基于ELVIS 和LabVIEW 的直流電機轉(zhuǎn)速檢測與控制

高軍芳，鄭華文

（昆明理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，昆明 650093）

隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，能將電能轉(zhuǎn)換成機械能的電機，已取代我們的大量體力工作，完成許多人類做不到的事情。微特電機由于其低功耗、低噪聲、多級調(diào)速、精確控制等特點，廣泛應(yīng)用于家庭電風(fēng)扇、電吹風(fēng)、醫(yī)療設(shè)備等各種器械中，而許多設(shè)備都有對電機速度調(diào)節(jié)的要求，尤其是醫(yī)用儀器中，這便需要較為精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)速檢測與控制。微特電機種類繁多，最常用的當(dāng)屬直流電動機[1-3]。本文基于ELVIS 和LabVIEW 設(shè)計搭建了直流電機轉(zhuǎn)速檢測與控制系統(tǒng)，能夠使學(xué)生更加深入地掌握電機理論知識的同時也對測控系統(tǒng)的架構(gòu)有更加具體形象的認(rèn)識，為以后更復(fù)雜更深入的測控系統(tǒng)開發(fā)做準(zhǔn)備。

選用美國國家儀器公司的實驗室教學(xué)虛擬儀器套件NI ELVIS II，它由 LabVIEW 圖形化系統(tǒng)設(shè)計工具、USB M 系列數(shù)據(jù)采集卡和原型工作臺組成，集成12 種最常用儀器。在原型面包板兩邊分別列出 ELVIS 所有的信號終端，再通過電纜連接至 USB 數(shù)據(jù)采集卡到軟面板。LabVIEW 是一種圖形化的編程語言，在很多領(lǐng)域得到了充分的利用，如測試測量和控制仿真，其基于數(shù)據(jù)流的編程思想和友好的人機交互界面為用戶提供了很多便利。采用 NI ELVIS 虛擬儀器實驗教學(xué)平臺和LabVIEW 圖形化編程軟件，可以實現(xiàn)測控綜合實驗教學(xué)的創(chuàng)新改革。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

分別采用光電傳感器和霍爾傳感器對直流電機的速度進(jìn)行檢測，將速度轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后通過ELVIS 實驗板及輔助電路對電壓信號進(jìn)行采集輸送給上位機LabVIEW 軟件，進(jìn)行計算后顯示出實時轉(zhuǎn)速[4]。轉(zhuǎn)速控制使用的原理是改變電機的電樞電壓，利用PID 控制對電機的當(dāng)前速度和設(shè)定速度進(jìn)行比較分析，然后根據(jù)設(shè)定的PID 參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，將電壓通過采集卡的輸出口輸出給電動機使其轉(zhuǎn)速改變，直到實際轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)速一致即完成對電機轉(zhuǎn)速的控制[5-7]。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1 所示，軟件程序流程圖如圖2 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

圖2 軟件程序流程圖

2 轉(zhuǎn)速測量與控制

2.1 光電測速

光電傳感器是利用光電效應(yīng)來實現(xiàn)測量的，它包括發(fā)射器、接收器和探測器。本文測試使用槽型光電傳感器，當(dāng)被探測對象經(jīng)過凹槽時，發(fā)射器發(fā)射紅外線或可視光線被阻斷，接收器接收不到信號輸出一個高電平電壓，當(dāng)光線被接收到輸出一個低電平電壓，這樣就形成了脈沖波形[8]，傳感器實物圖如圖3 所示。由于電機的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致傳感器無法直接從輸出軸上采集到信號，所以需制作一個碼盤套在輸出軸上，每個碼盤上都有一定數(shù)量的光柵，電機每旋轉(zhuǎn)一次，就能產(chǎn)生脈沖信號。本文測試碼盤使用 SolidWorks 建模之后進(jìn)行3D 打印，有6 個光柵，因而電機每旋轉(zhuǎn)一次能夠產(chǎn)生6 個脈沖信號。測速碼盤形狀如圖4 所示。

