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虚拟仪器在电机控制器开发中的应用

来源:    作者:    发布时间:2015-07-12 11:38:05    浏览量:

摘要:为了监测无刷直流电机控制器的控制性能,在开发控制器过程中应用了虚拟仪器技术,设计采用LabVIEW编写可与控制器交互的上位机软件;通信部分采用成本低,易控制的标准串口总线来实现电机转速、电压、母线电流的PI参数的数据传输;设计的上位机PI参数调整方法优于传统的逐次烧写法,从而降低了硬件损耗与时间成本;上位机软件系统采用开放式设计,使之不依赖于下位机型号与工作模式,具有较强的通用性。测试表明,设计的系统能完成实时监测以及控制器的控制参数设定等功能。
关键词:虚拟仪器;直流电机;电机控制器;数据采集

虚拟仪器是基于通用计算机软硬件的测试平台,已经在工业控制测试领域有了广泛的应用。LabVIEW是由美国国家仪器公司推出的虚拟仪器开发工具,应用图形化编程方式,功能强大,界模压电感面友好,拥有丰富的计算函数,高级的采集和信号分析控件,完善的仿真调试工具,动态的连续跟踪方式。目前国内已开展将虚拟仪器应用于电机测控方面的研究,但开发的系统检测项目有限,如徐军教授开发的基于NI数据采集卡的电机性能检测系统,只能测量电机三相功率,负载特性等。而进行电机控制器开发测试时还经常要观测电机的电压、电流及转速,它们是电机启动及调速的关键参数;另外目前电机调速常用的双闭环PI算法中Pl参数的调整往往是根据经验及试验的方式设定,过程相当繁琐。所以开发一款软件解决这些问题很有必要。本文中应用LabVIEW编写上位机软件,软件分为数据检测和PI参数设定两个基本模块。并应用控制芯片独立的串口通信接口与上位机实现了数据的检测及PI参数的设定。

1 系统结构
系统原理结构框图见图1。

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该设计中下位机可使用独立于控制器的单片机或DSP,但为了能直接方便地设置电机控制PI参数,直接使用了控制器上的控制芯片。主控制芯片采用瑞萨电子一款电感器电机控制专用16位单片机R5F212L4SNFP,它自带6路PWM,9路10位的A/D转换器,1.5 KB数据FLASH,两个独立的串行通信接口,并拥有串口通信的独立定时器;在完成控制功能之余有足够的端口完成与上位机的通信。LabVIEW使用通用接口总线(GPIB),标准串行总线(RS 232),VME仪器扩展(VXI)和其他硬件标准与外部仪器通信及控制外部仪器。考虑到硬件成本及方便性这里采用RS 232标准串口通信方式。系统能观测的数据有电压、电流、转速等。电流由电感厂家毫欧级采样电阻采样并适当上拉后接入A/D端(测量的是在每个方波的中点激发A/D转换采集的值);电压由精密电阻分压后接入A/D端;电机转速可由换相信号计算得出;电机转速的设定是芯片外的一个线性电压值经A/D转换后计算给定;控制芯片通过电平转换芯片TC232与上塑封电感位机完成串行通信,本文主要介绍上位机程序的设计,控制硬件因篇幅不作介绍。

2 通信协议设计
该设计通信约定由上位机软件发送,包含PI参数和数据读取设定的指令;下位机(R8C/2L)接收数据后解析数据,若判断系统工作于PI参数设定模式时,保存并更新PI参数,若工作于数据采集模式,则根据命令符选择电流电压A/D转换通道或计算电机转速及设定转速,并发送到串口。
2.1 数据长度协议
数据长度定义和命令符协议分别见表1、表2。当系统工作于数据采集模式时,上位机依次发送字符功率电感器1,2,3,4,并依次根据协议返回测量值。当系统工作于PI参数设定模式时,由上位机依次发送速度环,电流环的Kp,Ki值,并约定在数据之首添加参数识别符A,B,C,D;即速度环参数模式为A+Kp,B+Ki;电流环的参数模式为C+Kp,D+Ki。

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2.2 LabVIEW通信编程相关
在LabVIEW中串口通信主要用到NI VISA编程,NI-VISA(Virtual Instrument Software Architecture)是美国国家仪器NI(National In-strument)公司开发的一种用来与各种仪器总线进行通信的高级应用编程接口。VISA表示可视化仪器软件结构,从本质上讲,VISA是用于控制GPIB,串口或VXI仪器以及根据根据仪器类型进行适当调用的VI(类似于传统语言的函数或子程序)库。这里串口操作主要用到的4个节点见图2,即串口的配置、串口写、串口读、串口关闭等。

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