基于LabVIEW的电机转速测控系统研制.docx
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基于LabVIEW的电机转速测控系统研制
基于LabVIEW的电机转速测控系统研制
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。
针对传统电机测控系统的一些不足,研制了一种基于LabVIEW的电机转速测控系统。
基于虚拟仪器的设计思想,采用NI开发的LabVIEW图形化设计软件,结合数据采集技术和PID控制技术,设计完成了一套电机转速测控系统。
系统综合运用了数据采集技术、虚拟仪器技术、测控技术,实现了转速信号采集、处理、显示以及反馈控制等功能。
最后进行了实验测试,结果表明所研制的系统操作简单,人机界面友好,测量精度高,控制效率好,性能稳定,便于广泛应用。
关键词:
LabVIEW;电机转速;虚拟仪器;数据采集;测控系统
中图分类号:
TN710?
34;TP274文献标识码:
A文章编号:
1004?
373X(2015)07?
0114?
04
随着生产技术的不断发展,电机转速测控在工业控制系统中占据着越来越重要的地位。
在电机测控系统中,传统的方法是用逻辑电路或者单片机来实现[1]。
此方法虽然可行,但由于存在着线路复杂、制成后不易调整、编程语言比较复杂等局限性,已很难适应现代测试的要求。
近年来,虚拟仪器技术以其强大的功能和价格优势日益成为测试技术发展的主流[2?
3]。
利用虚拟仪器,如美国NI公司的LabVIEW图形化设计软件,可以实现对各仪器功能模块进行快速集成,从而使得测试系统更为简洁、灵活和方便[4?
7]。
因此,本文综合运用虚拟仪器技术、数据采集技术、测控技术等相关技术,基于虚拟仪器的设计思想,采用LabVIEW图形化设计软件,结合数据采集技术和PID控制技术,研制了一套基于LabVIEW的电机转速测控系统。
系统可实现转速信号采集、处理、显示以及反馈控制等功能。
1系统总体方案设计
基于LabVIEW建立的电机转速测控系统以转速传感器、信号调理电路、数据采集卡、计算机为硬件核心,LabVIEW开发平台为软件核心,并辅之于数据采集卡的驱动程序以及一些测量控制编程。
基于LabVIEW的电机转速测控系统总体结构框图如图1所示。
图1系统总体结构框图
整个测控系统的工作原理可以描述为:
转速传感器将电机转动信号转换成易测电信号,然后由信号调理电路对转速电信号进行采集前的调理,再由数据采集卡采集转速信号并输入到计算机,由计算机中的软件部分对采集到的转速信号进行分析计算,得到控制信号经数据采集卡输出并由放大电路放大,从而实现对电机转速的控制。
因此,传感器、信号调理电路、数据采集卡、计算机、放大电路是本次设计必不可少的硬件部分,其整体控制框图如图2所示。
图2系统硬件总体控制框图
系统实现的主要功能如下:
(1)目标转速设置,可通过键盘输入、鼠标点击或者虚拟旋钮3种方式进行设置;
(2)转速实时显示,通过转速值和转速表指针2种方式进行显示;
(3)转速差实时显示,给出实际与目标转速的差值,并将转速的控制过程通过转速比较表进行显示;
(4)PID参数自由设定,可通过键盘输入或者虚拟拉条进行设置;
(5)可实现对电机的启停、正转、反转等控制,并设有急停按钮,预防突发情况发生;
(6)指示灯实时显示电机工作状态,如待机、警告、正转、反转等;
(7)能实现数据的存储和读取进行回放查看。
2系统的硬件设计
在任何一个虚拟仪器测控系统中,传感器、数据采集卡和信号调理电路都是必不可少的,它们独立工作,但又相互影响。
计算机作为LabVIEW软件运行的硬件平台,放大电路用于调整控制电压。
因此,在硬件子系统的设计与实现中,传感器、数据采集卡和信号调理电路的合理选型与设计是重点。
2.1传感器选型
本系统中,传感器作用是把电机转速转换成易于采集的电信号,因此,选择ZCF121测速发电机作为传感器。
它是封闭自冷具有换向器的他激式直流发电机,在恒定激磁电流下,电枢电压与电枢转速成正比。
ZCF121转速传感器价格合理,测速性能满足本次设计要求,实物如图3所示。
其主要技术参数如下:
额定测量转速为3000r/min,适合中低转速的测量;额定输出电压为+50V;激磁电流为0.09A;负载电阻为2000Ω;工作温度为-40~50℃;相对湿度在20℃时能达到95%;线性误差小于等于1%;重量约0.44kg。
图3ZCF121测速发电机实物图
2.2数据采集卡的选型
在选取数据采集卡时,需要考虑分辨率和精度、最高采样速度、通道数、数据接口类型以及是否有扩展功能、支持的软件平台等几个因素[8]。
本次设计选择型号为USB2.0?
DAQ?
