基于LabVIEW的直流电机转速监测实验设计

许丽川，苏朝阳，梁永春，丛培强，李逢春，白连生

(电子科技大学 机械电子工程学院，成都 611731)

工业过程测量和控制系统广泛应用于石油、化工、电力、煤炭、冶金、纺织、轻工、食品、烟草等各个领域，是工业化与信息化融合的桥梁和手段［1］。现代工业过程测量和控制离不开多种信号的采集、处理、显示和存档，随着PLC或嵌入式系统成为工业控制核心的主流，大型的工业网络中上位机对各种信号的监控管理系统可视化、人性化的操作界面广泛取代了简单的符号界面。

目前，上位机监控管理软件的实现主要有三种工具:

1)传统的C，C++或VB等语言

如采用VC++在Windows平台上实现流程行业的过程监控软件［2］。其编程灵活，对不同的监控系统都适用，但需要专门计算机知识，对一般的工程技术人员难度较大。

2)目前应用广泛的组态软件

随着现代微电子技术、计算机控制技术、工业以太网技术及现场总线技术的发展，工业组态软件广泛应用于工业和教学系统中。例如iFIX监控软件在宝钢分公司2 050 mm热轧机组2号加热炉DCS系统中的使用［3］;三维力控 ForceControl在钻杆摩擦焊生产线自动监控系统中的应用［4］;组态王结合GSM短信传输技术实现全天候水文信息监测系统的上位机监控软件［5］;WinCC在辽河油田聚合物配制站监控系统中的使用［6］;MCGS组态软件和RS－485通信模块在微机变压器保护实验中的应用［7］;利用MCGS环境下的图形绘制等功能，开发PLC课程仿真教学界面［8］等。

组态软件操作简便、可视性好、可维护性强，解决了控制工程人员缺乏计算机专业知识的问题，极大地提高了完成自动化工程的工作效率［9］。但组态软件灵活性相对较低，有些组态软件只能适用于某一系列的控制硬件。

3)G语言

G语言即图形化的编程语言。其可视性强，编程灵活，兼顾了传统语句表语言和组态软件的优势，可以更加灵活、生动地实现监控软件的界面设计和系统功能设计。

目前，最广泛应用的G语言是NI公司的Lab-VIEW软件。LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)利用高性能的模块化硬件，结合高效的软件来完成各种测试、测量和控制系统。使用集成化的LabVIEW环境与现实世界的信号相连，进行数据分析以获取实用信息，极大地提高了数据采集与控制系统的效率［10－11］。

LabVIEW不仅应用于各种现代工业过程测量系统，在测量及仪器、控制系统设计及仿真、信号图像处理、射频及通信等工程教育领域也有着广泛的应用，在工程教育入门阶段、研究生学习阶段以及高级研究项目中也备受青睐。国内很多高校，例如清华大学、浙江大学、上海交通大学等，都与NI公司建立了联合实验室，用于不同层次不同领域的实验教学和工程训练。

电机转速监测实验是基于LabVIEW的传感器测量实验课程的一个实验项目。该实验课程的目的在于通过实验来了解和学习LabVIEW，掌握Lab-VIEW的基本编程方法。同时，掌握数据采集卡的使用方法，最终使学生了解典型的工业过程测量系统的构成及实现方法和步骤，增强感性认识，培养现代工业控制工程的设计能力。

1 基于LabVIEW的直流电机转速测控实验平台

基于LabVIEW的直流电机转速测控实验平台结构如图1所示。转速传感器的输出信号分别经由数据采集卡的模拟输入通道(A/D)、数字输入通道(DI)、定时/计数器通道(CNT)传递给上位PC机，基于LabVIEW编程完成传感器信号的分析、处理和显示，实现转速的实时监测。同时，可以进一步搭建基于LabVIEW的直流电机闭环控制模型，编程实现控制器算法，最终输出PWM脉冲信号，通过数据采集卡的数字输出通道(DO)输出，驱动H桥主电路，实现直流电机转速的闭环控制。

1.1 直流电机

实验用直流电机型号为Vadar 8025，其额定电压为24 V，额定电流为0.11 A。由于该电机容量很小，其主电路可以使用功率较小的集成器件。

图1 基于LabVIEW的直流电机转速测控实验平台

1.2 转速传感器

电机转速传感器采用光电转速传感器和霍尔转速传感器，两者空间相差90°。

直流电机同轴连接一个转盘，其边缘等间距分布了6个圆孔。当电机转动，圆孔经过传感器的位置时，光电传感器或霍尔传感器就能产生一个脉冲，其高电平为+5 V。电机转一圈，圆盘转一周，传感器产生6个脉冲。实验用转速传感器的精度为60°。

1.3 集成H桥L298N

L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。其主要特点是:最高工作电压可达46 V;持续工作电流为2 A，瞬间峰值电流可达3 A;内含两个H桥的全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载;可以直接用单片机或数据采集卡的I/O口提供信号，电路简单，使用方便。

