基于LabVIEW的電機轉速顯示與控制系統設計

謝 樂

(貴州理工學院工程訓練中心,貴州 貴陽 550003)

0 引言

在傳統的實驗教學中,部分實驗儀器較為老舊,且價格昂貴,導致更新困難。而實驗教學要求與時俱進,跟上時代的發展,根據工業、科技的發展而更新教學內容。滯后的實驗設備難以滿足當前實驗教學要求,這在一定程度上制約了實驗教學的發展和教學質量的提高[1]。且在實驗教學過程中,對于實驗數據的實時監測也十分重要。

本文利用先進的虛擬儀器技術,基于LabVIEW軟件設計出直流電機的轉速曲線顯示和控制系統,用于電機實驗教學,以提高實驗教學水平和質量。

1 系統總體方案設計

LabVIEW是由美國國家儀器(NI)公司研制開發的一種基于圖形化編輯語言的程序開發環境,集成了龐大的函數庫,便于使用者能夠快速構建出目標軟件,能夠幫助開發者快速解決問題、提高生產力和不斷創新。在此,以LabVIEW軟件為核心,設計并搭建了針對有刷直流電機的速度顯示與控制系統。系統整體設計方案如圖1所示。

圖1 系統總體方案

由圖1可知,系統上電后,由LabVIEW上位機發送電機啟動指令,STM32單片機接收到啟動指令后以PWM方式、L298N為載體驅動直流電機運轉,同時,通過連接于電機轉軸上的霍爾傳感器進行測速,并在濾波、速度轉換處理后將速度值上傳至上位機,上位機則以波形實時顯示當前實際轉速。

2 系統硬件介紹

2.1 電機驅動模塊

一般來說,電機的驅動需要較大的電流,而單片機IO口的輸出電流遠遠達不到要求,所以需要在電機和單片機之間加上電路進行驅動,且此驅動電路單獨供電,由單片機控制電路中開關器件的通斷。對于有刷直流電機而言,最常見的驅動電路就是H橋式,如圖2所示。H橋式驅動電路可以采用PWM方式,調節占空比來實現對電機的調速,此時PWM頻率一般在10～20 kHz,頻率太低會導致電機轉速過低,產生較大噪聲,頻率太高則會因為MOS管的開關損耗而降低效率。在本系統設計中選用了ST公司的L298N驅動芯片,其內含有2個H橋式電路,可以用來驅動直流電機和步進電機,具有電壓高、電流大及工作性能穩定等特點[2]。

圖2 H橋式驅動電路

2.2 霍爾信號采集方法

在本設計中電機轉速獲取是通過霍爾傳感器方式實現的,在電機轉軸上連接有霍爾傳感器模塊,模塊結構如圖3所示。傳感器產生的脈沖信號如圖4所示。

圖3 霍爾傳感器模塊

圖4 霍爾脈沖信號

由圖4可知,可產生A、B兩相脈沖信號,一方面通過單片機采集脈沖數量,即可計算出電機的實時轉速;另一方面,還可通過A、B兩相脈沖觸發的先后順序來確定電機轉動方向。

3 系統軟件設計

3.1 PID算法實現

PID控制是目前工業控制中最常用,也是最經典的控制算法,具備原理簡單、使用方便、魯棒性強等優點[3-4]。為實現對電機速度的精確控制,在控制系統中加入位置式PID閉環控制算法,為

u(k)=KP·e(k)+KI·∑i=0e(i)+KD·[e(k)-

e(k-1)]

(1)

e(k)為設定轉速和實際轉速之間的差值;u(k)為PID算法結果輸出;KP為比例系數;KI為積分系數;KD為微分系數。

圖5為PID閉環控制框圖。由圖5可知,在設定好目標轉速并啟動電機后,單片機能夠根據霍爾編碼器所產生的脈沖值計算出當前電機實時轉速,并與設定轉速作差,將偏差輸入PID控制器中,以此來調整PWM占空比,實現對電機速度的精確控制。

圖5 PID閉環控制框圖

3.2 LabVIEW上位機設計

LabVIEW可以讓用戶快捷搭建出自己所需的顯示與操作界面。在科研或實驗教學準備階段,隨時可以根據需求調整界面功能,具備極好的便捷性和靈活性。

本系統所設計上位機軟件功能主要包括:1)速度設定,可在實驗過程中隨時更改電機轉速設定,上位機會通過串口將設定指令發送至STM32控制器,進而改變電機轉速;2)轉速顯示,既可波形方式顯示,也可顯示轉速數值。波形顯示可較直觀地觀測到速度的變化過程,便于用戶分析。

本系統上位機軟件讀取數據與顯示轉速波形的程序框圖如圖6所示。LabVIEW已集成了用于串口通信的NI-VISA模塊,包括串口初始化、串口讀寫、關閉串口等功能。在配置好串口通道、波特率等參數后,STM32單片機即可將速度值通過串口發送至上位機,并通過波形圖表模塊進行實時顯示。

圖6 LabVIEW程序框圖

4 系統測試與結果分析

根據上述軟硬件搭建基于LabVIEW和STM32的直流電機速度波形顯示與控制實驗系統并進行了測試。測試主要參數如下:

(1)選用一款帶霍爾傳感器的有刷直流電機,額定電壓8 V,空載額定轉速366±26 r/min,霍爾編碼器工作電壓5 V。其中電機驅動電壓由直流電源供電,霍爾編碼器可直接由STM32板載5 V供電。

(2)上位機與STM32之間通過串口方式進行通信,串口參數設置波特率為19 200,數據位為8位,停止位為1,無校驗位。

(3)PID算法由STM32單片機編程實現,控制循環時間為50 ms,PID參數設置為KP=2,KI=0.2,KD=0。

在上述參數條件下進行了系統測試。在啟動后,設定電機以50 r/min運行,然后通過上位機修改轉速設定值為250 r/min,得到如圖7所示轉速變化的實時曲線圖。由圖7中曲線變化情況可以看出,單片機在接收到上位機的速度修改指令后,能夠迅速響應,通過PID控制算法自動調節PWM輸出占空比,進而使得電機轉速快速達到設定值。雖然在調節過程中轉速有所波動,但在合理范圍內。說明PID參數設定較為合理,系統具備良好的調速性能。

圖7 轉速波形顯示

5 結語

使用LabVIEW軟件進行電機轉速的顯示與控制界面的編程,簡單快捷,靈活高效,還可隨時根據需求來調整功能。通過實驗可知,此系統能準確實現對電機轉速的控制與顯示,且電機轉速的實時顯示,使實驗過程更直觀,便于及時調整實驗,有利于實驗教學的發展和教學質量的提高。