圖3 光電傳感器實物圖

圖4 測速碼盤

電機的轉(zhuǎn)速N等于采集卡讀取到的信號每秒頻率，將頻率轉(zhuǎn)化為分鐘，再除以碼盤上光柵的數(shù)量6 就是減速后電機每分鐘的轉(zhuǎn)速，再將其乘上直流電機的減速比就是電機的實際轉(zhuǎn)速[9-10]，即：

式中：N是電機轉(zhuǎn)速，單位r/min；f是頻率，單位Hz；i為減速比（本測控系統(tǒng)所選電機減速比為21.3）。

2.2 霍爾測速

霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理研制的一種新型的磁場傳感器，本次測驗所使用的霍爾傳感器是集成在直流電機尾部的，如圖5 所示。電機轉(zhuǎn)動帶動裝有磁體的圓盤轉(zhuǎn)動，圓盤兩邊的霍爾傳感器感應(yīng)電機轉(zhuǎn)動帶來的磁場變化，將其轉(zhuǎn)換為電信號，再通過相應(yīng)的線路輸出給采集卡[11]。本次測試霍爾傳感器電機每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的脈沖數(shù)是12，因而其轉(zhuǎn)速表示為：

圖5 帶霍爾傳感器的電機

2.3 轉(zhuǎn)速控制

本次測試?yán)昧薖ID 控制，PID 控制器是一種閉環(huán)系統(tǒng)，它隨時根據(jù)后邊的反饋結(jié)果進(jìn)行調(diào)節(jié)，使設(shè)定的數(shù)值與最后輸出的數(shù)值趨于一致。如圖6 所示，圖中r（t）代表一個給定的輸入值，c（t）是一個真實的輸出數(shù)值，e（t）表示兩個數(shù)值之間的偏差，u（t）表示每次反饋的修正量[7]。

圖6 PID 控制原理

3 上位機測試及控制程序

3.1 程序架構(gòu)

選擇LabVIEW 最經(jīng)典的生產(chǎn)者/消費者模式來進(jìn)行程序架構(gòu)。生產(chǎn)者/消費者設(shè)計模式是多線程編程中最重要的設(shè)計模式，是事件處理器和狀態(tài)機處理器加上隊列消息處理器相結(jié)合而構(gòu)成的復(fù)合設(shè)計模式。生產(chǎn)者循環(huán)作為主循環(huán)控制著所有的消費者循環(huán)并且使用通信技術(shù)與各消費者循環(huán)進(jìn)行通信[12]，如圖7 所示。

圖7 生產(chǎn)者/消費者模式

3.2 測控系統(tǒng)程序設(shè)計

在生產(chǎn)者循環(huán)的事件結(jié)構(gòu)中設(shè)置4 個事件，每個事件里設(shè)定好相應(yīng)的觸發(fā)按鈕，按下對應(yīng)的按鈕后消費者就開始循環(huán)運行對應(yīng)的程序。消費者循環(huán)主要是運行光電測速和霍爾測速的具體程序，在狀態(tài)機中設(shè)置3 個事件分支：光電測控分支、霍爾測控分支及一個退出。采集和測量程序分別調(diào)用DAQ 助手和Express 中信號分析模塊的幅值和電平測量VI、信號的時間和瞬態(tài)測量VI。PID 控制調(diào)用控制與仿真模塊中的PID 子VI，設(shè)置PID 增益，通過DAQ 助手控制ELVIS 上的vpsPos端電壓控制電機轉(zhuǎn)速。圖8 為部分程序框圖，圖9為直流電機轉(zhuǎn)速檢測與控制前面板。

圖8 部分程序框圖

圖9 直流電機轉(zhuǎn)速檢測與控制前面板

4 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

4.1 硬件設(shè)備的搭建

本次直流電機轉(zhuǎn)速檢測與控制系統(tǒng)硬件部分都是在NI ELVIS 實驗平臺上搭建，其不僅有面包板、內(nèi)置數(shù)據(jù)采集卡、各種硬件接口，還配有12 種虛擬儀器，方便硬件設(shè)備的搭建和調(diào)試。ELVIS 硬件設(shè)備連接圖如圖10 所示，硬件實物連接圖如圖11 所示。

