沈峰，钟胜奎,仲兆准 ，张运诗 谢光伟，

(苏州大学 a.机电工程学院；b.沙钢钢铁学院 江苏 苏州215021)

0 引言

直流电机是机械能和直流电能互相转换的旋转机械装置，直流电机具有较好的调速性能和较大的启动转矩，因此，对调速要求较高的生产机械(例如龙门刨床、镗床、轧钢机等)或者需要较大启动转矩的生产机械(例如起重机械、电力牵引设备等)往往采用直流电机来驱动。

随着计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术的飞速发展，仪器技术领域发生了巨大的变化，出现了一种全新的仪器概念——虚拟仪器(Virtual Instrument)；LabVIEW是美国国家仪器公司(简称NI)的创新软件产品，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境，又称为G语言，它把复杂、繁琐、费时的语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能，使用线条把各种功能连接起来的简单编程方式。

本文就是要运用LabVIEW来编写软件，通过友好的人机界面，实现对直流电机实际转速的测量，以及用PID控制算法对其转速进行控制，使之达到理想的控制效果。

1 系统组成及工作原理

实验系统由一台装有LabVIEW的计算机；NI ELVIS II+实验平台；额定电压12V、额定转速3500r/min的直流电机；以及一个集成光敏晶体管组成。ELVIS II+是基于LabVIEW编程环境，以及原型搭建的环境，实验硬件电路是在该平台上搭建的，该平台集成了-15V～+15V的可变电压源，+5V的直流电压源，以及多通道的数据采集(AI)，两通道示波器，信号发生器等。集成光敏晶体管是用来测量电机实际转速的，接线如图1所示。

图1 光电器件电路原理图

将直流电机的一个引脚接可变电压源，另一个引脚接地，由于直流电机空载转速与控制电压近似成线性正比关系，故通过计算机控制直流电机引脚的电压的大小即可改变电机的转速，在电机的转轴顶端添加一个带一缺口的隔光圆片，将圆片放置在晶体管模块中间，当电机转动的时候，每转过一圈，光敏晶体管就可以接收到一次信号，AI通道就可以采集到一个脉冲，通过测量两个相邻脉冲的间隔时间，经过转换就可得到电机的实际转速，系统结构如图2所示。

图2 系统结构图

2 系统软件设计

系统编程采用美国NI公司的LabVIEW2010软件，该程序通常由前面板和程序框图组成。前面板是VI的人机界面，它通过各种控制器件和显示器件实现各类数据的输入和显示，模拟了真实仪器的面板，如图3所示；程序框图是程序员编写LabVIEW程序的窗口界面，如图4所示。

图3 前面板

图4 程序框图

此程序主要分为三个模块，分别是：转速测量模块，PID算法模块以及转速控制模块。下面分别对三个模块进行介绍。

2.1 转速测量模块

该模块是要采集AI通道两端的脉冲信号，并将之转化成电机的实际转速，经过滤波显示出来。首先配置一个模拟电压输入通道，选择相应的物理通道，设置采样率，使用脉冲测量.vi计算脉冲周期，取周期的倒数，可得到每秒的转速，乘以60，可得每分钟的转速，最后用位移寄存器累加5次再除以5进行平均值滤波把最终结果显示在前面板上。

2.2 PID算法模块

程序采用增量式PID算式,如式(1)：

Δv=Kp(ek-ek-1)+Kiek=Kd(ek-2ek-1+ek-2)

(1)

式中：Kp是比例系数；Ki是积分系数；Kd是微分系数；ek，ek-1，ek-2分别是第k次、第k-1次、第k-2次采样时设定转速与实际转速的差值；Δv是输出的速度增量。

程序用一个公式节点，以Kp，Ki，Kd，ek，ek-1，ek-2为输入量，Δv是经过PID算法计算得出的速度增量作为输出量控制电机转速，通过在前面板上输入适当的Kp，Ki，Kd值，使程序达到理想控制效果。

2.3 转速控制模块

该模块是将通过PID算法得出的速度增量经过转换，得到控制电压，控制电机转速。首先配置一个模拟电压输出通道，设定电压最大值为12V，最小值为0V，然后由于直流电机的转速与控制电压近似成线性正比关系，所以将Δv速度增量加上设定转速，除以额定转速3500r/min，再乘以额定电压12V，就可以得到控制电压，控制电机转速。

3 系统运行及调试结果

3.1 PID参数的整定

PID控制器参数的整定方法有很多，目前广泛运用的有三种：试凑法、经验数据法以及扩充临界比例度法。这里采用扩充临界比例度法对PID参数进行整定。首先选择一个足够短的采样周期T，调整Kp的值使之做纯比例控制，当系统出现临界振荡时记下此时的Kp为临界振荡增益Ks，以及临界振荡周期Ts；然后选择合适的控制度，所谓控制度，就是数字控制器和模拟调节器所对应的过渡过程的误差平方比；根据控制度查表1，即可求出Kp，Ti，Td的值；由式(2)、(3)可得到Kp，Ki，Kd的值。

Ki=KpT/Ti

(2)

Kd=KpTd/T

(3)

表1 扩充临界比例度法参数整定表

最后在前面板上输入正确的物理通道，PID参数，运行程序，调节仪表盘设定转速，观察实际转速的变化曲线，发现达到了速度控制的理想效果，实际运行结果如图5、6所示，参数设定如图7所示。

图5运行结果1

图6 运行结果2

图7 参数设定

4 结语

系统设计利用图形化编程语言LabVIEW实现了对直流电机的转速控制，实践证明，用PID算法控制电机转速，其结构简单，稳定性好，鲁棒性强，具有良好的控制效果；利用LabVIEW开发的控制系统，其人机界面友好形象，参数修改、系统调试方便，编程直观易用，降低了系统开发时间与项目筹建成本，提高了工作效率，因此具有一定的应用价值。

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[3] Ogata，K.现代控制工程[M].北京：电子工业出版社，2007.

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[5] 金奇，邓志杰.PID控制原理及参数整定方法[J].重庆工学院学报，2008，22(5)：91-94.