基于LabVIEW的直流電機(jī)轉(zhuǎn)向調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張曉亮， 姜濤， 張桂林

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

0 引言

伴隨自動(dòng)化技術(shù)的產(chǎn)生，設(shè)備和檢測(cè)技術(shù)得到了飛速的發(fā)展并且已經(jīng)成為推動(dòng)現(xiàn)代化生產(chǎn)和管理的主要環(huán)節(jié)，想要實(shí)現(xiàn)高水平的自動(dòng)化，必須具有高精度、高性能、高質(zhì)量的儀器來(lái)檢測(cè)各種相關(guān)信息，同時(shí)還需要有智能式、嵌入式和網(wǎng)絡(luò)式的檢測(cè)技術(shù)。

虛擬圖形化編程軟件LabVIEW致力于解決工業(yè)生產(chǎn)中的檢測(cè)與控制難題。LabVIEW可按照應(yīng)用需求定制檢測(cè)系統(tǒng)。手工測(cè)試速度慢，價(jià)格昂貴且容易出錯(cuò)，而基于軟件設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠迅速地執(zhí)行，并且軟件編程時(shí)無(wú)需考慮如內(nèi)存分配、語(yǔ)法等問(wèn)題，通過(guò)專注數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)執(zhí)行加快程序運(yùn)行速度。本文在LabVIEW環(huán)境下設(shè)計(jì)了直流電機(jī)轉(zhuǎn)向調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的采集與控制。系統(tǒng)有較好的人機(jī)交互界面，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制。

1 設(shè)計(jì)原理與控制算法

1.1 轉(zhuǎn)速測(cè)量原理

系統(tǒng)是用脈沖計(jì)數(shù)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量。該方式主要有測(cè)周法和測(cè)頻法，這里選擇測(cè)周法。由于轉(zhuǎn)速是單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)，根據(jù)霍爾感應(yīng)原理，在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)盤邊緣放置一塊永久磁鋼，磁鋼將隨測(cè)軸同步旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生感生磁場(chǎng)。在此磁場(chǎng)的影響下，霍爾轉(zhuǎn)速傳感器會(huì)產(chǎn)生脈沖輸出信號(hào)，其頻率與轉(zhuǎn)速成正比。脈沖信號(hào)周期與電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為

式中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；P為電機(jī)每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)；T為輸出脈沖信號(hào)周期。

1.2 脈沖周期測(cè)量原理

系統(tǒng)使用NI的PCI-6221（37-Pin）數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖周期進(jìn)行測(cè)量。PCI-6221（37-Pin）的參數(shù)有16路16位模擬輸入，采樣率250kS/s；2路16位模擬輸出通道，更新速率83kS/s；10條數(shù)字I/O線，2路32位80MHz計(jì)數(shù)器；關(guān)聯(lián) DIO（2 條時(shí)鐘線，1MHz）；包含 NIDAQmx驅(qū)動(dòng)軟件。選擇計(jì)數(shù)器CTR0對(duì)脈沖周期測(cè)量。計(jì)數(shù)器是由4部分組成：計(jì)數(shù)寄存器（Count register）、信號(hào)源端（Source）、信號(hào)門控端（Gate）、信號(hào)輸出端（Output）。其中計(jì)數(shù)寄存器（Count register）用于存儲(chǔ)當(dāng)前的計(jì)數(shù)值，它的存儲(chǔ)范圍跟計(jì)數(shù)器的分辨率有關(guān)；Source端用于接入被計(jì)數(shù)的信號(hào)；Gate端用于接入開(kāi)始計(jì)數(shù)的門控信號(hào)；Output端用于輸出單個(gè)脈沖或脈沖序列。脈沖周期測(cè)量是使用頻率已知的時(shí)基信號(hào)對(duì)未知信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，在物理連接上，Source端接入較高頻的時(shí)基信號(hào)，而Gate端接入較低頻的待測(cè)信號(hào)。圖1為脈沖周期測(cè)量原理圖。

