基于Arduino與LabVIEW的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)
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直流電機(jī)是Arduino機(jī)器人制作中的主要?jiǎng)恿?lái)源，但是由于電機(jī)的參數(shù)一致性有所差別，即使是相同型號(hào)的電機(jī)在相同電壓下的轉(zhuǎn)速都不完全相同，而且在帶負(fù)載或負(fù)載不同的情況下，更加會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，這就會(huì)導(dǎo)致制作的Arduino輪式機(jī)器人不能實(shí)現(xiàn)直線行走，因?yàn)檫@是一個(gè)開(kāi)環(huán)控制，沒(méi)有任何反饋信號(hào)返回。如果給直流電機(jī)加上編碼器作為反饋器件，也就可以測(cè)量得到電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速，如果將其與設(shè)定值計(jì)算差值，并通過(guò)PID算法計(jì)算得到新的控制信號(hào)，從而可以動(dòng)態(tài)的測(cè)量和控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201701/337030.htm下面我們利用帶有編碼器的直流電機(jī)、Arduino控制器、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板和LabVIEW上位機(jī)軟件以實(shí)驗(yàn)探索的形式來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速比例控制實(shí)驗(yàn)。
1．TimerOne定時(shí)器庫(kù)
1.1下載及使用方法
TimerOne定時(shí)器庫(kù)使用AVR單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器1實(shí)現(xiàn)定時(shí)中斷的功能，其下載地址為：https://code.google.com/p/arduino-timerone/，只需要更改幾個(gè)參數(shù)即可使用定時(shí)器中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)周期性執(zhí)行的任務(wù)。需要注意的是，如果使用了TimerOne定時(shí)器庫(kù)，也就不能在相應(yīng)的引腳輸出PWM電壓，Uno上的定時(shí)器與PWM引腳的關(guān)系如表1所示。
表1定時(shí)器與PWM引腳的關(guān)系
定時(shí)器 | OC0A | OC0B | OC1A | OC1B | OC2A | OC2B |
PWM引腳 | 6 | 5 | 9 | 10 | 11 | 3 |
TimerOne定時(shí)器庫(kù)函數(shù)庫(kù)中自帶的ISRBlink程序如程序代碼1所示，可以實(shí)現(xiàn)13號(hào)管腳上LED的5Hz頻率的閃爍。
程序代碼1：ISRBlink示例程序
#include
void setup() {
}
void loop(){
//主函數(shù)，用于執(zhí)行非周期性任務(wù)
}
void timerIsr(){
}
1.2評(píng)估定時(shí)時(shí)間的準(zhǔn)確性
僅僅憑靠眼睛不能判斷定時(shí)時(shí)間是否準(zhǔn)確，下面我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)估定時(shí)時(shí)間的準(zhǔn)確性。我們需要將上面示例代碼中的Timer1.initialize(100000)更改為T(mén)imer1.initialize(1000)，digitalWrite( 13, digitalRead( 13 ) ^ 1 )更改為digitalWrite(2, digitalRead( 2) ^ 1 )，通過(guò)反轉(zhuǎn)I/O的電平實(shí)現(xiàn)數(shù)字端口2輸出500Hz的近似方波。
同時(shí)，我們使用NI USB-6009便攜式數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW 2012軟件實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)易的模擬量采集器，將Arduino控制器上的數(shù)字端口2和GND分別與NI USB-6009便攜式數(shù)據(jù)采集卡上的AI0/AI0+和AI4/AI0-相連接，NI USB-6009便攜式數(shù)據(jù)采集卡接口示意圖如圖1所示，Arduino Uno控制器與USB-6009便攜式數(shù)據(jù)采集卡的連接圖如圖2所示。然后使用10kps的采樣率，5秒的采樣時(shí)間的參數(shù)采集Arduino控制器上的數(shù)字端口2輸出的方波信號(hào)，取其前20ms的波形如圖3所示，通過(guò)波形頻率分析工具測(cè)量得到其頻率為499.901Hz。
