虛擬儀器在電機(jī)控制器開發(fā)中的應(yīng)用

摘要：為了監(jiān)測(cè)無(wú)刷直流電機(jī)控制器的控制性能，在開發(fā)控制器過(guò)程中應(yīng)用了虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)采用LabVIEW編寫可與控制器交互的上位機(jī)軟件；通信部分采用成本低，易控制的標(biāo)準(zhǔn)串口總線來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電壓、母線電流的PI參數(shù)的數(shù)據(jù)傳輸；設(shè)計(jì)的上位機(jī)PI參數(shù)調(diào)整方法優(yōu)于傳統(tǒng)的逐次燒寫法，從而降低了硬件損耗與時(shí)間成本；上位機(jī)軟件系統(tǒng)采用開放式設(shè)計(jì)，使之不依賴于下位機(jī)型號(hào)與工作模式，具有較強(qiáng)的通用性。測(cè)試表明，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及控制器的控制參數(shù)設(shè)定等功能。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；直流電機(jī)；電機(jī)控制器；數(shù)據(jù)采集

虛擬儀器是基于通用計(jì)算機(jī)軟硬件的測(cè)試平臺(tái)，已經(jīng)在工業(yè)控制測(cè)試領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。LabVIEW是由美國(guó)國(guó)家儀器公司推出的虛擬儀器開發(fā)工具，應(yīng)用圖形化編程方式，功能強(qiáng)大，界面友好，擁有豐富的計(jì)算函數(shù)，高級(jí)的采集和信號(hào)分析控件，完善的仿真調(diào)試工具，動(dòng)態(tài)的連續(xù)跟蹤方式。目前國(guó)內(nèi)已開展將虛擬儀器應(yīng)用于電機(jī)測(cè)控方面的研究，但開發(fā)的系統(tǒng)檢測(cè)項(xiàng)目有限，如徐軍教授開發(fā)的基于NI數(shù)據(jù)采集卡的電機(jī)性能檢測(cè)系統(tǒng)，只能測(cè)量電機(jī)三相功率，負(fù)載特性等。而進(jìn)行電機(jī)控制器開發(fā)測(cè)試時(shí)還經(jīng)常要觀測(cè)電機(jī)的電壓、電流及轉(zhuǎn)速，它們是電機(jī)啟動(dòng)及調(diào)速的關(guān)鍵參數(shù)；另外目前電機(jī)調(diào)速常用的雙閉環(huán)PI算法中Pl參數(shù)的調(diào)整往往是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)的方式設(shè)定，過(guò)程相當(dāng)繁瑣。所以開發(fā)一款軟件解決這些問題很有必要。本文中應(yīng)用LabVIEW編寫上位機(jī)軟件，軟件分為數(shù)據(jù)檢測(cè)和PI參數(shù)設(shè)定兩個(gè)基本模塊。并應(yīng)用控制芯片獨(dú)立的串口通信接口與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的檢測(cè)及PI參數(shù)的設(shè)定。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

該設(shè)計(jì)中下位機(jī)可使用獨(dú)立于控制器的單片機(jī)或DSP，但為了能直接方便地設(shè)置電機(jī)控制PI參數(shù)，直接使用了控制器上的控制芯片。主控制芯片采用瑞薩電子一款電機(jī)控制專用16位單片機(jī)R5F212L4SNFP，它自帶6路PWM，9路10位的A／D轉(zhuǎn)換器，1．5 KB數(shù)據(jù)FLASH，兩個(gè)獨(dú)立的串行通信接口，并擁有串口通信的獨(dú)立定時(shí)器；在完成控制功能之余有足夠的端口完成與上位機(jī)的通信。LabVIEW使用通用接口總線(GPIB)，標(biāo)準(zhǔn)串行總線(RS 232)，VME儀器擴(kuò)展(VXI)和其他硬件標(biāo)準(zhǔn)與外部?jī)x器通信及控制外部?jī)x器?？紤]到硬件成本及方便性這里采用RS 232標(biāo)準(zhǔn)串口通信方式。系統(tǒng)能觀測(cè)的數(shù)據(jù)有電壓、電流、轉(zhuǎn)速等。電流由毫歐級(jí)采樣電阻采樣并適當(dāng)上拉后接入A／D端(測(cè)量的是在每個(gè)方波的中點(diǎn)激發(fā)A／D轉(zhuǎn)換采集的值)；電壓由精密電阻分壓后接入A／D端；電機(jī)轉(zhuǎn)速可由換相信號(hào)計(jì)算得出；電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定是芯片外的一個(gè)線性電壓值經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后計(jì)算給定；控制芯片通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片TC232與上位機(jī)完成串行通信，本文主要介紹上位機(jī)程序的設(shè)計(jì)，控制硬件因篇幅不作介紹。

2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)
該設(shè)計(jì)通信約定由上位機(jī)軟件發(fā)送，包含PI參數(shù)和數(shù)據(jù)讀取設(shè)定的指令；下位機(jī)(R8C／2L)接收數(shù)據(jù)后解析數(shù)據(jù)，若判斷系統(tǒng)工作于PI參數(shù)設(shè)定模式時(shí)，保存并更新PI參數(shù)，若工作于數(shù)據(jù)采集模式，則根據(jù)命令符選擇電流電壓A／D轉(zhuǎn)換通道或計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速及設(shè)定轉(zhuǎn)速，并發(fā)送到串口。
2．1 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度協(xié)議
數(shù)據(jù)長(zhǎng)度定義和命令符協(xié)議分別見表1、表2。當(dāng)系統(tǒng)工作于數(shù)據(jù)采集模式時(shí)，上位機(jī)依次發(fā)送字符1，2，3，4，并依次根據(jù)協(xié)議返回測(cè)量值。當(dāng)系統(tǒng)工作于PI參數(shù)設(shè)定模式時(shí)，由上位機(jī)依次發(fā)送速度環(huán)，電流環(huán)的Kp，Ki值，并約定在數(shù)據(jù)之首添加參數(shù)識(shí)別符A，B，C，D；即速度環(huán)參數(shù)模式為A+Kp，B+Ki；電流環(huán)的參數(shù)模式為C+Kp，D+Ki。