基于LabVIEW直流电机转速测控系统的设计

基于LabVIEW直流电机转速测控系统的设计
张应和
【摘要】电机转速的精确度、实时性和稳定性直接影响电机调速系统的性能,文中介绍了一款基于LabVIEW软件平台的直流电动机转速测量控制系统,利用增量式光电编码器将电机的转速转换为脉冲信号,通过计算机LabVIEW软件里的用户界面对电机转速进行设定,设定范围为0～2500 r/min;经过多次调试,得出理想的PID控制参数(P=1,I=1.2,D=0);再通过数据采集卡输出给电机驱动芯片来完成对电枢电压的控制,最后发现当直流电机电枢电压控制在0～2.8 V范围内,电机实际输出转速为最佳状态.
【期刊名称】《电子设计工程》
【年(卷),期】2019(027)012
【总页数】5页(P66-70)
【关键词】LabVIEW;PID;数据采集;电机转速
【作者】张应和
【作者单位】西安铁路职业技术学院机电工程学院,陕西西安 710026
【正文语种】中文
【中图分类】TN6
目前，国内大多数大专高职院校都采用传统的实验教学方法，侧重于理论验证和模仿训练，内容模式固定，学生思维限定僵化，缺乏创新意识和综合应用能力，难以
调动学生的主动性和创造性，从而在很大程度上制约了实验教学的发展和人才培养质量的提高，严重影响了教学及科研，本文采用LabVIEW软件开发平台，在结合国内外电机测试系统的基础上，研究并设计了这款基于LabVIEW的直流电动机转速测控系统，用于传感器实验教学，以提高实验教学水平和教学质量[1]。

1 系统总体设计
该电机转速测控系统是结合目前已有的实验仪器及设备来搭建和设计的，设计思路如图1所示，先启动直流电动机，利用增量式光电编码器来采集直流电机的转速，然后将采集到的转速信号转换脉冲信号输送给数据采集装置的输入端口，数据采集装置将信号进行A/D转换后输送给计算机，通过计算机LabVIEW虚拟仿真软件
对系统控制参数进行设定，再利用PID控件来实现对电机转速的调控，之后再通
过数据采集装置进行D/A后输送至直流电机的驱动芯片，即通过改变直流电机的
电枢电压的大小，从而改变电机的转速来到达系统的要求[2]。

使得该系统具有自
动化程度高、使用方便、安全性好、用户交互性高及适应性强等特点[3、16]。

图1 测控系统设计流程图
2 系统硬件介绍
2.1 增量式光电编码器
光电编码器一种通过光电转换将输出轴的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。

本系统采用型号为ESN-40的增量式光电编码器，如图2（a）所示。

工作
电压为DC5 V，具有360、400及600脉冲/转等多种脉冲输出形式，最大机械转速为2 000转/分，具有体积小、重量轻、性能高及安装方便等优点[4]。

工作时输出A、B、Z三路脉冲信号，如图2（b）所示。

通常用脉冲信号A、B的前后顺序来判定方向（A信号超前B信号90°，即1/4个节距），脉冲信号A、B 单位时间内的脉冲数来计算转速；脉冲信号Z为零标志脉冲信号，作为测量的起
始基准。

图2 光电编码器及其输出波形图
2.2 数据采集装置
所谓的数据采集过程，是将传感器或其它检测设备输出的模拟或数字信号，通过转换后送到送到上位机（计算机）中进行分析、处理及输出的过程。

本系统采用的是国产的USB-2000A系列数据采集卡，它是一种基于USB总线的数据采集片，可
直接和计算机的USB接口相连，完成数据采集、波形分析和系统处理。

使用方便，可以通过USB接口与上位机直接连接，主要包模拟输入（AI）、模拟输出（AO）、数字量输入/输出（DI/DO）及定时器/计数器（T/C）。

其结构如图3所示，实验中，编码器信号分别经A/D，转换 DI和CNT通道进行采集，在LabVIEW编程
时可以采用不同的处理方法得到转速值[5]。

图3 USB2000A数据采集卡结构图
表1 L298N电机驱动芯片控制信号真值表旋转控制端控制端控制端控制端输入PWM信号改变脉宽可调速方向IN1IN2IN3IN4调速端A 调速端B正转高低/ / 高/反转低高/ / 高/停止低低//高/
2.3 电机驱动装置
电机驱动装置集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件的驱动装置，利用它可
以与主处理器、电机和增量式光电编码器构成一个完整的运动控制系统。

可以用来驱动直流电机、步进电机和继电器等感性负载。

本系统电机驱动装置采用ST公司生产的L298N电机驱动芯片，具有电压高、电
流大及工作性能稳定等特点。

该芯片采用15脚封装。

主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46 V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3 A，持续工作电流为
2 A；内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，内部结构如图4所示[6]。