圖10 硬件設(shè)備連接圖

圖11 硬件實物連接圖

4.2 實驗結(jié)果及分析

首先采用光電測速來調(diào)整PID 控制參數(shù)，相應(yīng)參數(shù)下的控制波形[13-15]，如圖12 所示，由圖中波形比較可看出，在P=0.001,I=0.020 時調(diào)整效果最好，此時的參數(shù)已能夠滿足系統(tǒng)的控制要求，因而不需要引入D參數(shù)。在這兩個參數(shù)下，轉(zhuǎn)速檢測與控制顯示如圖13 和圖14所示。圖13 中顯示每秒鐘8 個脈沖，帶入光電測速公式得轉(zhuǎn)速為：

圖12 不同PID 參數(shù)下的控制波形

圖13 光電測速及控制顯示

圖14 霍爾測速及控制顯示

實測轉(zhuǎn)速1 690 r/min 與理論值誤差為8.2%。圖14 中顯示200 ms 有31 個脈沖，則1 s 有155 個脈沖，因為霍爾傳感器端沒有帶減速器，所以其脈沖數(shù)較多，帶入霍爾測速計算公式得轉(zhuǎn)速為：

實測轉(zhuǎn)速779 r/min 與理論值誤差為5.2%，測試結(jié)果比較理想。但是霍爾測速的電壓脈沖波形有輕微地失真，轉(zhuǎn)速控制波動也比較大，如圖14所示。經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試分析和資料查閱，是因為霍爾傳感器采集的是未經(jīng)減速的轉(zhuǎn)速，采集卡采集到的信號頻率非常高，程序上波形圖表的處理能力不足就會導(dǎo)致信號失真，控制部分波動就較大，解決此問題的辦法是在霍爾測速端加一個減速器。

5 教學(xué)過程及效果

5.1 教學(xué)實施過程

工程測試技術(shù)是機電工程專業(yè)非常重要的一門課程而實踐環(huán)節(jié)是必不可少的組成部分。以往的工程測試技術(shù)實驗都是老師在前面演示，學(xué)生在后面跟著做，老師再根據(jù)測試數(shù)據(jù)是否正確進(jìn)行打分，實驗相對容易且單一，無論是對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)還是對系統(tǒng)概念的建立抑或是項目開發(fā)能力的培養(yǎng)，都極為不利。為了讓學(xué)生盡早地接觸項目開發(fā)和系統(tǒng)設(shè)計，鞏固基礎(chǔ)知識的同時鍛煉學(xué)生的動手能力，拓展學(xué)生的創(chuàng)新思維，學(xué)院針對大二第二學(xué)期學(xué)生的工程測試技術(shù)課程提出了基于ELVIS 和LabVIEW 的直流電機轉(zhuǎn)速檢測與控制的測控系統(tǒng)實驗。

首先，學(xué)生要對NI ELVIS 實驗平臺進(jìn)行學(xué)習(xí)和熟悉，包括硬件部分和軟件部分，并掌握各個模塊的功能。其次，學(xué)生對圖形化的編程軟件LabVIEW 進(jìn)行學(xué)習(xí)，包括如何進(jìn)行程序框圖的編寫和軟件界面的設(shè)計，還要學(xué)習(xí)如何進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和硬件控制等主要程序。接著，學(xué)生還要對直流電機的原理進(jìn)行學(xué)習(xí)和掌握，了解其轉(zhuǎn)速計算方法、測量方法及軟件控制方法。此外，學(xué)生對各種傳感器尤其是光電傳感器和霍爾傳感器進(jìn)行理論學(xué)習(xí)，掌握光電傳感器和霍爾傳感器的原理和應(yīng)用，并通過軟件進(jìn)行控制和信息采集。準(zhǔn)備工作完畢后，學(xué)生開始制定方案（方案允許多樣化），方案論證，并完成設(shè)計及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。最后學(xué)生進(jìn)行經(jīng)驗分享和總結(jié)，并完成實驗報告。圖15為測控系統(tǒng)實驗實施過程。

