基于LabVIEW的數字伺服原理實驗系統

何 俊， 鄧成軍

(四川大學 制造科學與工程學院，成都 610065)

基于LabVIEW的數字伺服原理實驗系統

何 俊， 鄧成軍

(四川大學 制造科學與工程學院，成都 610065)

基于LabVIEW軟件平臺和簡單硬件，研制了數字伺服原理實驗系統。系統運用LabVIEW軟件編制人機界面用于描繪實驗曲線、控制參數設定和進行運算，數據采集卡采集傳感器信號的同時輸出PWM控制信號，此控制信號通過直流電動機驅動電路實現直流電動機的運動控制，編碼器和電流傳感器實時生成電流和速度信號并被采集卡采集，磁粉制動器提供實驗所需負載。該系統采用直流電動機加傳感器方式代替伺服電動機，采用LabVIEW軟件減化編程，實現伺服電動機開環、閉環、雙閉環、前饋等控制，并且可以設定不同控制參數，同時可以獲得各種控制模式及參數下的實時曲線，能夠全方位的展現伺服控制原理。通過該實驗系統，同學們可以充分了解伺服控制原理，掌握伺服電動機控制方法。

LabVIEW; 伺服控制; 脈沖寬度調制; 直流電動機

0 引 言

伴隨工業現代化的發展，以計算機為核心的伺服控制系統在眾多領域得到了廣泛應用，掌握伺服控制系統的原理與應用，已成為高端裝備、精密儀器、機器人等相關產業技術人員的一項迫切需求[1]。運用伺服控制可實現高速高精度復雜的運動控制，在工業自動化生產過程中，只要涉及到被控設備精確的跟蹤給定參數，就需要用到伺服技術[2]。而伺服技術在工業自動化中最大的應用就是電動機伺服的應用，最主要表現在數控機床方面的運用[3]。因此，讓學生們掌握電動機伺服控制原理，對以后自動化機械產品，數控機床等設計、調試、維護尤為重要。而伺服電動機控制原理涉及大量電動機控制和電子電路知識，具有跨學科特性，同時國內專門針對數字伺服原理的實驗系統較少，為此本文借助LabVIEW軟件代替復雜的電子電路，實現直流電動機伺服控制，將電動機伺服控制原理轉化為電動機的實際運動和性能參數曲線，直觀的反映伺服電動機的控制原理和過程，以及伺服參數對伺服電動機運動控制的影響，從而掌握伺服電動機控制原理，掌握伺服電動機參數優化，加深伺服控制技術的理解。

1 實驗系統

該實驗系統的結構如圖1所示，LabVIEW軟件被用來實現數據采集，運算和產生PWM波形，數據采集卡采集直流電動機電樞電流和編碼器脈沖，同時對外輸出脈沖寬度調制(PWM)電壓信號，控制直流電動機驅動電路從而驅動直流電動機，磁粉制動器與直流電動機直連提供系統負載。為降低成本，實驗系統用直流電動機代替伺服電動機，其驅動電路由H橋雙極性功放電路和PWM信號延遲電路構成。系統速度和位移反饋信號由編碼器生成脈沖來實現，電流反饋通過霍爾電流傳感器檢測直流電動機電樞電流來實現。上位機一方面通過數據采集卡接收到電流、速度、位移反饋信號，經過相應的計算生成PWM波并經數據采集卡輸出，經過直流電動機驅動電路后控制直流電動機的運動。從而實現直流電動機的電流、速度、位置環控制，并且系統可以實時繪制實驗曲線，展示系統工作效果。

圖1 系統結構圖

2 實驗系統理論基礎

本實驗系統采用無刷直流電動機加增量編碼器代替直流伺服電動機[4]，直流電動機轉速和其他參數之間的穩態關系[5]為：

n=(U-IR)/(KeΦ)

(1)

式中:n為轉速;U為電樞電壓;I為電樞電流;R為電樞回路總電阻;Φ為勵磁磁通;Ke為電動勢常數。由此可以看出,直流電動機速度控制有3種方法，但是改變電阻只能有級調速，減弱磁通調速范圍窄，因此自動控制系統直流調速以改變電樞電壓為主。而改變電樞電壓的方式有多種，脈寬調制就是一種運用最廣泛的直流電動機調速方法，它可以將恒定的直流電壓調制為一定頻率，占空比可變的脈沖電壓，從而改變平均電壓大小來調節電動機轉速，其原理如圖2所示。

圖2 脈寬調速原理圖

從圖2可以看出，控制電壓U為脈沖序列，控制高速開關通斷，從而施加在電動機兩端的電壓Ea為與控制電壓同頻率的脈沖電壓，直流電動機電壓的平均值為：

(2)