1.3 PID控制算法設(shè)計(jì)

使用離散PID控制算法控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，離散PID控制算法分成3種，第一種為位置算法，直接輸出u（k）；第二種為增量算法，輸出 Δu（k）=u（k）-u（k-1）；第三種為速度算法，輸出 v（k）=Δu（k）/Δt，式中 Δt為采樣周期。系統(tǒng)控制程序采用位置算法輸出。

圖1 脈沖周期測(cè)量原理圖

如果算法不改變，ΔuI（k）全部由e（k）確定，當(dāng)測(cè)量值發(fā)生跳變，ΔuI（k）會(huì)產(chǎn)生較大變化。修改后，可使ΔuI（k）受噪聲的影響較小，改變的PI算法如下改變?yōu)椋撍惴ǚQ為梯形積分。

對(duì)于具有微分環(huán)節(jié)的控制器，如果瞬間改變?cè)O(shè)定值偏差e（k）會(huì)發(fā)生階躍變化，從而使輸出u（k）產(chǎn)生大范圍突變，給控制過(guò)程帶來(lái)不利效果。改進(jìn)辦法是只對(duì)輸出量u（k）進(jìn)行微分，而對(duì)設(shè)定值不做微分，改進(jìn)的微分算法如下，KD［e（k）-e（k-1）］改進(jìn)為-KD［pv（k）-pv（k-1）］，稱為微分先行。這樣，改進(jìn)后的位置算法［4］為

式?中：k 為采樣序號(hào)，k=0，1，2，3……；u（k）為第 k 次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；e（k）為第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；Kc為PID比例放大系數(shù)；Ti為PID積分時(shí)間參數(shù)；Td為PID微分時(shí)間參數(shù)；pv（k）為第k次采樣時(shí)刻控制器的回饋值。

圖2為位置式PID控制系統(tǒng)框圖，對(duì)e（k）進(jìn)行PID運(yùn)算輸出控制電壓，其中輸入量為電機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速與測(cè)量轉(zhuǎn)速的差值，輸出量為驅(qū)動(dòng)電機(jī)電壓。

圖2 位置式PID控制系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)組成及工作原理

圖3為直流電機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路。其中數(shù)據(jù)采集卡模擬輸出AO0口輸出電壓經(jīng)三極管驅(qū)動(dòng)后導(dǎo)通場(chǎng)效應(yīng)管Q4與Q6，直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)；模擬輸出AO1口輸出電壓經(jīng)三極管驅(qū)動(dòng)后導(dǎo)通場(chǎng)效應(yīng)管Q3與Q7，直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)［5］。該電路能控制額定電壓12V、最大電流不超過(guò)5A的直流電機(jī)，其它規(guī)格的電機(jī)可對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制部分電壓、場(chǎng)效應(yīng)管型號(hào)進(jìn)行調(diào)整。

圖3 直流電機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路

圖4 為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速，利用數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)數(shù)器CTR0將采集信息反饋到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)中的LabVIEW軟件對(duì)其進(jìn)行計(jì)算處理，利用數(shù)據(jù)采集卡模擬輸出AO0與AO1口產(chǎn)生模擬電壓經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)較大功率電機(jī)。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件前面板

使用LabVIEW實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件程序由2部分組成：前面板、程序框圖。在前面板上可以進(jìn)行PID以及參數(shù)設(shè)置，波形圖表能實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示設(shè)定轉(zhuǎn)速與測(cè)量轉(zhuǎn)速的具體值與變化趨勢(shì)。轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖，通過(guò)PCI-6221(37-Pin)的計(jì)數(shù)器將脈沖信號(hào)的周期傳遞到計(jì)算機(jī)中，通過(guò)編寫公式（1）程序即可得到電機(jī)轉(zhuǎn)速。圖5為直流電機(jī)控制系統(tǒng)前面板。圖中波形圖曲線中顯示設(shè)定轉(zhuǎn)速（由轉(zhuǎn)速旋鈕設(shè)定）和檢測(cè)到的電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。

