基于LabVIEW的電機轉速測控系統研制

摘 要： 電機轉速的測量與控制是現代工業生產和試驗過程中經常遇到的問題。針對傳統電機測控系統的一些不足， 研制了一種基于LabVIEW的電機轉速測控系統。基于虛擬儀器的設計思想，采用NI開發的LabVIEW圖形化設計軟件，結合數據采集技術和PID控制技術，設計完成了一套電機轉速測控系統。系統綜合運用了數據采集技術、虛擬儀器技術、測控技術，實現了轉速信號采集、處理、顯示以及反饋控制等功能。最后進行了實驗測試，結果表明所研制的系統操作簡單，人機界面友好，測量精度高，控制效率好，性能穩定，便于廣泛應用。

關鍵詞： LabVIEW； 電機轉速； 虛擬儀器； 數據采集； 測控系統

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

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

因此，本文綜合運用虛擬儀器技術、數據采集技術、測控技術等相關技術，基于虛擬儀器的設計思想，采用LabVIEW圖形化設計軟件，結合數據采集技術和PID控制技術，研制了一套基于LabVIEW的電機轉速測控系統。系統可實現轉速信號采集、處理、顯示以及反饋控制等功能。

1 系統總體方案設計

基于LabVIEW建立的電機轉速測控系統以轉速傳感器、信號調理電路、數據采集卡、計算機為硬件核心，LabVIEW開發平臺為軟件核心，并輔之于數據采集卡的驅動程序以及一些測量控制編程。基于LabVIEW的電機轉速測控系統總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖

整個測控系統的工作原理可以描述為：轉速傳感器將電機轉動信號轉換成易測電信號，然后由信號調理電路對轉速電信號進行采集前的調理，再由數據采集卡采集轉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速信號進行分析計算，得到控制信號經數據采集卡輸出并由放大電路放大，從而實現對電機轉速的控制。因此，傳感器、信號調理電路、數據采集卡、計算機、放大電路是本次設計必不可少的硬件部分，其整體控制框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件總體控制框圖

系統實現的主要功能如下：

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

（2） 轉速實時顯示，通過轉速值和轉速表指針2種方式進行顯示；

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

（4） PID參數自由設定，可通過鍵盤輸入或者虛擬拉條進行設置；

（5） 可實現對電機的啟停、正轉、反轉等控制，并設有急停按鈕，預防突發情況發生；

（6） 指示燈實時顯示電機工作狀態，如待機、警告、正轉、反轉等；

（7） 能實現數據的存儲和讀取進行回放查看。

2 系統的硬件設計

在任何一個虛擬儀器測控系統中，傳感器、數據采集卡和信號調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，放大電路用于調整控制電壓。因此，在硬件子系統的設計與實現中，傳感器、數據采集卡和信號調理電路的合理選型與設計是重點。

2.1 傳感器選型

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

額定測量轉速為3 000 r/min，適合中低轉速的測量；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測速發電機實物圖

2.2 數據采集卡的選型

在選取數據采集卡時，需要考慮分辨率和精度、最高采樣速度、通道數、數據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]。本次設計選擇型號為USB2.0?DAQ?Ver1.0數據采集卡，具有較高的性價比，實物如圖4所示。其主要技術參數如下：

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，可通過相應的VI或函數設定）；10位A/D轉換器分辨率；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；可軟件觸發采集（支持LabVIEW編程）；共有6路PWM（高速脈寬調制）。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數據采集卡實物圖

2.3 調理電路設計

根據所選傳感器和數據采集卡的技術參數，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過濾波處理后才能得到穩定的直流電壓，因此需要設計相應的信號調理電路。當測速電機轉速為3 000 r/min時，輸出電壓為+50 V，而數據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，考慮到設計電路的過壓承載能力，設定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]兩端并聯一個電容[C，]構成一個RC濾波器。選擇電容時，根據工程經驗每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。由于沒有這一規格的型號，可用容量為47 μF的電容進行代替。所設計的信號調理電路原理圖如圖5所示。

圖5 信號調理電路原理圖

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。

圖6 永磁碳刷直流電機實物圖

3 系統的軟件設計

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

3.1 系統總體框架設計

系統程序框圖大體分為四個模塊： 轉速控制模塊、數據采集模塊、儀器功能模塊及PID控制模塊。轉速控制模塊中包括對系統的初始化、參數的設定、生成輸出模擬量并送到數據采集卡；數據采集模塊主要完成模擬量與數字量的相互轉換， 實現數據的采集測量；儀器功能模塊主要實現參數設置和測量結果顯示，包括數據的存儲和讀取；PID控制模塊主要完成對PID參數的設定等功能。每一模塊可直接調用 LabVIEW 中的子模塊（庫函數）或由用戶自定義設計實現。

在測控系統軟件設計中，首先進行的是數據采集卡的配置，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速，再按照規定的算法對轉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 電機轉速測控系統程序流程圖

3.2 系統前面板設計

前面板界面如圖8所示。

1?轉速比較表； 2?狀態燈； 3?實際轉速；

4?數據存儲及讀取； 5?控制按鈕；

6?目標轉速； 7?PID參數控制

圖8 系統前面板

3.3 轉速控制模塊設計

本程序的核心部分由于涉及到多個狀態，故僅作正轉部分的介紹，調理后實際轉速與目標轉速通過PID調節算法比較輸出參量轉換后賦予驅動環節對電機進行速度調節，如圖9所示。

圖9 轉速控制模塊程序

3.4 數據采集模塊設計

首先判斷電機的正反轉狀態，將采集卡采集到的電壓轉換為轉速值，目標轉速和實際轉速曲線都在轉速比較表中顯示出來。再次判斷控制按鈕狀態，使系統能夠順利實現不同狀態的切換。數據采集模塊程序如圖10所示。

圖10 數據采集模塊程序

3.5 PID控制模塊設計

在工業自動化設備中，常采用能夠實現比例、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用的最為廣泛。因此，本系統采用增量式PID控制算法。根據PID的算法原理，利用LabVIEW中的數學函數選板和循環結構，并充分使用具有記憶功能的移位寄存器，先調節比例增益，再根據一定的算法規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 系統功能測試

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

圖12 電機轉速測控系統現場布置圖

對系統進行了多次實驗驗證測試，包括啟停測試、正反轉測試等。如圖13所示為目標轉速設定為454 r/min、電機正轉情況下，系統的實時測控效果。經驗一段時間后，電機轉速穩定在459 r/min，轉速差為5 r/min，穩態誤差為1.1 r/min。實驗結果表明所研制的系統操作簡單，人機界面友好，測量精度高，控制效率好，性能穩定。

圖13 電機轉速測控系統PID控制效果圖

5 結 論

本文提出了一種基于LabVIEW 的電機轉速測控系統，包括硬件系統的選型、設計和搭建，以及軟件系統的設計與實現。可實現對電機的啟停控制，正反轉控制，急停控制及轉速的實時測控等功能，同時還能對轉速數據的存儲和讀取進行回放查看等。

通過實驗測試，驗證了所研制系統可以滿足電機轉速的測控要求，性能穩定。相對于傳統測控方式，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，可廣泛應用。

注：本文通訊作者為蔣永華。

參考文獻

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