式中：T為脈沖周期；Ton為導通時間?？梢圆粩喔淖兛刂齐妷翰ㄐ蔚恼伎毡?，從而實現直流電動機調速目的。

由于直流伺服電動機是一種典型的閉環控制系統，本實驗系統采用電流環、速度環、位置環三環結構，進行3個閉環負反饋PID調節。三環最內環為電流環，起到控制電動機轉矩作用，第二環為速度環，速度環的輸出為電流環的設定，最外環為位置環，位置環的輸出就是速度環的設定，以此構成三環控制。此伺服原理實驗系統也可分別從直流電動機電流環、速度環和位置環，以及開環控制，前饋控制入手，開展開環調速和正反轉控制、電流環控制、速度環控制、電流速度雙閉環、位置環控制實驗，實驗系統完整控制原理如圖3所示，根據實驗項目不同，可以選擇不同的模塊進行速度開環、單閉環控制、雙閉環以及前饋控制。

此直流電動機伺服系統，其控制是一個單輸入、單輸出的單變量控制系統[6]。電流環由電流控制器、PWM波生成環節、直流電動機驅動電路、直流電動機和電流傳感器構成，通過調節電樞電流來控制電動機轉矩，電流控制器實際是一種PI調節器[7]。速度環由速度控制器、電流環和編碼器及速度轉換環節構成，主要控制電動機轉速，速度控制器實際上一種P或PI調節器，這里作為PI調節器使用。位置環由位移控制器，速度環和編碼器構成，控制電動機的角位移，這里位移控制器是P調節器。為了加強位置跟隨性能，在閉環反饋控制的基礎上，引入位移信號的順饋補償，構成前饋控制，前饋控制和反饋控制共同構成復合控制系統[8]。

圖3 實驗系統控制原理圖

3 系統硬件設計

整個實驗系統的硬件部分主要包括數據采集卡，直流電動機驅動電路，直流電動機，電流傳感器和編碼器，磁粉制動器，以及直流電源和上位機。數據采集卡選用NI公司的PCI-6236數據采集卡，該采集卡有4路模擬量輸入(4～20 mA), 4路模擬量輸出(0～10 V)，2個計數器/定時器端口，模擬量端口16位分辨率，計時器端口32位分辨率，可測試電流、正交編碼器信號，同時還可輸出模擬電壓信號；直流電動機選用24 V雙輸出軸無刷直流電動機，額定轉速1 500 r/min，額定扭矩1 N·m，額定功率100 W；編碼器采用增量編碼器，分辨率500 P/r；磁粉制動器選擇機座自冷式磁粉制動器CZ-0.2，額定轉矩2 N·m。電流傳感器選用CE-IZ01電流傳感器，量程0～5 A，輸出電流4～20 mA。

系統硬件部分關鍵是直流電動機驅動電路，此驅動電路包括PWM波延遲電路和H橋雙極性功放電路兩部分。PWM波延遲電路負責將數據采集卡生成的PWM波削去負半周，然后分為兩路，一路直接驅動H橋雙極性功放電路功率MOSFET管柵極，另一路經反向后驅動功放電路功率MOSFET管柵極，即一路信號控制電動機正轉，一路信號控制電動機反轉。整個直流電動機驅動電路原理如圖4所示。

數據采集卡產生的PWM信號經光電耦合后經D1二極管的箍位作用削去負半周信號，保留正半周，之后信號分為兩路，一路與T1、T4功率MOSFET管柵極相連，另一路經非門反相后與T2、T3功率MOSFET管柵極相連。當PWM信號為高電平時，T1、T4導通，T2、T3關閉，電動機兩端電壓UAB=24 V，反之PWM信號為低電平時，T1、T4關閉，T2、T3導通，電動機兩端電壓UAB=-24 V。電動機兩端的平均電壓為:

圖4 直流電動機驅動電路原理圖

(3)

式中:ρ為PWM波的占空比，ρ>0.5時，直流電動機正轉，ρ<0.5時，直流電動機反轉，ρ=0.5時，直流電動機不轉，通過控制PWM波輸出占空比，就可以實現直流電動機的轉速調節[9]。

4 系統軟件設計

系統軟件采用NI公司開發的LabVIEW軟件平臺，它是一個圖形化編程語言和開發環境，它采用數據流編程方式[10-11]，可以降低控制系統的成本，同時大大縮短項目開發周期[12]。

該系統采用計算機作為上位機，通過數據采集卡采集直流電動機電樞電流和旋轉編碼器信號，經數據處理和運算后，生成PWM控制信號，再經采集卡模擬量端口輸出控制直流電動機運動。軟件執行流程如圖5所示。

系統上位機軟件一方面提供人機操作界面，另一面方面按要求采集傳感器數據并進行相應的處理運算。此實驗系統可以進行伺服系統加減速實驗、雙閉環啟動與加載實驗、PID參數對電動機影響實驗、開環增益與跟隨誤差、系統剛性、前饋補償等實驗。系統軟件主要可以分為數據采集模塊、數據處理模塊、PWM波生成模塊和實驗選擇模塊，其中數據采集、數據處理和PWM波生成是系統軟件設計的重點和難點。

