基于虚拟仪器技术的电机转速测控系统设计

李茂亮，高敬贝，贾仁松，王 牣

(西南交通大学电气工程学院，四川成都 610031)

0 引言

近年来，随着微型机技术的发展，电机性能测试也逐渐由传统的手动操作被计算机所取代，并向着网络化、智能化方向发展。本文利用虚拟仪器技术，设计出一种新型电机转速测控系统。虚拟仪器是现代计算机和仪器技术深度结合的产物，由计算机、相应的硬件和专用软件构成，是计算机硬件资源、仪器与测控系统硬件资源和虚拟仪器软件资源的有效结合[1]。

1 设计应用软件LabVIEW

LabVIEW是一种图形化的编程语言，包含了丰富的功能函数库，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了可满足GPIB、VXI、RS－232和RS－485协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能[2]，还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。用LabVIEW软件设计的程序包括前面板和框图程序两部分。LabVIEW可产生独立运行的可执行文件，是一个真正的32位编译器。

2 电机转速测量系统设计

该设计旨在运用LabVIEW 8.5和相关硬件设计一个电机转速测量系统，该系统能够实现电机转速的测量和实时显示，且界面友好。其框图如图1示。

2.1 硬件系统设计与实现

基于虚拟仪器的电动机转速测量系统的硬件系统由转速编码器模块和NI ELVIS平台两部分组成。

本文中硬件系统的设计采用转速编码器测量直流电机的转速。转速编码器由光电传感器模块，以及固定在直流电机轴上刻有一个凹槽的码盘组成。其中光电传感器模块内部有一个发光二极管及一个光敏三极管。

图1 电机转速测量系统框图

直流电机每转动一圈，凹槽对准光源一次，光敏三极管的射极输出一个正脉冲电压，通过测量相邻两个脉冲间的时间间隔即周期，可得到直流电机转动一圈所用的时间，直流电机的转速为该数值的倒数乘以60，即:直流电机转速=1÷两相邻脉冲的间隔时间×60。

2.2 软件系统的设计与实现

(1)转速测量软件系统的界面实现。

实现电机转速测量系统的软件界面如图2所示，界面分为控制区和显示区两部分。控制区主要用于物理通道选择设置、电机控制电压设置，以及运行停止的控制;显示区主要用于信号、数据处理结果的显示。

图2 电机转速测量系统界面

(2)转速测量软件系统的框图程序。

电机转速测量软件系统的框图程序如图3所示，包括数据采集与显示、电压调节、数据处理、结果显示等。

图3 电机转速测量系统框图程序

该转速测量系统的分析对象是电机转速。这些转速是经过传感器产生脉冲，经由数据采集模块采集，再经数据处理后生成的结果值。因此，首先需要有数据采集与显示模块，该模块的主要任务是将传感器所产生的脉冲串进行采集，并以一定的形式在界面上显示出相应的波形图;然后程序从选择物理通道开始，设定一定采样的样本率与频率对该通道进行电压脉冲信号的采集;最后，将采集的结果数组一方面通过波形图表控件显示出相应的波形，另一方面将其送入数据处理模块。

3 电机转速控制系统的设计

电机转速控制系统的设计分为两部分:一部分由计算机数据通道接口板(PCI插槽)、总线驱动卡(PCI6251数据采集卡)和ELVIS平台组成，主要完成速度采集、PID运算、产生控制电机的控制电压;另一部分由直流电动机、控制电压的可变直流电源和光电脉冲电路组成。

电机转速控制系统的框图如图4所示，电机转速的控制实现方法有很多种，该设计采用的是PID控制。整个系统由转速测量和PID控制两大功能模块组成。

图4 PID控制系统

在电机转速控制系统的设计中，期望值和输出值都是电机的转速，测量装置即为上文介绍的电机转速测量系统。PID控制器所控制的执行机构为NI ELVIS所提供的可调直流电源的电压SUPPLY+，通过PID调节电压来实现对被控对象直流电机的转速调节。SUPPLY+可以通过对Variable Power Supplies这一Express VI来实现调节，将其SUPPLY+端连入PID输出电压。

4 电机转速控制系统的界面实现

电机转速控制系统的界面如图5所示，界面分为控制区和显示区两大部分。在软件界面中偏左部分为控制区，偏右部分为显示区。控制区主要用于物理通道设置、速度设定、调节电压范围设定及PID参数设置;显示区主要用于设定速度与实时速度的波形显示和转速数值、PID输出电压的显示。

图5 电机转速控制系统界面

电机转速控制系统的总体框图程序如图6所示，包括转速测量、PID控制、电压调节、结果显示四部分。

图6 电机转速控制系统框图程序

在图6中，PID控制系统的期望值通过速度设定旋钮输入PID的setpoint端，测量的转速输入process variable端，PID参数与output range这两个簇中分别包含比例增益、积分时间、微分时间和最高、最低PID输出电压参数的设定，分别连接PID gains和output range输入端。输出端output即输出PID控制电压。

5 电机转速测控系统测试

(1)电机转速测量系统的主要功能是实时显示电机转速波形与数值。测试时，点击程序的运行与停止按钮，将电压分别调至3、4、5 V，得到如图7所示的系统运行检测图。

图7 电机转速测量系统运行检测图

从图7可以看出，数据采集部分显示出的脉冲串明显随着电压升高而变密，转速也随之上升。基本实现了设计目的。

(2)电机转速控制系统的主要功能是实现对电机转速的快速控制。经过多次调整与试验，发现当PID参数分别设置为比例增益0.000 3、积分时间0.130、微分时间0.055时，可以得到较高的控制性能。将转速分别设定为 3 000、4 000、5 000 r/min，得到如图8所示系统运行监测图。由图8可知，本文介绍的电机转速控制系统实现了对电机转速的快速控制能力，基本实现了设计目的。

图8 电机转速控制系统运行监测图

6 结语

以电机转速测量理论与自动控制原理的相关知识为基础，以LabVIEW软件和NI ELVIS及其数据采集系统为平台，根据实际条件，设计了电机的转速测量系统和控制系统。该测量系统能够对电机转速进行测量与实时显示，控制系统能对电机转速实施较高精度的控制，能够为相关系统的开发提供客观的依据。

[1]张金美.基于虚拟仪器的电机测试系统的研究[D].江苏:江南大学，2008.

[2]王颖，张慰中.基于LabVIEW的电机测控系统设计[J].微计算机信息，2008，24(10-1):114-115.

[3]崔焱.基于光电编码器轴的转速测量系统设计实例[J].机械管理开发，2007(5):74-75.

[4]祝龙记.DSP控制的电动机转速测量方法的实现[J].安徽理工大学学报(自然科学版)，2005(3):45-49.