基于Arduino與LabVIEW的直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)
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pinMode(3,OUTPUT);
analogWrite(3,127);
圖4 PWM頻率測量結(jié)果
在圖4所示的PWM頻率測量結(jié)果中，去除前兩個，可以發(fā)現(xiàn)頻率值穩(wěn)定在490和491，且4個490之后出現(xiàn)一個491，基本可以認為是490Hz。
同時，為了進一步的確認PWM的頻率為490Hz，已驗證頻率測量的準(zhǔn)確性，利用NI USB-6009便攜式數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW 2012軟件實現(xiàn)一個簡易的模擬量采集器，使用10kps的采樣率，5秒的采樣時間的參數(shù)分別采集了PWM的占空比為10/255、127/255和245/255時的波形圖，取波形圖的前0.01秒，如圖5、圖6和圖7所示，在0.01秒內(nèi)約有5個周期，同時使用頻率分析工具對占空比為127/255的波形數(shù)據(jù)進行分許，得到其頻率為490.099Hz。
通過對基于Arduino與TimerOne定時器庫的頻率測量與基于LabVIEW和數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)對比與分析，得出頻率測量非常準(zhǔn)確。
圖5
圖6
圖7占空比為245/255時的波形
2.4搭建測量轉(zhuǎn)速的平臺
在驗證了基于Arduino與TimerOne定時器庫的頻率測量的準(zhǔn)確性之后，我們就可以著手搭建一個直流電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。
2.4.1硬件平臺
直流電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的直流電機和編碼器有兩者分離式，使用聯(lián)軸器將兩者連接起來，也有帶有編碼器的直流電機，此處為了簡化設(shè)計，直接選用帶有編碼器的直流電機。JGB37-371-12V-228RPM帶有編碼器的直流減速電機如圖8所示，額定電壓為12V，額定空載轉(zhuǎn)速為228rpm，其編碼器為334線增量式光電編碼器，其接口有6根數(shù)據(jù)線，黃色和橙色是電機電源，綠色和白色是AB相脈沖輸出，紅色和黑色是編碼器的電源端和接地端。
圖8
圖9 OCROBOT Motor Shield
OCROBOT Motor Shield是基于Arduino Motor Shield設(shè)計的增強版本的電機驅(qū)動器，如圖9所示，電機驅(qū)動器采用獨立供電、GND分離技術(shù)，且與Arduino控制器之間采用光耦隔離，這充分保證了Arduino控制器在大負載、大功率、急剎車、瞬時正反轉(zhuǎn)等惡劣電磁環(huán)境下的穩(wěn)定性。需要注意的是：Arduino控制器與電機驅(qū)動器應(yīng)使用兩塊電池或者兩個獨立的電源，保證電機驅(qū)動板與Arduino控制板電源完全獨立，從而保證其電氣隔離性。OCROBOT Motor Shield的I/O口的控制功能如表2所示，如果使用電機時還會接駁其他設(shè)備應(yīng)避免占用這些I/O口。
表2OCROBOT Motor Shield的控制引腳
功能 | 電機A | 電機B |
方向 | D12 | D13 |
速度（PWM） | D3 | D11 |
制動（剎車） | D9 | D8 |
搭建的直流電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)如圖10所示。OCROBOT Motor Shield直接堆疊在Arduino Uno控制器上，OCROBOT Motor Shield采用7.4V的鋰電池供電，Arduino Uno控制器使用方口USB線連接至計算機上，提供電源且可以方便的通過串口上傳數(shù)據(jù)至計算機上。電機的黃色和橙色連接至OCROBOT Motor Shield電機接口A，綠色和白色分別連接至Arduino Uno控制器的數(shù)字端口2、3，紅色和黑色連接至Arduino Uno控制器的電源端口5V、GND。
圖10直流電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)
2.4.2軟件設(shè)計
由于JGB37-371-12V-228RPM直流減速電機的編碼器輸出AB相脈沖，為了充分利用兩相脈沖以提高測量準(zhǔn)確性，在程序代碼2轉(zhuǎn)速測量程序中的attachInterrupt(0, counter, RISING)之后增加如下代碼，將B相脈沖輸出也用來計數(shù)，以實現(xiàn)2倍頻測量。JGB37-371-12V-228RPM直流減速電機的編碼器為334線增量式光電編碼器，也就說電機旋轉(zhuǎn)一圈輸出334個脈沖，2倍頻之后即為668個脈沖。
attachInterrupt(1, counter, RISING);//設(shè)置編碼器B相位上升沿中斷
修改完編碼器部分，需要增加電機驅(qū)動部分的代碼，以實現(xiàn)驅(qū)動直流電機旋轉(zhuǎn)。由于硬件上將直流電機的電源線接在L298P的A端口，其控制信號為3、9和12，分別為PWM信號、制動信號和方向信號。需要在void setup()中的delay(2000)之后增加如下代碼。當(dāng)PWM值為80時，串口輸出的轉(zhuǎn)速如圖8所示，且當(dāng)PWM低于80時，減速電機輸出軸不轉(zhuǎn)動；將PWM設(shè)置為255時，串口輸出的轉(zhuǎn)速如圖9所示。
pinMode(12,OUTPUT);
analogWrite(3,80);
圖8 PWM為80時轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)
圖9 PWM為255時轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)
3.轉(zhuǎn)速的比例控制
3.1PID控制方法
PID控制器（比例-積分-微分控制器），由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。通過Kp，Ki和Kd三個參數(shù)的設(shè)定來實現(xiàn)對某個變量的實時控制，主要適用于基本上線性，且動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)。
PID控制器是一個在工業(yè)控制應(yīng)用中常見的反饋控制方法，其原理如圖10所示，其將采集的數(shù)據(jù)和設(shè)定參考值進行比較，然后將這個差值通過PID三個模塊計算出新的控制值用于執(zhí)行，計算差值的目的是讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達到或者保持在設(shè)定的參考值。PID控制器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來調(diào)整輸入值，使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確而穩(wěn)定。
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