圖5 上位機程序流程圖

(1) 數據采集模塊功能包括電流信號采集、編碼器信號采集和模擬電壓信號生成。通過軟件底層驅動程序可以對數據采集卡進行配置，設置采集卡通道數、采樣頻率、采樣點數和觸發等信息，通過數據采集模塊可以將傳感器檢測數據讀入上位機，并且可以將生成的PWM波信號對外傳輸。電流信號和電壓信號為模擬量信號，而編碼器信號為數字量信號，該模塊軟件程序圖如圖6所示。

圖6 數據采集模塊程序圖

(2) 數據處理模塊功能一方面將測得的數據進行相應的計算轉化為相應PID調節的設定值、過程變量值，另一方面對PID調節器進行限幅、參數設定、以及控制量生成。數據處理模塊難點之一就是速度計算，數據采集卡采集編碼器脈沖信號后，需要進行相應計算才能得到電動機轉速。實驗系統電動機轉速M/T法測速[13]，通過測取規定時間內編碼器的輸出脈沖個數，同時檢測同一時間間隔的時鐘脈沖個數來得到編碼器旋轉速度。編碼器轉速即電動機轉速可通過以下公式獲得：

(4)

式中:M1為編碼器脈沖個數;Tc為計量時間;Z為編碼器分辨率。速度計算程序如下圖7所示。

圖7 速度轉換程序圖

由于控制系統電流環，速度環采用PI控制器，而位置環采用P控制器，程序設計時選用LabVIEW軟件自帶的PID Autotuning.VI[14]，并對其輸出進行限幅[15-16]設定，電流控制器及限幅設定程序如圖8所示，偏差信號經PID運算后生成控制量。

圖8 電流PID及限幅程序圖

(3) 偏差信號經過PID運算后生成控制量，需要將控制量轉化生成PWM波形，并且經控制卡模擬量輸出端口輸出以控制電動機動作，PWM波生成及輸出程序如圖9所示，由于增加PWM采樣頻率，電動機運行的抖動和噪聲減小[17]，但過高的采樣頻率對系統硬件要求過高，為此實驗系統采樣頻率為1.0 kHz。

圖9 PWM波生成程序圖

5 實驗結果

經過反復調試，該實驗系統功能正常，能夠實時采集電流信號和編碼器信號，并且經過相應的運算后生成PWM波形驅動H橋MOSFET管，從而驅動直流電動機運動，軟件界面可以實時生成實驗曲線。圖10所示展示了實驗系統工作的效果。

通過該實驗系統，可以實現伺服電動機開環正反轉調速實驗，閉環電流環/速度環零速啟動、穩態加載、PI運動特性實驗，雙閉環零速啟動、穩態加載、PI運動特性實驗以及位置環加減速、前饋-跟隨誤差、Kp-跟隨誤差、Kp-伺服剛度實驗，并且可以獲得實驗曲線。通過該實驗系統，同學們可以掌握伺服參數對伺服電動機控制的影響和明確伺服電動機各控制模式的特性，為數控技術的學習提供必要的基礎。

(a) 電流環穩態加載實驗曲線圖

(b) 速度環零速啟動實驗曲線圖

(c) 雙閉環零速啟動實驗曲線圖(電流放大50倍)

(d) 位置環加減速實驗曲線圖(速度放大10倍)

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ADigitalServoPrincipleExperimentSystemBasedonLabVIEW

HEJun,DENGChengjun

(School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

A LabVIEW software platform and simple hardware were used to develop the digital servo principle experiment system in this article. The LabVIEW software was used to design the man-machine interface which was used to describe the experimental curve, control parameters, setting and computing. The sensor signals were collected with the data acquisition card, the PWM control signals were reported, also. Then, a DC motor was controlled by DC motor driving circuit when the control signal was achieved. The electric current and speed signal which were generated by encoder and current sensor were achieved with the sampling card. The load was provided though magnetic powder brake in this experiment system. The DC motor and sensor were used to replace the servo motor, and the LabVIEW software was used to simplify programming in this system. Open loop, closed loop, double closed loop and feed forward control could be realized, different control parameters could be set, also. The real-time experimental curve could be get under all kinds of control mode and parameters at the same time. The servo control principle could be full displayed. The students can fully understand the servo control principle and servo motor control method through this experiment system.

LabVIEW; servo control; pulse width modulation(PWM); DC motor

TP 311.11

A

1006-7167(2017)09-0070-05

2016-11-15

何 俊(1984-)，男，四川西昌人，碩士，工程師，現主要從事數控技術的實驗教學及研究工作。Tel.：13808049945；E-mail：hejun0201102@126.com

鄧成軍(1983-)，男，四川南充人，工程師，主要從事數控技術的實驗教學及研究工作。Tel.：13683450821；E-mail：pzhxydcj@126.com