测试技术与检测设备 ［￣ＩＣＡ 电弗乙再控制应闭２０１０，３７（７） 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 韧 （西南交通大学电气工程学院，四川成都６１００３１） 摘要：电机转速的测量与控制是现代工业生产和试验过程中经常遇到的问题。利用光电的方法将转 速测量变为频率测量，以及利用ＰＩＤ算法进行转速控制是目前较为准确可靠的一种方法。采用美国国家仪器 公司（ＮＩ）开发的ＬａｂＶＩＥＷ图形化设计软件和ＥＬＶＩＳ试验平台及其数据采集系统，设计了电机转速测量与控 制系统。经过多次检验测试，该系统能够实现设计目的。 关键词：虚拟仪器技术；ＬａｂＶＩＥＷ；电机转速；测控系统 中图分类号：ＴＭ ３０文献标志码：Ａ文章编号：１６７３￣５４０（２０１０）０７－００２０－０４ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｍｏｔｏｒ Ｓｐｅｅｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＬＩ Ｍａｏ—ｌｉａｎｇ， ＧＡＯ Ｊｉｎｇ—ｂｅｉ，ＪＩＡ Ｒｅｎ—ｓｏｎｇ， ＷＡＮＧ Ｒｅｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｏｔｏｒ ｓｐｅｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｎｌｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗｅｒｅ ｉｓｓｕｅｓ ｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙ ｅｎｃｏｕｎｔｅｒｅｄ ｉｎ ｍｏｄｅｍ ｉｎｄｕｓｔｉｒａｌ ｐｒｏｄｕｃ— ｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｓｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ，ａ ｍｏｒｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｗａｙ ｃａｎ ｂｅ ａｄｏｐｔｅｄ ｉｓ ｔｈａｔ ｕｓｉｎｇ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｉｒｃ ｍｅｔｈ— ｏｄ ｔｏ ｔｕｒｎ ｓｐｅｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｎｔｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｏ ｃｏｍｍａｎｄ ｓｐｅｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ＰＩＤ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．ＬａｂＶＩＥＷ ｇｒａｐｈｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ＥＬＶＩＳ ｔｅｓｔ ｐｌａｔｆｏｒｍ ａｎｄ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｉｃｈ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂｙ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｄｅｓｉｎｇｅｄ ｍｏｔｏｒ ｓｐｅｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｆｔｅｒ ｒｅｐｅａｔｅｄ ｔｅｓｔｉｎｇ，ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ａｒｒｉｖｅ ａｔ ｏｕｒ ｄｅｓｉｇｎ ｐｕｒｐｏｓｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｉｒｔｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ＬａｂＶＩＥＷ；ｍｏｔｏｒ ｓｐｅｅｄ；ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ Ｏ 引 言 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。 近年来，随着微型机技术的发展，电机性能测 ＬａｂＶＩＥＷ可产生运行的可执行文件，是一个 试也逐渐由传统的手动操作被计算机所取代，并 真正的３２位编译器。 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 ２ 电机转速测量系统设计 拟仪器是现代计算机和仪器技术深度结合的产 该设计旨在运用ＬａｂＶＩＥＷ ８．５和相关硬件 物，由计算机、相应的硬件和专用软件构成，是计 设计一个电机转速测量系统，该系统能够实现电 算机硬件资源、仪器与测控系统硬件资源和虚拟 机转速的测量和实时显示，且界面友好。其框图 仪器软件资源的有效结合…。 如图１示。 