圖15 測控系統(tǒng)實驗實施過程

5.2 教學(xué)效果

因為基于ELVIS 和LabVIEW 的直流電機轉(zhuǎn)速檢測與控制實驗與理論知識緊密的結(jié)合，將硬件設(shè)計、軟件編程、電機理論知識、傳感器原理、傳感器選型及應(yīng)用、PID 控制原理、數(shù)據(jù)采集原理及方法等相互綜合，從基礎(chǔ)出發(fā)培養(yǎng)學(xué)生多方面的能力。從兩年的實際授課經(jīng)歷看，收到了事半功倍的效果，學(xué)生對專業(yè)知識的學(xué)習(xí)更系統(tǒng)更全面，對理論應(yīng)用實踐更靈活，無論是課程設(shè)計、參加大賽，還是跟著學(xué)業(yè)導(dǎo)師做項目也更加游刃有余。

從學(xué)生的主觀能動性方面也表現(xiàn)出更大的積極性、更濃厚的興趣。尤其是對基于數(shù)據(jù)流的圖形化編程軟件LabVIEW，學(xué)生根據(jù)自己的想法通過調(diào)用相應(yīng)的模塊編寫程序框圖，控制相應(yīng)的硬件，第一次感受到了編程的樂趣，樹立了自信心。此外，對傳感器知識的學(xué)習(xí)，對傳感器原理的探究及選型，使學(xué)生產(chǎn)生了強烈的好奇心，打開了日后做更深層次研究的大門。本次測控系統(tǒng)實驗從以前被老師牽著走，到現(xiàn)在主動地去探索、去擴充知識尋求解決問題的辦法，有能力的同學(xué)進(jìn)行擴充和創(chuàng)新，都是一個質(zhì)的飛躍。

實驗報告的內(nèi)容也不再是簡單的表格中測量數(shù)據(jù)的填寫，取而代之的是系統(tǒng)方案的設(shè)計和論證、硬件電路的搭建、軟件程序的編寫、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及測試結(jié)果、整個過程中遇到的問題以及解決辦法、經(jīng)驗分享和總結(jié)。從兩年的實際授課經(jīng)歷來看，實現(xiàn)了不及格率為零，大部分學(xué)生成績優(yōu)良。學(xué)生課后的匿名問卷調(diào)查部分截圖如圖16 所示。實驗報告內(nèi)容及所占比重如圖17 所示。

圖16 學(xué)生問卷調(diào)查部分截圖

圖17 實驗報告內(nèi)容及所占比重

6 結(jié)束語

本實驗以本科生專業(yè)課“工程測試技術(shù)”為學(xué)習(xí)背景，以應(yīng)用最廣泛的電機為測量對象，電機最重要的參數(shù)轉(zhuǎn)速為測量目標(biāo)，選用NI ELVIS為實驗平臺，利用光電傳感器、霍爾傳感器等典型傳感器，以及電阻、運放等元件在NI ELVIS 上搭建硬件電路，在LabVIEW 中編寫測控程序，通過ELVIS 的采集端口將采集信號傳輸給上位機LabVIEW 測試程序，完成對直流電機轉(zhuǎn)速的測量；同時上位機LabVIEW 測試界面設(shè)置轉(zhuǎn)速，通過PID 控制程序控制直流電機輸入電壓，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速與設(shè)定值一致，整個測控系統(tǒng)的測量效果和控制效果較理想地達(dá)到了教學(xué)設(shè)計的要求。課堂實驗和課外學(xué)習(xí)相結(jié)合，自主操作學(xué)習(xí)為主，體現(xiàn)了教學(xué)的廣度和深度，為培養(yǎng)學(xué)生的綜合動手能力起到了非常重要的作用。