可
以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工
作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路[7]。

L298N电机驱动芯片控制信号真值表如表1所示。

图4 L298N芯片结构图
3 系统软件设计
LabVIEW虚拟仿真软件可以提供很多外观与传统测量仪器类似的控件，便于创建
用户界面。

用户界面（前面板）是控制系统中虚拟仪器的重要组成部分，系统中的控制参数设置、测试结果显示等功能都是通过软件监测及实现，因此要求用户界面（前面板）简单明了，便于使用[8]。

本系统的用户界面利用LabVIEW软件来实现，前面板的控件设计布局如图5所示，主要包括：电压的波形显示模块、电机实时
转速监测模块、PID参数设置模块、输出电压范围及转速的调节模块等[9]。

通过
用户界面来设定PID控制参数数以及电压，启动电机运行，然后通过框图的各部
分功能的实现，从而得到了实时的速度图形，以及过程速度变化情况[6]。

4 PID控制
PID控制是目前工业控制中最常用的技术手段之一。

具有原理简单、使用方便、性能可靠、调整方便等优点[10-11]。

图5 系统用户界面
本系统中电机的转速也采用PID控制器来实现控制要求[12]。

PID控制器参数整定是控制系统设计的核心内容，PID控制器参数整定方法很多，常用的有主要有两种：一是理论计算整定法，主要依据系统数学模型，理论计算确定控制参数；这种方法所得到的计算数据未必可以直接应用。

二是工程整定法，主要依赖工程经验和控制软件，直接在控制系统试验中进行，方法简单，被工业控制中广泛采用。

系统采用第二种工程整定法中的临界比例法。

用户只需安装上PID控制软件工具包，通过
工具包来调用一系列PID的参数，从而找出理想的控制参数[10]。

根据工具包对PID参数进行调节时，因为电机的电枢电压控制在0～5 V的输出范围内，所以调节参数P时不宜太大。

初始先选取P=0.1，I=0，D=0，如图6所示，发现电机实际输出转速数据振荡非常厉害，因此不能采用；再次尝试通过调整I的值来减少系统误差，设P=0.1，I=0.1，D=0，如图7所示，发现电机实际输出转速数据仍然在振荡，控制效果并没有出现明显的改善。

这时候继续把P值向上调，设P=1，I=0.1，D=0，如图8所示，这时候发现电机实际输出转速数据振荡明显减少了，但是由于调节时间太长，导致系统输出误差增大，所以需要通过增大I值来减少系统的输出误差。

继续调整PID控制参数，设P=1，I=0.5，D=0，如图9所示，发现电机实际输出转速数据振荡开始增强，控制效果不理想。

再次设P=1，I=0.8，D=0，如图10所示，发现系统响应时间明显减少，电机实
际输出转速数据振荡降低，控制效果明显改善。

继续设定PID参数来得出更好的
控制效果，设 P=1，I=1，D=0；P=1，I=1.2，D=0；P=1，I=1.4，D=0，分别如图11、图12所示。

发现P=1，I=1.2，D=0时，调速效果为最好。

在调节PID参数的过程中，发现系统的调速效果基本处于理想状态，所以没有引
用控制参数D，但是如果单纯调节P参数的话，无论怎么调节电机实际输出转速
数据振荡都比较大，而且响应时间比较长，因此通过调整I参数来改善，让I从小变大，发现I慢慢变大的过程中，系统电机实际输出转速数据振荡明显降低，系统响应时间也明显减少，经过PID的参数多次调试，最终得出发现P=1，I=1.2，
D=0电机实际输出转速数据最佳[13]。

图6 P=0.1，I=0，D=0
图7 P=0.1，I=0.1，D=0
图8 P=1，I=0.1，D=0
图9 P=1，I=0.5，D=0
图10 P=1，I=0.8，D=0
图11 P=1，I=1，D=0
5 结论
采用LabVIEW软件及数据采集虚拟仪器进行电机转速进行监测及控制，不仅可以节省程序开发时间，而且模块化编程为程序的扩展和以后添加新的功能模块提供了方便[14]。

本系统通过调节PID参数能够很好的实现对电机转速的控制及测量，
但是在实验中还有一些不足，需要进一步深入的研究与改进：
图12 P=1，I=1.2，D=0
1）电机实时转速达到设定转速值的时间比较长。

2）发现当输出电压在2.8 V至3.5 V之间电机转速波动较大。

3）当电机转速设置在320转/分钟时，电动机停止了转动，导致启动转速过高。

所以后期的工作还需要在这方面有待于进一步的改善和提高[15]。

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