基于LABVIEW的電機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

黃鑫廣 江銘 徐飛兒 李應(yīng)優(yōu)

摘 要：針對(duì)具有雙泵結(jié)構(gòu)的汽車變速器液壓閥板，在進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證過(guò)程中，需分別獨(dú)立控制雙泵供油，提出了一種通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙泵，上位機(jī)采用LABVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)，并通過(guò)相應(yīng)的硬件設(shè)備實(shí)時(shí)采集控制電流、壓力信號(hào)的電機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用工控機(jī)、CAN卡、NI數(shù)據(jù)采集卡、SINAMICS S120組成硬件結(jié)構(gòu)，通過(guò)設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)控制、多種信號(hào)采集功能，并重點(diǎn)介紹了上位機(jī)軟件和實(shí)現(xiàn)方式，經(jīng)現(xiàn)有臺(tái)架改造和測(cè)試，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速控制和信號(hào)采集功能，能夠滿足液壓閥板測(cè)試要求。

關(guān)鍵詞：LABVIEW 伺服電機(jī)控制 數(shù)據(jù)采集

Abstract：For the hydraulic valve plate of automobile transmission with dual pump structure， it is necessary to control the oil supply of dual pumps independently in the process of test and verification. A motor control and data acquisition system is proposed， in which the dual pumps are driven by servo motor， the upper computer is developed by LabVIEW platform， and the control current and pressure signals are collected and controlled in real time through the corresponding hardware equipment. The hardware structure of the system is composed of industrial control computer， can card， Ni data acquisition card and SINAMICS S120. The upper computer software is designed to realize the servo motor control and various signal acquisition functions， and the upper computer software and implementation mode are mainly introduced. After the existing bench transformation and testing， the system can realize the servo motor speed control and signal acquisition functions， and can meet the test requirements of hydraulic valve plate.

Key words：LABVIEW; Servo motor control; The data collection

1 引言

LABVIEW是一種圖形化的編程語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)環(huán)境，是美國(guó)國(guó)家儀器公司（簡(jiǎn)稱NI）開(kāi)發(fā)的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件，被公認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。近年來(lái)，隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，這一技術(shù)在測(cè)量與控制領(lǐng)域得到了快速且廣泛的應(yīng)用[1]。

作為SINAMICS系列驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的一員，SINAMICS S120是一個(gè)適用于機(jī)械設(shè)備制造領(lǐng)域的高性能應(yīng)用的模塊化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。SINAMICS S120面向及其廣泛的工業(yè)應(yīng)用提供了高性能的單軸和多軸驅(qū)動(dòng)，功率范圍涵蓋0.12～4500KW，具有廣泛的傳動(dòng)應(yīng)用價(jià)值。依托其良好的擴(kuò)展性和靈活性，可支持靈活的機(jī)床設(shè)計(jì)，并且可以快速實(shí)現(xiàn)定制的驅(qū)動(dòng)解決方案[2]。

2 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件組成

該系統(tǒng)由上位機(jī)（即工控機(jī)）、下位機(jī)（即西門子S120控制單元CU320-2-PN）、24V直流電源、電源模塊SLM、單軸電機(jī)模塊、同步電機(jī)1FT7、CAN卡以及NI數(shù)據(jù)采集卡等部件組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

伺服系統(tǒng)采用SINAMICS S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括：進(jìn)線電抗器、書(shū)本型非調(diào)節(jié)型電源模塊、控制單元CU320-2-PN、兩個(gè)書(shū)本型單軸電機(jī)模塊、兩個(gè)1FT7同步電機(jī)。

SINAMICS S120的控制器CU320-2-PN具有以下功能：數(shù)字量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出（選件）、自由功能模塊、驅(qū)動(dòng)控制圖（DCC）編程。其中，驅(qū)動(dòng)控制圖包括：邏輯運(yùn)算功能、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換、閉環(huán)控制、工藝功能和系統(tǒng)功能。在一些控制系統(tǒng)中，CU320-2-PN完成可以取代PLC的信號(hào)采集和運(yùn)算控制功能，這樣不但可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且可以降低成本。同時(shí)控制單元CU320-2-PN集成多種通訊方式，包括：PROFINET、EtherNet/IP、Modbus /TCP、CANopen等，基于現(xiàn)有的硬件設(shè)備和上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)采用LABVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)的情況下，采用Modbus/TCP通訊方式[3]最為簡(jiǎn)便，通過(guò)該協(xié)議可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度控制、轉(zhuǎn)矩控制和位置控制，其中該系統(tǒng)采用速度控制。