另外，我們又將定時(shí)時(shí)間設(shè)置為100微秒、50微秒和25微秒，并使用NI USB-6009便攜式數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW 2012軟件以45kps的采樣率和2秒的采樣時(shí)間分別采集了數(shù)字端口2輸出的波形數(shù)據(jù)并進(jìn)行頻率分析，得到其頻率分別為4999.01Hz，9998.03Hz，19996Hz。從以上數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間非常準(zhǔn)確，頻率測(cè)量誤差主要來(lái)自于I/O反轉(zhuǎn)操作延時(shí)導(dǎo)致的。
最后，我們還測(cè)試了OCROBOT MEGA 2560控制器、Arduino Uno控制器山寨版輸出的500Hz的方波信號(hào)頻率，分別為500.435Hz和499.764Hz。
圖1 NI USB-6009接口示意圖
圖3定時(shí)器中斷產(chǎn)生的500Hz方波信號(hào)
2.轉(zhuǎn)速測(cè)量
2.1測(cè)量轉(zhuǎn)速方法
測(cè)量轉(zhuǎn)速方法有3種，分別為測(cè)頻法(M法)、測(cè)周法(T法)及混合法(M/T法)。
測(cè)頻法是在一定時(shí)間內(nèi)，通過(guò)測(cè)量旋轉(zhuǎn)引起的單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速測(cè)量的一種方法，適用于高、中轉(zhuǎn)速的測(cè)量。該法本質(zhì)上屬于定時(shí)測(cè)角法，為提高測(cè)量的準(zhǔn)確度，有時(shí)采用多標(biāo)記或開(kāi)齒的方法，其不確定度主要取決于時(shí)間測(cè)量和計(jì)數(shù)量化。
測(cè)周法是在轉(zhuǎn)速脈沖的間隔內(nèi)，用時(shí)鐘脈沖來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速的一種方法，適合于低轉(zhuǎn)速測(cè)量。該法實(shí)際上就是定角測(cè)量法，即用時(shí)標(biāo)填充的方法來(lái)測(cè)量相當(dāng)于某一旋轉(zhuǎn)角度的時(shí)間間隔。在高、中轉(zhuǎn)速時(shí)，可采用多周期平均來(lái)提高測(cè)量準(zhǔn)確度，其不確定度主要取決于時(shí)間測(cè)量、計(jì)數(shù)量化及觸發(fā)的不確定度。
混合法是在測(cè)頻法的基礎(chǔ)上，吸取測(cè)周法的優(yōu)點(diǎn)匯集而成的一種轉(zhuǎn)速測(cè)量方法。它是在轉(zhuǎn)速傳感器輸出脈沖啟動(dòng)定時(shí)脈沖的同時(shí)，計(jì)取傳感器輸出脈沖個(gè)數(shù)和時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)，而當(dāng)?shù)竭_(dá)測(cè)量時(shí)間時(shí)，先停止對(duì)傳感器輸出脈沖的計(jì)數(shù)，在下一個(gè)定時(shí)脈沖啟動(dòng)之前再停止時(shí)鐘脈沖的計(jì)數(shù)。因此，該種方法可在較寬的范圍內(nèi)使用。
此處，我們選擇測(cè)頻法來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速，其工作原理為：當(dāng)被測(cè)信號(hào)在特定時(shí)間段T內(nèi)的周期個(gè)數(shù)為N時(shí)，則被測(cè)信號(hào)的頻率f=N/T。
2.2轉(zhuǎn)速測(cè)量程序設(shè)計(jì)
利用TimerOne定時(shí)器庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)，通過(guò)外部中斷對(duì)電機(jī)編碼器輸出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值除以定時(shí)時(shí)間即為一定時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)速。實(shí)現(xiàn)1秒內(nèi)轉(zhuǎn)速測(cè)量的程序如程序代碼2所示。
程序代碼2：轉(zhuǎn)速測(cè)量程序
#include
long counter_val[2] = {0,0};
byte CurCnt = 0;
int j=0;
void setup() {
}
void loop()
{
}
//外部中斷處理函數(shù)
void counter()
{
}
//定時(shí)器中斷處理函數(shù)
void timerIsr()
{
}
2.3驗(yàn)證頻率測(cè)量的準(zhǔn)確性
前面提到了Arduino的模擬輸出（PWM）的頻率約為490Hz，且轉(zhuǎn)速測(cè)量采用的是測(cè)頻法，此時(shí)用來(lái)正好來(lái)驗(yàn)證一下程序設(shè)計(jì)的正確性。在上面的轉(zhuǎn)速測(cè)量程序中的void setup()里面delay(2000)之前增加如下代碼，以產(chǎn)生方波。串口輸出的頻率測(cè)量結(jié)果如圖4所示。
評(píng)論