基于虛擬儀器技術(shù)的電機(jī)轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李茂亮，高敬貝，賈仁松，王 牣

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都 610031)

0 引言

近年來，隨著微型機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)性能測試也逐漸由傳統(tǒng)的手動操作被計(jì)算機(jī)所取代，并向著網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。本文利用虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種新型電機(jī)轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)。虛擬儀器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和儀器技術(shù)深度結(jié)合的產(chǎn)物，由計(jì)算機(jī)、相應(yīng)的硬件和專用軟件構(gòu)成，是計(jì)算機(jī)硬件資源、儀器與測控系統(tǒng)硬件資源和虛擬儀器軟件資源的有效結(jié)合[1]。

1 設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件LabVIEW

LabVIEW是一種圖形化的編程語言，包含了豐富的功能函數(shù)庫，視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了可滿足GPIB、VXI、RS－232和RS－485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通信的全部功能[2]，還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)的程序包括前面板和框圖程序兩部分。LabVIEW可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件，是一個真正的32位編譯器。

2 電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)旨在運(yùn)用LabVIEW 8.5和相關(guān)硬件設(shè)計(jì)一個電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量和實(shí)時顯示，且界面友好。其框圖如圖1示。

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于虛擬儀器的電動機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速編碼器模塊和NI ELVIS平臺兩部分組成。

本文中硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用轉(zhuǎn)速編碼器測量直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速編碼器由光電傳感器模塊，以及固定在直流電機(jī)軸上刻有一個凹槽的碼盤組成。其中光電傳感器模塊內(nèi)部有一個發(fā)光二極管及一個光敏三極管。

圖1 電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)框圖

直流電機(jī)每轉(zhuǎn)動一圈，凹槽對準(zhǔn)光源一次，光敏三極管的射極輸出一個正脈沖電壓，通過測量相鄰兩個脈沖間的時間間隔即周期，可得到直流電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈所用的時間，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速為該數(shù)值的倒數(shù)乘以60，即:直流電機(jī)轉(zhuǎn)速=1÷兩相鄰脈沖的間隔時間×60。

2.2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(1)轉(zhuǎn)速測量軟件系統(tǒng)的界面實(shí)現(xiàn)。

實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的軟件界面如圖2所示，界面分為控制區(qū)和顯示區(qū)兩部分?？刂茀^(qū)主要用于物理通道選擇設(shè)置、電機(jī)控制電壓設(shè)置，以及運(yùn)行停止的控制;顯示區(qū)主要用于信號、數(shù)據(jù)處理結(jié)果的顯示。

圖2 電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)界面

(2)轉(zhuǎn)速測量軟件系統(tǒng)的框圖程序。

電機(jī)轉(zhuǎn)速測量軟件系統(tǒng)的框圖程序如圖3所示，包括數(shù)據(jù)采集與顯示、電壓調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果顯示等。

圖3 電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)框圖程序

該轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的分析對象是電機(jī)轉(zhuǎn)速。這些轉(zhuǎn)速是經(jīng)過傳感器產(chǎn)生脈沖，經(jīng)由數(shù)據(jù)采集模塊采集，再經(jīng)數(shù)據(jù)處理后生成的結(jié)果值。因此，首先需要有數(shù)據(jù)采集與顯示模塊，該模塊的主要任務(wù)是將傳感器所產(chǎn)生的脈沖串進(jìn)行采集，并以一定的形式在界面上顯示出相應(yīng)的波形圖;然后程序從選擇物理通道開始，設(shè)定一定采樣的樣本率與頻率對該通道進(jìn)行電壓脈沖信號的采集;最后，將采集的結(jié)果數(shù)組一方面通過波形圖表控件顯示出相應(yīng)的波形，另一方面將其送入數(shù)據(jù)處理模塊。

3 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為兩部分:一部分由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通道接口板(PCI插槽)、總線驅(qū)動卡(PCI6251數(shù)據(jù)采集卡)和ELVIS平臺組成，主要完成速度采集、PID運(yùn)算、產(chǎn)生控制電機(jī)的控制電壓;另一部分由直流電動機(jī)、控制電壓的可變直流電源和光電脈沖電路組成。

電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的框圖如圖4所示，電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制實(shí)現(xiàn)方法有很多種，該設(shè)計(jì)采用的是PID控制。整個系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速測量和PID控制兩大功能模塊組成。

圖4 PID控制系統(tǒng)

在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，期望值和輸出值都是電機(jī)的轉(zhuǎn)速，測量裝置即為上文介紹的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。PID控制器所控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為NI ELVIS所提供的可調(diào)直流電源的電壓SUPPLY+，通過PID調(diào)節(jié)電壓來實(shí)現(xiàn)對被控對象直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。SUPPLY+可以通過對Variable Power Supplies這一Express VI來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，將其SUPPLY+端連入PID輸出電壓。

4 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的界面實(shí)現(xiàn)

電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的界面如圖5所示，界面分為控制區(qū)和顯示區(qū)兩大部分。在軟件界面中偏左部分為控制區(qū)，偏右部分為顯示區(qū)?？刂茀^(qū)主要用于物理通道設(shè)置、速度設(shè)定、調(diào)節(jié)電壓范圍設(shè)定及PID參數(shù)設(shè)置;顯示區(qū)主要用于設(shè)定速度與實(shí)時速度的波形顯示和轉(zhuǎn)速數(shù)值、PID輸出電壓的顯示。

圖5 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)界面

電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的總體框圖程序如圖6所示，包括轉(zhuǎn)速測量、PID控制、電壓調(diào)節(jié)、結(jié)果顯示四部分。

圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)框圖程序

在圖6中，PID控制系統(tǒng)的期望值通過速度設(shè)定旋鈕輸入PID的setpoint端，測量的轉(zhuǎn)速輸入process variable端，PID參數(shù)與output range這兩個簇中分別包含比例增益、積分時間、微分時間和最高、最低PID輸出電壓參數(shù)的設(shè)定，分別連接PID gains和output range輸入端。輸出端output即輸出PID控制電壓。

5 電機(jī)轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)測試

(1)電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的主要功能是實(shí)時顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速波形與數(shù)值。測試時，點(diǎn)擊程序的運(yùn)行與停止按鈕，將電壓分別調(diào)至3、4、5 V，得到如圖7所示的系統(tǒng)運(yùn)行檢測圖。

圖7 電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)運(yùn)行檢測圖

從圖7可以看出，數(shù)據(jù)采集部分顯示出的脈沖串明顯隨著電壓升高而變密，轉(zhuǎn)速也隨之上升?；緦?shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目的。

(2)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的快速控制。經(jīng)過多次調(diào)整與試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)PID參數(shù)分別設(shè)置為比例增益0.000 3、積分時間0.130、微分時間0.055時，可以得到較高的控制性能。將轉(zhuǎn)速分別設(shè)定為 3 000、4 000、5 000 r/min，得到如圖8所示系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測圖。由圖8可知，本文介紹的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對電機(jī)轉(zhuǎn)速的快速控制能力，基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目的。

圖8 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測圖

6 結(jié)語

以電機(jī)轉(zhuǎn)速測量理論與自動控制原理的相關(guān)知識為基礎(chǔ)，以LabVIEW軟件和NI ELVIS及其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為平臺，根據(jù)實(shí)際條件，設(shè)計(jì)了電機(jī)的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。該測量系統(tǒng)能夠?qū)﹄姍C(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量與實(shí)時顯示，控制系統(tǒng)能對電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)施較高精度的控制，能夠?yàn)橄嚓P(guān)系統(tǒng)的開發(fā)提供客觀的依據(jù)。

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