該系統(tǒng)中，閥板內(nèi)部的電磁閥由自動(dòng)變速箱控制單元TCU控制實(shí)際電流，目標(biāo)電流由上位機(jī)軟件控制并通過(guò)CAN總線發(fā)送，基于經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)儲(chǔ)備，硬件設(shè)備采用致遠(yuǎn)電子USBCAN系列CAN接口卡，型號(hào)為USBCAN-II，該接口卡兼容USB2.0全速規(guī)范，可支持2路CAN接口，PC機(jī)可通過(guò)USB連入CAN網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，且該系列設(shè)備擁有統(tǒng)一的接口函數(shù)，配以接口使用例程和接口使用說(shuō)明，可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行修改，同時(shí)具備以下優(yōu)點(diǎn)：具備體積小、便攜、即插即用等優(yōu)點(diǎn)；自帶電氣隔離模塊，使其避免由于地環(huán)流的損壞增強(qiáng)可靠性。

在進(jìn)行閥板內(nèi)部的電磁閥性能測(cè)試中，需實(shí)時(shí)采集壓力傳感器信號(hào)，以便進(jìn)行液壓閥板性能分析。上位機(jī)軟件基于LABVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)，NI提供的模塊化硬件、軟件、服務(wù)可以幫助更快速進(jìn)行測(cè)試，更高效地進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高測(cè)試可靠性，基于以上考慮，采用NI PCI6225數(shù)據(jù)采集卡來(lái)采集多路壓力傳感器信號(hào)。

3 軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.1 下位機(jī)設(shè)置

準(zhǔn)備工作：

1.硬件，包括：控制單元CU320-2-PN、伺服驅(qū)動(dòng)器、CAN卡、NI數(shù)據(jù)采集卡、帶以太網(wǎng)口的電腦、網(wǎng)線等；

2.軟件，包括STARTER V5.4.2.1，CANtest，LABVIEW2020，WINDOWS 7；

在下位機(jī)中，控制單元CU320-2-PN已集成基本轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)控制程序，可通過(guò)SINAMICS調(diào)試軟件STARTER進(jìn)行配置和參數(shù)調(diào)整，其中Modbus協(xié)議是一種基于主站/從站結(jié)構(gòu)的通訊協(xié)議，通過(guò)Modbus寄存器訪問(wèn)過(guò)程數(shù)據(jù)和參數(shù)，但需在從站（下位機(jī)）一側(cè)指定對(duì)應(yīng)的控制字、狀態(tài)字和參數(shù)，相應(yīng)的映射關(guān)系可參考西門子驅(qū)動(dòng)功能手冊(cè)通訊篇章。針對(duì)本系統(tǒng)，通過(guò)STARTER進(jìn)行以下設(shè)置：建立S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工程；完成電機(jī)參數(shù)識(shí)別、靜態(tài)優(yōu)化、動(dòng)態(tài)優(yōu)化；配置CU320-2-PN的接口X100激活Modbus/TCP協(xié)議；配置從站一側(cè)Modbus寄存器、控制字、狀態(tài)字等參數(shù)。

3.2 LABVIEW中實(shí)現(xiàn)Modbus

控制單元CU320-2-PN使用以下Modbus功能代碼：

FC 03：holding register，用于從變頻器讀取數(shù)據(jù)；

FC 06：write single register，用于單個(gè)寄存器的寫入；

FC 16：write multiple register，用于多個(gè)寄存器的寫入。

上下位機(jī)數(shù)據(jù)交互包括：使能信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)、扭矩信號(hào)和溫度信號(hào)，在下位機(jī)設(shè)置部分中，已根據(jù)控制要求合理分配交互信號(hào)位置，故在本次上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)中，只需使用FC 03/FC16即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制和信號(hào)交互功能，LABVIEW中可通過(guò)Modbus庫(kù)進(jìn)行上下位機(jī)通信功能。

