基于LabVIEW的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)研制

摘 要： 電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量與控制是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和試驗(yàn)過程中經(jīng)常遇到的問題。針對(duì)傳統(tǒng)電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的一些不足， 研制了一種基于LabVIEW的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)。基于虛擬儀器的設(shè)計(jì)思想，采用NI開發(fā)的LabVIEW圖形化設(shè)計(jì)軟件，結(jié)合數(shù)據(jù)采集技術(shù)和PID控制技術(shù)，設(shè)計(jì)完成了一套電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)。系統(tǒng)綜合運(yùn)用了數(shù)據(jù)采集技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、測(cè)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速信號(hào)采集、處理、顯示以及反饋控制等功能。最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明所研制的系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，人機(jī)界面友好，測(cè)量精度高，控制效率好，性能穩(wěn)定，便于廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： LabVIEW； 電機(jī)轉(zhuǎn)速； 虛擬儀器； 數(shù)據(jù)采集； 測(cè)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN710?34； TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）07?0114?04

隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控在工業(yè)控制系統(tǒng)中占據(jù)著越來越重要的地位。在電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的方法是用邏輯電路或者單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)[1]。此方法雖然可行，但由于存在著線路復(fù)雜、制成后不易調(diào)整、編程語言比較復(fù)雜等局限性，已很難適應(yīng)現(xiàn)代測(cè)試的要求。近年來，虛擬儀器技術(shù)以其強(qiáng)大的功能和價(jià)格優(yōu)勢(shì)日益成為測(cè)試技術(shù)發(fā)展的主流[2?3]。利用虛擬儀器，如美國NI公司的LabVIEW圖形化設(shè)計(jì)軟件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各儀器功能模塊進(jìn)行快速集成，從而使得測(cè)試系統(tǒng)更為簡(jiǎn)潔、靈活和方便[4?7]。

因此，本文綜合運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、測(cè)控技術(shù)等相關(guān)技術(shù)，基于虛擬儀器的設(shè)計(jì)思想，采用LabVIEW圖形化設(shè)計(jì)軟件，結(jié)合數(shù)據(jù)采集技術(shù)和PID控制技術(shù)，研制了一套基于LabVIEW的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速信號(hào)采集、處理、顯示以及反饋控制等功能。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

基于LabVIEW建立的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)以轉(zhuǎn)速傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)為硬件核心，LabVIEW開發(fā)平臺(tái)為軟件核心，并輔之于數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)程序以及一些測(cè)量控制編程。基于LabVIEW的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的工作原理可以描述為：轉(zhuǎn)速傳感器將電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成易測(cè)電信號(hào)，然后由信號(hào)調(diào)理電路對(duì)轉(zhuǎn)速電信號(hào)進(jìn)行采集前的調(diào)理，再由數(shù)據(jù)采集卡采集轉(zhuǎn)速信號(hào)并輸入到計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)中的軟件部分對(duì)采集到的轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，得到控制信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸出并由放大電路放大，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。因此，傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)、放大電路是本次設(shè)計(jì)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(tǒng)硬件總體控制框圖

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

（1） 目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)置，可通過鍵盤輸入、鼠標(biāo)點(diǎn)擊或者虛擬旋鈕3種方式進(jìn)行設(shè)置；

（2） 轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)顯示，通過轉(zhuǎn)速值和轉(zhuǎn)速表指針2種方式進(jìn)行顯示；

（3） 轉(zhuǎn)速差實(shí)時(shí)顯示，給出實(shí)際與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的差值，并將轉(zhuǎn)速的控制過程通過轉(zhuǎn)速比較表進(jìn)行顯示；

（4） PID參數(shù)自由設(shè)定，可通過鍵盤輸入或者虛擬拉條進(jìn)行設(shè)置；

（5） 可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的啟停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等控制，并設(shè)有急停按鈕，預(yù)防突發(fā)情況發(fā)生；

（6） 指示燈實(shí)時(shí)顯示電機(jī)工作狀態(tài)，如待機(jī)、警告、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等；

（7） 能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取進(jìn)行回放查看。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

在任何一個(gè)虛擬儀器測(cè)控系統(tǒng)中，傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和信號(hào)調(diào)理電路都是必不可少的，它們獨(dú)立工作，但又相互影響。計(jì)算機(jī)作為LabVIEW軟件運(yùn)行的硬件平臺(tái)，放大電路用于調(diào)整控制電壓。因此，在硬件子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中，傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和信號(hào)調(diào)理電路的合理選型與設(shè)計(jì)是重點(diǎn)。

