基于ELVIS 和LabVIEW 的直流電機轉速檢測與控制

高軍芳，鄭華文

（昆明理工大學 機電工程學院，昆明 650093）

隨著工業自動化的發展，能將電能轉換成機械能的電機，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、多級調速、精確控制等特點，廣泛應用于家庭電風扇、電吹風、醫療設備等各種器械中，而許多設備都有對電機速度調節的要求，尤其是醫用儀器中，這便需要較為精準的轉速檢測與控制。微特電機種類繁多，最常用的當屬直流電動機[1-3]。本文基于ELVIS 和LabVIEW 設計搭建了直流電機轉速檢測與控制系統，能夠使學生更加深入地掌握電機理論知識的同時也對測控系統的架構有更加具體形象的認識，為以后更復雜更深入的測控系統開發做準備。

選用美國國家儀器公司的實驗室教學虛擬儀器套件NI ELVIS II，它由 LabVIEW 圖形化系統設計工具、USB M 系列數據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 數據采集卡到軟面板。LabVIEW 是一種圖形化的編程語言，在很多領域得到了充分的利用，如測試測量和控制仿真，其基于數據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 虛擬儀器實驗教學平臺和LabVIEW 圖形化編程軟件，可以實現測控綜合實驗教學的創新改革。

1 系統總體設計

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

圖1 系統總體設計框圖

圖2 軟件程序流程圖

2 轉速測量與控制

2.1 光電測速

光電傳感器是利用光電效應來實現測量的，它包括發射器、接收器和探測器。本文測試使用槽型光電傳感器，當被探測對象經過凹槽時，發射器發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。由于電機的結構導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量的光柵，電機每旋轉一次，就能產生脈沖信號。本文測試碼盤使用 SolidWorks 建模之后進行3D 打印，有6 個光柵，因而電機每旋轉一次能夠產生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

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

式中：N是電機轉速，單位r/min；f是頻率，單位Hz；i為減速比（本測控系統所選電機減速比為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。電機轉動帶動裝有磁體的圓盤轉動，圓盤兩邊的霍爾傳感器感應電機轉動帶來的磁場變化，將其轉換為電信號，再通過相應的線路輸出給采集卡[11]。本次測試霍爾傳感器電機每旋轉一周產生的脈沖數是12，因而其轉速表示為：

圖5 帶霍爾傳感器的電機

2.3 轉速控制

本次測試利用了PID 控制，PID 控制器是一種閉環系統，它隨時根據后邊的反饋結果進行調節，使設定的數值與最后輸出的數值趨于一致。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值，e（t）表示兩個數值之間的偏差，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

選擇LabVIEW 最經典的生產者/消費者模式來進行程序架構。生產者/消費者設計模式是多線程編程中最重要的設計模式，是事件處理器和狀態機處理器加上隊列消息處理器相結合而構成的復合設計模式。生產者循環作為主循環控制著所有的消費者循環并且使用通信技術與各消費者循環進行通信[12]，如圖7 所示。

圖7 生產者/消費者模式

3.2 測控系統程序設計

在生產者循環的事件結構中設置4 個事件，每個事件里設定好相應的觸發按鈕，按下對應的按鈕后消費者就開始循環運行對應的程序。消費者循環主要是運行光電測速和霍爾測速的具體程序，在狀態機中設置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、信號的時間和瞬態測量VI。PID 控制調用控制與仿真模塊中的PID 子VI，設置PID 增益，通過DAQ 助手控制ELVIS 上的vpsPos端電壓控制電機轉速。圖8 為部分程序框圖，圖9為直流電機轉速檢測與控制前面板。

圖8 部分程序框圖

圖9 直流電機轉速檢測與控制前面板

4 系統測試及結果分析

4.1 硬件設備的搭建

本次直流電機轉速檢測與控制系統硬件部分都是在NI ELVIS 實驗平臺上搭建，其不僅有面包板、內置數據采集卡、各種硬件接口，還配有12 種虛擬儀器，方便硬件設備的搭建和調試。ELVIS 硬件設備連接圖如圖10 所示，硬件實物連接圖如圖11 所示。

圖10 硬件設備連接圖

圖11 硬件實物連接圖

4.2 實驗結果及分析

首先采用光電測速來調整PID 控制參數，相應參數下的控制波形[13-15]，如圖12 所示，由圖中波形比較可看出，在P=0.001,I=0.020 時調整效果最好，此時的參數已能夠滿足系統的控制要求，因而不需要引入D參數。在這兩個參數下，轉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速為：

圖12 不同PID 參數下的控制波形

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，所以其脈沖數較多，帶入霍爾測速計算公式得轉速為：

實測轉速779 r/min 與理論值誤差為5.2%，測試結果比較理想。但是霍爾測速的電壓脈沖波形有輕微地失真，轉速控制波動也比較大，如圖14所示。經過系統調試分析和資料查閱，是因為霍爾傳感器采集的是未經減速的轉速，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 教學過程及效果

5.1 教學實施過程

工程測試技術是機電工程專業非常重要的一門課程而實踐環節是必不可少的組成部分。以往的工程測試技術實驗都是老師在前面演示，學生在后面跟著做，老師再根據測試數據是否正確進行打分，實驗相對容易且單一，無論是對學生創新能力的培養還是對系統概念的建立抑或是項目開發能力的培養，都極為不利。為了讓學生盡早地接觸項目開發和系統設計，鞏固基礎知識的同時鍛煉學生的動手能力，拓展學生的創新思維，學院針對大二第二學期學生的工程測試技術課程提出了基于ELVIS 和LabVIEW 的直流電機轉速檢測與控制的測控系統實驗。

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

圖15 測控系統實驗實施過程

5.2 教學效果

因為基于ELVIS 和LabVIEW 的直流電機轉速檢測與控制實驗與理論知識緊密的結合，將硬件設計、軟件編程、電機理論知識、傳感器原理、傳感器選型及應用、PID 控制原理、數據采集原理及方法等相互綜合，從基礎出發培養學生多方面的能力。從兩年的實際授課經歷看，收到了事半功倍的效果，學生對專業知識的學習更系統更全面，對理論應用實踐更靈活，無論是課程設計、參加大賽，還是跟著學業導師做項目也更加游刃有余。

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

實驗報告的內容也不再是簡單的表格中測量數據的填寫，取而代之的是系統方案的設計和論證、硬件電路的搭建、軟件程序的編寫、系統聯調及測試結果、整個過程中遇到的問題以及解決辦法、經驗分享和總結。從兩年的實際授課經歷來看，實現了不及格率為零，大部分學生成績優良。學生課后的匿名問卷調查部分截圖如圖16 所示。實驗報告內容及所占比重如圖17 所示。

圖16 學生問卷調查部分截圖

圖17 實驗報告內容及所占比重

6 結束語

本實驗以本科生專業課“工程測試技術”為學習背景，以應用最廣泛的電機為測量對象，電機最重要的參數轉速為測量目標，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，完成對直流電機轉速的測量；同時上位機LabVIEW 測試界面設置轉速，通過PID 控制程序控制直流電機輸入電壓，調節電機轉速與設定值一致，整個測控系統的測量效果和控制效果較理想地達到了教學設計的要求。課堂實驗和課外學習相結合，自主操作學習為主，體現了教學的廣度和深度，為培養學生的綜合動手能力起到了非常重要的作用。