3.3 上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)軟件主要采用順序結(jié)構(gòu)和while循環(huán)作為整體框架，通過(guò)case選擇結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)置轉(zhuǎn)速波形和參數(shù)，該軟件的流程圖如圖2所示。

3.3.1 CAN總線通訊

根據(jù)CAN卡硬件設(shè)備的使用說(shuō)明，設(shè)計(jì)CAN通訊程序，CAN通訊控制程序如圖3所示，其中接口函數(shù)庫(kù)包括：打開(kāi)設(shè)備、初始化通道、啟動(dòng)通道、復(fù)位通道、接收CAN報(bào)文、發(fā)送CAN報(bào)文、關(guān)閉設(shè)備等函數(shù)。在硬件設(shè)備上電完成后，通過(guò)調(diào)用打開(kāi)設(shè)備接口函數(shù)進(jìn)行打開(kāi)設(shè)備操作，根據(jù)需求初始化所使用的通道CAN，再啟動(dòng)相應(yīng)通道的CAN，最后讀取CAN報(bào)文并進(jìn)行解析，其主要作用為從CAN總線中提取控制電磁閥的目標(biāo)電流，以便根據(jù)分析液壓閥板的IP特性。由于目標(biāo)電流的控制是通過(guò)已有的軟件進(jìn)行控制，故在本次的軟件設(shè)計(jì)中只需開(kāi)發(fā)CAN總線接收模塊，不對(duì)CAN總線發(fā)送模塊進(jìn)行開(kāi)發(fā)，能夠有效簡(jiǎn)化軟件程序結(jié)構(gòu)，減少多個(gè)模塊之間的影響，壓縮報(bào)文解析程序運(yùn)行時(shí)間，在CAN總線接收模塊中根據(jù)目標(biāo)控制電流在CAN報(bào)文矩陣的位置和換算關(guān)系進(jìn)行解析程序開(kāi)發(fā)，即可在LABVIEW中實(shí)現(xiàn)CAN報(bào)文中目標(biāo)電流的接收和解析。

3.3.2 多通道數(shù)據(jù)采集

多通道數(shù)據(jù)采集程序如圖4所示。

在DAQmx global channel中設(shè)置相應(yīng)的物理通道，即可以選擇單個(gè)通道，也可以根據(jù)需要，選擇多個(gè)連續(xù)通道；DAQmx create channel用來(lái)設(shè)置物理通道的測(cè)量類型和范圍（默認(rèn)為-5-5V），類型包括：模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出等多種類型，可滿足不同的需求；DAQmx start task.vi用于啟動(dòng)采集任務(wù)，DAQmx read用于提取已采集通道中的目標(biāo)通道和數(shù)據(jù)類型，為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)讀取數(shù)據(jù)功能，需把DAQmx read置于while循環(huán)當(dāng)中，采集完成后通過(guò)DAQmx clear task.vi來(lái)結(jié)束數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

3.3.3 伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速控制

由于該系統(tǒng)只需控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制單元CU320-2PN可取代PLC的信號(hào)采集和運(yùn)算控制功能，在上位機(jī)軟件中，只需設(shè)置使能信號(hào)和轉(zhuǎn)速指令即可實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)控制，故在上位機(jī)伺服電機(jī)控制模塊中，主要分為使能和轉(zhuǎn)速控制兩個(gè)部分，其中使能過(guò)程為，在建立Modbus/TCP通訊后先發(fā)送目標(biāo)指令0x147E來(lái)激活控制邏輯功能，再發(fā)送目標(biāo)指令0x147F來(lái)使能啟動(dòng)指令，表明控制單元和伺服器已準(zhǔn)備就緒，發(fā)送目標(biāo)轉(zhuǎn)速即可控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速。完成使能部分后，即可發(fā)送轉(zhuǎn)速控制指令，控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速。由于系統(tǒng)中采用雙電機(jī)模式，故在轉(zhuǎn)速控制模塊中需設(shè)置兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器模塊。