Ver1.0数据采集卡,具有较高的性价比,实物如图4所示。
其主要技术参数如下:
共4路模拟量输入,4路可并行采集,1路模拟量输出;25KS/s每路最高采样率(所有通道的采样率相同,可通过相应的VI或函数设定);10位A/D转换器分辨率;输入输出均为0~3.3V的量程;微分线性误差为±1LSB;积分非线性度为±2LSB;偏移误差为±3LSB;增益误差为±0.5%;绝对误差为±4LSB;可软件触发采集(支持LabVIEW编程);共有6路PWM(高速脉宽调制)。
此外,还配置有8个DIO接口(均可以配置成DI,DO)。
图4US2.0-DAQ-Ver1.0数据采集卡实物图
2.3调理电路设计
根据所选传感器和数据采集卡的技术参数,测速电机的输出并不能直接作为采集卡的输入。
此外测速电机的输出必须经过滤波处理后才能得到稳定的直流电压,因此需要设计相应的信号调理电路。
当测速电机转速为3000r/min时,输出电压为+50V,而数据采集卡的额定量程只有+10V,因此需要用分压电阻进行分压。
测速电机的负载电阻为2000Ω,考虑到设计电路的过压承载能力,设定3000r/min时采集电压为+8V。
因此,可计算出分压电阻[R1=]2000×8/50Ω=320Ω,另一串联电阻[R2=](2000-320)Ω=1680Ω。
考虑到测速电机自身的影响,需要对输出信号进行滤波,以去掉冲击干扰信号。
因此,在分压电阻[R1]两端并联一个电容[C,]构成一个RC滤波器。
选择电容时,根据工程经验每0.5A电流选择1000μF,则可以计算得到电容[C]取值约为50μF。
由于没有这一规格的型号,可用容量为47μF的电容进行代替。
所设计的信号调理电路原理图如图5所示。
图5信号调理电路原理图
2.4电机的选型
对于实验待测电机的选型,从实验方便性和经济性考虑,选择普通电压控制型直流电机,轴径为6mm,型号为ZYTD?
45SRZDC24V3000永磁碳刷直流电机,其实物如图6所示。
其特点是体积小、功率大、噪音低、易控制,可自由正反转。
图6永磁碳刷直流电机实物图
3系统的软件设计
系统软件的设计与开发是本项目开发的重点和难点。
利用LabVIEW软件为开发平台,进行系统软件设计。
用户界面(前面板)是虚拟仪器的重要组成部分,仪器参数的设置、测试结果显示等功能都是通过软件实现,因此要求软件界面简单直接,便于操作。
3.1系统总体框架设计
系统程序框图大体分为四个模块:
转速控制模块、数据采集模块、仪器功能模块及PID控制模块。
转速控制模块中包括对系统的初始化、参数的设定、生成输出模拟量并送到数据采集卡;数据采集模块主要完成模拟量与数字量的相互转换,实现数据的采集测量;仪器功能模块主要实现参数设置和测量结果显示,包括数据的存储和读取;PID控制模块主要完成对PID参数的设定等功能。
每一模块可直接调用LabVIEW中的子模块(库函数)或由用户自定义设计实现。
在测控系统软件设计中,首先进行的是数据采集卡的配置,然后对传感器所测信号进行采集,并编程对其分析计算得到转速,再按照规定的算法对转速信号进行控制计算,得到控制信号输出,其整个程序框图如图7所示。
图7电机转速测控系统程序流程图
3.2系统前面板设计
前面板界面如图8所示。
1?
转速比较表;2?
状态灯;3?
实际转速;
4?
数据存储及读取;5?
控制按钮;
6?
目标转速;7?
PID参数控制
图8系统前面板
3.3转速控制模块设计
本程序的核心部分由于涉及到多个状态,故仅作正转部分的介绍,调理后实际转速与目标转速通过PID调节算法比较输出参量转换后赋予驱动环节对电机进行速度调节,如图9所示。
图9转速控制模块程序
3.4数据采集模块设计
首先判断电机的正反转状态,将采集卡采集到的电压转换为转速值,目标转速和实际转速曲线都在转速比较表中显示出来。
再次判断控制按钮状态,使系统能够顺利实现不同状态的切换。
数据采集模块程序如图10所示。
图10数据采集模块程序
3.5PID控制模块设计
在工业自动化设备中,常采用能够实现比例、微分和积分作用的控制器,即PID控制器[8]。
目前,有三种比较常见的PID控制算法,即:
增量式算法,位置式算法,微分先行。
这三种算法中增量式算法目前应用的最为广泛。
因此,本系统采用增量式PID控制算法。
根据PID的算法原理,利用LabVIEW中的数学函数选板和循环结构,并充分使用具有记忆功能的移位寄存器,先调节比例增益,再根据一定的算法规则加上微分和积分就组成了PID控制程序,PID子VI程序框图如图11所示。
图11PID控制模块程序
4系统功能测试
为了验证所研制系统的可行性和稳定性,对系统的功能进行测试,测试系统布置如图12所示。
图12电机转速测控系统现场布置图
对系统进行了多次实验验证测试,包括启停测试、正反转测试等。
如图13所示为目标转速设定为454r/min、电机正转情况下,系统的实时测控效果。
经验一段时间后,电机转速稳定在459r/min,转速差为5r/min,稳态误差为1.1r/min。
实验结果表明所研制的系统操作简单,人机界面友好,测量精度高,控制效率好,性能稳定。
图13电机转速测控系统PID控制效果图
5结论
本文提出了一种基于LabVIEW的电机转速测控系统,包括硬件系统的选型、设计和搭建,以及软件系统的设计与实现。
可实现对电机的启停控制,正反转控制,急停控制及转速的实时测控等功能,同时还能对转速数据的存储和读取进行回放查看等。
通过实验测试,验证了所研制系统可以满足电机转速的测控要求,性能稳定。
相对于传统测控方式,具有操作简单,人机界面友好,测量精度高,控制效率好等特点,可广泛应用。
注:
本文通讯作者为蒋永华。
参考文献
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[8]秦树人.机械工程测试原理与技术[M].重庆:
重庆大学出版社,2002.
[9]王积伟,吴振顺.控制工程基础[M].北京:
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