圖5 直流電機(jī)控制系統(tǒng)前面板

3.2 系統(tǒng)軟件程序框圖

軟件程序框圖由以下3部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)采集部分、PID控制部分和模擬信號(hào)輸出部分。數(shù)據(jù)采集部分采用PCI-6221（37-Pin）的計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，在NIDAQmx驅(qū)動(dòng)軟件的DAQmx函數(shù)中主要需要配置DAQmx創(chuàng)建虛擬通道函數(shù)、定時(shí)函數(shù)與讀取函數(shù)。配置創(chuàng)建虛擬通道函數(shù)時(shí)，在測(cè)量方法節(jié)點(diǎn)上選擇帶1個(gè)計(jì)數(shù)器的低頻，根據(jù)待測(cè)周期的大致范圍，可設(shè)定最大值與最小值，這樣驅(qū)動(dòng)底層會(huì)按照這個(gè)范圍選取適合的時(shí)基信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，在計(jì)數(shù)器節(jié)點(diǎn)上選擇CTR0，在開(kāi)始邊沿節(jié)點(diǎn)上選擇上升沿，表示在信號(hào)的上升沿開(kāi)始計(jì)數(shù)，選擇PFI0引腳為周期輸入接線端；配置定時(shí)函數(shù)時(shí)，選擇隱式（計(jì)數(shù)器），在采樣模式節(jié)點(diǎn)選擇連續(xù)采樣；配置讀取函數(shù)時(shí)，選擇計(jì)數(shù)器DBL1采樣，在超時(shí)節(jié)點(diǎn)上配置延遲時(shí)間常數(shù)。

圖7 直流電機(jī)控制系統(tǒng)框圖程序

PID控制部分使用LabVIEW PID控制工具包（PID Toolkit）中的 PID（SubVI）.vi［6］，圖 6 為 PID（SubVI）.vi算法程序。該算法程序主要由積分算法程序與微分算法程序構(gòu)成。積分算法程序首先計(jì)算積分算法累加部分；然后計(jì)算積分算法與比例算法的和；最后是積分算法、比例算法與微分算法的和。最后的和作為整個(gè)算法的輸出。微分算法程序計(jì)算的是程序?qū)y(cè)量轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)回饋值（process variable）節(jié)點(diǎn)，將設(shè)定轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)輸入到實(shí)際期望值（setpoint）節(jié)點(diǎn)，在PID增益節(jié)點(diǎn)（PID gains）通過(guò)調(diào)整比例放大系數(shù)（Kc）、積分時(shí)間參數(shù)（Ti）和微分時(shí)間參數(shù)（Td）實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制，在輸出范圍節(jié)點(diǎn)控制輸出值的范圍。

圖 6 PID（SubVI）.vi算法程序

模擬信號(hào)輸出部分使用DAQ Assistant，通過(guò)配置DAQ Assistant選擇模擬輸出通道AO0與AO1輸出0～5V模擬電壓信號(hào)。程序中使用了while循環(huán)確保數(shù)據(jù)的連續(xù)采集與處理，以及等待下一個(gè)整數(shù)倍毫秒函數(shù)用于控制循環(huán)執(zhí)行速率。圖7為直流電機(jī)控制系統(tǒng)框圖程序。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了在圖形化編程軟件LabVIEW下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理方法。選擇相應(yīng)傳感器采集待測(cè)信號(hào)連接到數(shù)據(jù)采集卡的模擬/數(shù)字輸入通道或計(jì)數(shù)器通道，使用NI-DAQmx函數(shù)或者DAQ Assistant將待測(cè)信號(hào)送入LabVIEW軟件中通過(guò)編程進(jìn)行運(yùn)算處理，之后通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的模擬/數(shù)字輸出通道或計(jì)數(shù)器輸出通道輸出控制信號(hào)。基于上述系統(tǒng)構(gòu)建方法，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的直流電機(jī)轉(zhuǎn)向調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)計(jì)結(jié)果表明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)速的監(jiān)控顯示，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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