3.3.4 安全功能設(shè)置

由于本系統(tǒng)主要應(yīng)用于試驗(yàn)臺(tái)中，為了保證測(cè)試驗(yàn)證安全，需設(shè)計(jì)安全保護(hù)措施。主要是電機(jī)的安全保護(hù)，包括過(guò)流保護(hù)、限壓保護(hù)，超速保護(hù)和扭矩監(jiān)控。其中過(guò)流保護(hù)、限壓保護(hù)可通過(guò)西門子S120控制單元CU320-2-PN實(shí)現(xiàn)，控制單元中包含基本的控制邏輯和相應(yīng)的安全保證措施，可通過(guò)調(diào)試軟件START進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，但由于只能通過(guò)調(diào)試軟件讀取故障狀態(tài)，不便于測(cè)試人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障情況。故在上位機(jī)軟件中設(shè)計(jì)基本預(yù)警功能，包括電機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度、扭矩監(jiān)控，從控制單元中讀取電機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度、扭矩信號(hào)，在上位機(jī)中進(jìn)行與設(shè)計(jì)閾值比較，及時(shí)向測(cè)試人員預(yù)警，以便測(cè)試人員及時(shí)采取行動(dòng)，保護(hù)人員和設(shè)備安全。具體功能步驟如下：讀取目標(biāo)信號(hào)；目標(biāo)信號(hào)與閾值比較，分為兩個(gè)等級(jí)，一級(jí)警告提示，二級(jí)報(bào)警停機(jī)；根據(jù)相應(yīng)故障等級(jí)選擇目標(biāo)動(dòng)作，即僅提示不停機(jī)或停機(jī)。

3.3.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

該系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，需實(shí)時(shí)采集雙電機(jī)轉(zhuǎn)速、目標(biāo)控制電流、液壓閥板通道壓力信號(hào)，并存儲(chǔ)到相應(yīng)的文件中，以便后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。LABVIEW支持的文件類型包括：ASCII碼流文件、二進(jìn)制流文件、數(shù)據(jù)記錄文件、波形數(shù)據(jù)文件，由于在使用過(guò)程中，需要采集多個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)，同時(shí)測(cè)試時(shí)間的不確定性，采用以二進(jìn)制流文件格式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。LABVIEW采用數(shù)據(jù)流的方式執(zhí)行程序，為保障整個(gè)軟件程序的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性，不同的信號(hào)置于不同模塊中，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)之間的防干擾和提升程序執(zhí)行速度，而在不同模塊之間通過(guò)隊(duì)列功能進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，同時(shí)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中讀取所需存儲(chǔ)的信號(hào)，以二進(jìn)制流文件格式存儲(chǔ)到特定位置和特定文件名中。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)臺(tái)架改造和測(cè)試，采用工控機(jī)作為上位機(jī)，SINAMICS S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為下位機(jī)，以及CAN卡、NI數(shù)據(jù)采集卡等硬件設(shè)備，通過(guò)Modbus/tcp通訊協(xié)議進(jìn)行上位機(jī)與下位機(jī)通訊，采用LABVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集和電機(jī)控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)兩臺(tái)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速控制功能、數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)功能。為采用雙泵結(jié)構(gòu)的液壓閥板測(cè)試和工程應(yīng)用提供了新思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]Johnson G W，Jennings R.LABVIEW graphical programming【M】，New York：McGraw-Hill professional publishing，2001.

[2]西門子. SINAMICS S120和SIMOTICS. Siemens AG，2017.

[3]周文怡，方俊雅，朱子環(huán).基于LabVIEW與Modbus/TCP的伺服電機(jī)控制系統(tǒng).

[4]徐靖宸，任曉明，王夢(mèng)琪.基于MODBUS協(xié)議的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).

[5]姜斌，劉彥呈，孔凡金，等.基于Modbus/TCP的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[Z].低壓電器，2007（13）.