2.1 傳感器選型

本系統(tǒng)中，傳感器作用是把電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成易于采集的電信號(hào)，因此，選擇ZCF121測(cè)速發(fā)電機(jī)作為傳感器。它是封閉自冷具有換向器的他激式直流發(fā)電機(jī)，在恒定激磁電流下，電樞電壓與電樞轉(zhuǎn)速成正比。ZCF121轉(zhuǎn)速傳感器價(jià)格合理，測(cè)速性能滿足本次設(shè)計(jì)要求，實(shí)物如圖3所示。其主要技術(shù)參數(shù)如下：

額定測(cè)量轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，適合中低轉(zhuǎn)速的測(cè)量；額定輸出電壓為+50 V；激磁電流為0.09 A；負(fù)載電阻為2 000 Ω；工作溫度為-40～50 ℃；相對(duì)濕度在20 ℃時(shí)能達(dá)到95%；線性誤差小于等于1%；重量約0.44 kg。

圖3 ZCF121測(cè)速發(fā)電機(jī)實(shí)物圖

2.2 數(shù)據(jù)采集卡的選型

在選取數(shù)據(jù)采集卡時(shí)，需要考慮分辨率和精度、最高采樣速度、通道數(shù)、數(shù)據(jù)接口類型以及是否有擴(kuò)展功能、支持的軟件平臺(tái)等幾個(gè)因素[8]。本次設(shè)計(jì)選擇型號(hào)為USB2.0?DAQ?Ver1.0數(shù)據(jù)采集卡，具有較高的性價(jià)比，實(shí)物如圖4所示。其主要技術(shù)參數(shù)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(yīng)的VI或函數(shù)設(shè)定）；10位A/D轉(zhuǎn)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(duì)誤差為±4 LSB；可軟件觸發(fā)采集（支持LabVIEW編程）；共有6路PWM（高速脈寬調(diào)制）。此外，還配置有8個(gè)DIO接口（均可以配置成DI，DO）。

圖4 US2.0-DAQ-Ver1.0數(shù)據(jù)采集卡實(shí)物圖

2.3 調(diào)理電路設(shè)計(jì)

根據(jù)所選傳感器和數(shù)據(jù)采集卡的技術(shù)參數(shù)，測(cè)速電機(jī)的輸出并不能直接作為采集卡的輸入。此外測(cè)速電機(jī)的輸出必須經(jīng)過濾波處理后才能得到穩(wěn)定的直流電壓，因此需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路。當(dāng)測(cè)速電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)，輸出電壓為+50 V，而數(shù)據(jù)采集卡的額定量程只有+10 V，因此需要用分壓電阻進(jìn)行分壓。測(cè)速電機(jī)的負(fù)載電阻為2 000 Ω，考慮到設(shè)計(jì)電路的過壓承載能力，設(shè)定3 000 r/min時(shí)采集電壓為+8 V。因此，可計(jì)算出分壓電阻[R1=]2 000×8/50 Ω=320 Ω，另一串聯(lián)電阻[R2=]（2 000-320） Ω=1 680 Ω。

考慮到測(cè)速電機(jī)自身的影響，需要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行濾波，以去掉沖擊干擾信號(hào)。因此，在分壓電阻[R1]兩端并聯(lián)一個(gè)電容[C，]構(gòu)成一個(gè)RC濾波器。選擇電容時(shí)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)每0.5 A電流選擇1 000 μF，則可以計(jì)算得到電容[C]取值約為50 μF。由于沒有這一規(guī)格的型號(hào)，可用容量為47 μF的電容進(jìn)行代替。所設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路原理圖如圖5所示。

圖5 信號(hào)調(diào)理電路原理圖

2.4 電機(jī)的選型

對(duì)于實(shí)驗(yàn)待測(cè)電機(jī)的選型，從實(shí)驗(yàn)方便性和經(jīng)濟(jì)性考慮，選擇普通電壓控制型直流電機(jī)，軸徑為6 mm，型號(hào)為ZYTD?45SRZ DC24V3000永磁碳刷直流電機(jī)，其實(shí)物如圖6所示。其特點(diǎn)是體積小、功率大、噪音低、易控制，可自由正反轉(zhuǎn)。

