過myDAQ的模擬輸出口AO0輸出并送至驅動電路。其PWM程序圖如圖3所示。

3.3 直流電機速度采集算法

增量式光電編碼器是碼盤隨位置的變化輸出一系列的脈沖信號，然后根據位置變化的方向用計數器對脈沖進行加/減計數，以此達到位置檢測的目的。它是由光源、透鏡、主光柵碼盤、鑒向盤、光敏元件和電子線路組成。常用的測速方法有M法和T法兩種[8]。M法測速適用于測量高轉速，因為對于給定的光電編碼器轉速越高，計數脈沖越大，誤差也就越小。T法測速適用于低速運行的場合。但轉速太低，一個編碼器輸出脈沖的時間太長，時鐘脈沖數會超過計數器最大計數值而產生溢出；另外，時間太長也會影響控制的快速性。

圖3 PWM程序圖Fig.3 PWM program diagram

M法測速又稱之為測頻法，其測速原理是在規定的檢測時間Tc內，對光電編碼器輸出的脈沖信號計數的測速方法。設脈沖發生器每轉一圈發出的脈沖數為P，且在規定的時間Tc（S）內，測得的脈沖數為M1，則電機每分鐘轉數為：

T法測速又稱之為測周法，該測速方法是在一個脈沖周期內對時鐘信號脈沖進行計數的方法。用一已知頻率為fclk的時鐘向一計數器發送脈沖數，設脈沖發生器每轉一圈發出的脈沖數為P，測得的脈沖數為M2，則電機每分鐘轉數為：

本系統所用到的旋轉編碼器有5條引線，其中3條脈沖輸出線，一條是COMMON端線，1條是電源線，才外還有一根屏蔽線。編碼器的A相、B相的相位差為90度，可通過比較A相在前還是B想在前，以判別編碼器的正轉和反轉，由于本系統涉及到的電機為直流減速電機，轉速相對較低，因而測速算法采用T法測速。

4 系統測試結果

系統軟件部分和硬件部分設計完成后，客戶端在遠程對系統進行測試，通過鏈接進入整個系統的網址，驗證操作者的身份后進入操作界面，在操作界面上通過方向按鈕可實現對電機方向的控制；點擊剎車控件實現電機及時剎車；通過調節PWM波的占空比實現對電機轉速的調節，當增大PWM波的占空比時電機轉速增加，當減小PWM波占空比時電機轉速下降；同時在操作界面上還將顯示出電機的轉速以及PWM控制波形。整個系統的操作控制界面如圖4所示。

5 結 論

該遠程控制系統用myDAQ作為直流電機調速控制系統的控制核心，以LMD18200作為直流電機驅動電路的核心器件，利用旋轉式增量編碼器測量直流電機的轉速，用PWM脈寬調制方式來控制直流電機的轉動速度，上位機通過myDAQ數字輸出口給驅動電路發送方向、剎車指令，進而控制直流電機的轉向和起停。整個系統結構簡單、設置靈活、可靠性高、運行穩定，此外，操作者在遠程端還可通過攝像頭實時監控現場直流電機的運行情況，及時根據運行狀況做出相應調整。

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圖4 控制界面圖Fig.4 Control interface diagram