ｌ 设计应用软件ＬａｂＶＩＥＷ 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 ＬａｂＶＩＥＷ是一种图形化的编程语言，包含了 系统由转速编码器模块和ＮＩ ＥＬＶＩＳ平台两部分 丰富的功能函数库，视为一个标准的数据采集和 组成。 仪器控制软件。ＬａｂＶＩＥＷ集成了可满足ＧＰＩＢ、 本文中硬件系统的设计采用转速编码器测量 ＶＸＩ、ＲＳ一２３２和ＲＳ一４８５协议的硬件及数据采 直流电机的转速。转速编码器由光电传感器模 集卡通信的全部功能 ｊ，还内置了便于应用ＴＣＰ／ 块，以及固定在直流电机轴上刻有一个凹槽的码 一２０一 迫札西控制应用２０１０，３７（７） 测试技术与检测设备÷Ｅ¨ｃＡ 圈被 对 象 信 调 理 数 采 集 卡 数 处 理 器面板 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 ，—————＾———＿－、 测 号 据 据 ＋ｌ虚拟仪及运行停止的控制；显示区主要用于信号、数据处 理结果的显示。 图ｌ 电机转速测量系统框图 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。 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问间隔即周期，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Ｘ ６０。 ２．２软件系统的设计与实现 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。 （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 ｉ整 查Ｉ 圆］ ５ ０００ｈ ｌ 鲴Ｊ 霸 ｆ。 一． ： ｌ１ ０００Ｈ．齄＿Ｊ ｆ Ｌ叵圈。 电压 采样时钟 ｛三ｊ 兰 ． —— ｝ 道 采样 一 ———巨 ： ： ： ：回 模拟ＤＢＬ 通道１采 ＡＯ电压 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 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 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 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 ～出相应的波形，另一方面将其送入数据处理模块。 ２ｌ一 测试技术与检测设备 ＥＭＣＡ 电扎与柱制应用２０１０，３７（７） ＰＩＤ控制。整个系统由转速测量和ＰＩＤ控制两大 要用于物理通道设置、速度设定、调节电压范围设 功能模块组成。 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＋端连人ＰＩＤ输出电压。 ４ 电机转速控制系统的界面实现 图５ 电机转速控制系统界面 电机转速控制系统的界面如图５所示，界面 电机转速控制系统的总体框图程序如图６所 分为控制区和显示区两大部分。在软件界面中偏 示，包括转速测量、ＰＩＤ控制、电压调节、结果显示 左部分为控制区，偏右部分为显示区。控制区主 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 ５ 电机转速测控系统测试 入ｐｒｏｃｅｓｓ ｖａｒｉａｂｌｅ端，ＰＩＤ参数与ｏｕｔｐｕｔ ｒａｎｇｅ这 （１）电机转速测量系统的主要功能是实时显 两个簇中分别包含比例增益、积分时间、微分时间 示电机转速波形与数值。测试时，点击程序的运 和最高、最低ＰＩＤ输出电压参数的设定，分别连接 行与停止按钮，将电压分别调至３、４、５ Ｖ，得到如 ＰＩＤ ｇａｉｎｓ和ｏｕｔｐｕｔ ｒａｎｇｅ输人端。输出端ｏｕｔｐｕｔ 图７所示的系统运行检测图。 即输出ＰＩＤ控制电压。 迫札与粒啼 应用２０１０，３７（７） 测试技术与检测设备；Ｅ＾ＩＩ：Ａ ５ ４ ４ ５ ４ ４ 之； ｊ四２ 之； ｊ型２ 肇２ ｌ ｌ Ｏ 馨２ ｌ ｌ ０ ｏ ｏ．０４ ｏ ０８ ｏ．１２ ０．１６ ｏ．２０ 时间／ｓ 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 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。 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 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。 ４ ４ ．ｇ ３ ｇ ３ ‘２ ５ ４ ４ ３ ３ ２ ２ｌ＞＼ ．●Ｏ Ｏ ５ ０ ５ Ｏ ５ Ｏ ５ Ｏ ５ ｇ 吕 ● ： ０¨ ． …：、 。． 一．． ． ． 口 ｇ ● ２ １ ＼ ＼ 坚１ 趔 罂 罂 ５０ 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 ［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． 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。 收稿日期：２０１０—０３—３１ 【参考文献】 ［１］ 张金美．基于虚拟仪器的电机测试系统的研究 欢迎投稿 欢迎订阅 欢迎刊登广告 ２３一