圖6 永磁碳刷直流電機(jī)實(shí)物圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)是本項(xiàng)目開發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。利用LabVIEW軟件為開發(fā)平臺(tái)，進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。用戶界面（前面板） 是虛擬儀器的重要組成部分，儀器參數(shù)的設(shè)置、測(cè)試結(jié)果顯示等功能都是通過軟件實(shí)現(xiàn)，因此要求軟件界面簡(jiǎn)單直接，便于操作。

3.1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序框圖大體分為四個(gè)模塊： 轉(zhuǎn)速控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、儀器功能模塊及PID控制模塊。轉(zhuǎn)速控制模塊中包括對(duì)系統(tǒng)的初始化、參數(shù)的設(shè)定、生成輸出模擬量并送到數(shù)據(jù)采集卡；數(shù)據(jù)采集模塊主要完成模擬量與數(shù)字量的相互轉(zhuǎn)換， 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集測(cè)量；儀器功能模塊主要實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和測(cè)量結(jié)果顯示，包括數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀?。籔ID控制模塊主要完成對(duì)PID參數(shù)的設(shè)定等功能。每一模塊可直接調(diào)用 LabVIEW 中的子模塊（庫函數(shù)）或由用戶自定義設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

在測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，首先進(jìn)行的是數(shù)據(jù)采集卡的配置，然后對(duì)傳感器所測(cè)信號(hào)進(jìn)行采集，并編程對(duì)其分析計(jì)算得到轉(zhuǎn)速，再按照規(guī)定的算法對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行控制計(jì)算，得到控制信號(hào)輸出，其整個(gè)程序框圖如圖7所示。

圖7 電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)程序流程圖

3.2 系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)

前面板界面如圖8所示。

1?轉(zhuǎn)速比較表； 2?狀態(tài)燈； 3?實(shí)際轉(zhuǎn)速；

4?數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及讀??； 5?控制按鈕；

6?目標(biāo)轉(zhuǎn)速； 7?PID參數(shù)控制

圖8 系統(tǒng)前面板

3.3 轉(zhuǎn)速控制模塊設(shè)計(jì)

本程序的核心部分由于涉及到多個(gè)狀態(tài)，故僅作正轉(zhuǎn)部分的介紹，調(diào)理后實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速通過PID調(diào)節(jié)算法比較輸出參量轉(zhuǎn)換后賦予驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，如圖9所示。

圖9 轉(zhuǎn)速控制模塊程序

3.4 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

首先判斷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，將采集卡采集到的電壓轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速值，目標(biāo)轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線都在轉(zhuǎn)速比較表中顯示出來。再次判斷控制按鈕狀態(tài)，使系統(tǒng)能夠順利實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)的切換。數(shù)據(jù)采集模塊程序如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)采集模塊程序

3.5 PID控制模塊設(shè)計(jì)

在工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中，常采用能夠?qū)崿F(xiàn)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(yīng)用的最為廣泛。因此，本系統(tǒng)采用增量式PID控制算法。根據(jù)PID的算法原理，利用LabVIEW中的數(shù)學(xué)函數(shù)選板和循環(huán)結(jié)構(gòu)，并充分使用具有記憶功能的移位寄存器，先調(diào)節(jié)比例增益，再根據(jù)一定的算法規(guī)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(tǒng)功能測(cè)試

為了驗(yàn)證所研制系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性，對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)布置如圖12所示。

圖12 電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置圖

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)試，包括啟停測(cè)試、正反轉(zhuǎn)測(cè)試等。如圖13所示為目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定為454 r/min、電機(jī)正轉(zhuǎn)情況下，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)控效果。經(jīng)驗(yàn)一段時(shí)間后，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在459 r/min，轉(zhuǎn)速差為5 r/min，穩(wěn)態(tài)誤差為1.1 r/min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所研制的系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，人機(jī)界面友好，測(cè)量精度高，控制效率好，性能穩(wěn)定。

圖13 電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)PID控制效果圖

5 結(jié) 論

本文提出了一種基于LabVIEW 的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)，包括硬件系統(tǒng)的選型、設(shè)計(jì)和搭建，以及軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的啟?？刂?，正反轉(zhuǎn)控制，急停控制及轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)測(cè)控等功能，同時(shí)還能對(duì)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取進(jìn)行回放查看等。

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了所研制系統(tǒng)可以滿足電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)控要求，性能穩(wěn)定。相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)控方式，具有操作簡(jiǎn)單，人機(jī)界面友好，測(cè)量精度高，控制效率好等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用。

注：本文通訊作者為蔣永華。

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