使用L298N芯片驱动直流电机的控制信号真值表如表1所示。

1.4 数据采集卡USB2832

USB2832是一种基于USB总线的数据采集卡，可直接和计算机的USB接口相连，构成数据采集、波形分析和处理系统。

USB2832主要接口模块包括:A/D模拟量输入，DI数字量输入，DO数字量输出，CNT定时/计数器。实验中，传感器信号分别经A/D、DI和CNT通道进行采集，在LabVIEW编程时采用不同的处理方法得到转速值。

表1 直流电机控制信号真值表

USB2832的精度虽然不是很高，但能满足实验测量要求。此外，DO输出可直接驱动L298N，中间无需其他放大或者调理电路，电路结构简单，可靠性较高。

2 基于LabVIEW的直流电机转速测量实验设计

实验将转速传感器的脉冲信号分别通过USB2832的A/D通道、DI通道和CNT通道上传至PC机，基于LabVIEW编程实现三个通道的信号分析、处理和显示，并计算转速值。

2.1 电机转速测量前面板设计

三种信号采样方式的前面板设计基本相同，都呈现了参数设置、信号波形显示和计算转速值显示等输入输出界面。基于A/D通道的前面板设计图如图2所示。

图2 基于A/D通道的电机转速测量实验前面板

2.2 基于A/D通道的程序框图设计

基于A/D通道的LabVIEW程序流程图如图3(a)所示。

图3 LabVIEW程序流程图

其中，“原始数据处理”将采集的13位(最高位为符号位)二进制原始数据，转换为选定量程内的电压值。转换的公式如表2所示。

表2 原始数据处理公式

此外，“电机转速计算并显示”完成信号频率f(Hz)到电机转速n(r/min)的换算。换算关系为:

2.3 基于DI通道的程序框图设计

基于DI通道的LabVIEW程序流程图如图3(b)所示。

DI通道的原始数据为8个字节元素的数组，对应8个DI通道。程序将所需通道的数据分离后判断是否有上升沿，并在TC时间内计数。设计数值为Z，则电机转速为:

2.4 基于CNT通道的程序框图设计

基于CNT通道的LabVIEW程序流程图如图3(c)所示。

计数器选用Mode 0方式，门控输入(Gate端)接高电平，传感器信号送入时钟源(CLK端)。计数器装入初始值Z，计数器开始作减1计数。对正在作计数的计数器装入一个新值，则计数器从新装入的计数值开始，重新作减量计数。设TC时刻，计数当前值为Z1，则电机转速为:

2.5 在线转速测量实验

搭建好硬件通道之后，直接通以可调直流电使电机旋转，分别经由三个通道测量电机的转速，测量结果如图4所示。

图4 电机转速测量结果

当改变电机电压后，电机转速也会相应改变。由于数据采集卡的限制，电机转速限制在210r/min以下。实验的结果表明，上位机LabVIEW程序能够对电机转速进行正常的监测。

3 结束语

实验完成了基于LabVIEW的直流电机转速的监测，并对数据采集卡的A/D通道、DI通道和CNT通道的信号分别进行了编程测试，完整地使用了数据采集卡的不同采集功能。与组态软件不同，LabVIEW的编程具有更大的灵活性，对不同的信号可以采用不同的方法来处理，日益得到广泛的应用。当然，到底是选择组态软件还是 Lab-VIEW编程来实现上位机监控软件，需要根据系统实际的具体工艺要求等各方面因素综合考虑。

［1］梅恪，张桂玲.工业过程测量和控制系统标准体系［J］.仪器仪表标准化与计量，2010(3):14－15.

［2］郑震宇，周立，赵霞，等.Windows平台上过程监控软件的设计［J］.工业控制计算机，1999，12(6):42－43.

［3］吴建光.iFIX软件在加热炉改造中的应用［J］.宝钢技术，2006(6):56－63.

［4］盖双军，许玲.工控组态软件功能分析及其在工业控制中的应用［J］.电气技术与自动化，2006，35(6):153－155.

［5］刘宇峰，孙鹏，秦建敏.组态王与GSM技术在河道水情监控系统中的应用［J］.太原理工大学学报，2010，41(2):160－162.

［6］付世财.油田聚合物配制站监控系统的开发与研究［D］.大连:大连理工大学，2010，12.

［7］李凤婷，晁琴，陈建伟.基于MCGS的微机变压器保护实验的设计与实现［J］.实验技术与管理，2007，24(6):28－31.

［8］黄恭伟.基于MCGS的PLC仿真教学研究［J］.滁州学院学报，2011，13(2):125－126.

［9］包建华，丁启胜，张兴奎.工控组态软件MCGS及其应用［J］.工矿自动化，2007(3):92－94.

［10］刘琨.基于虚拟仪器的光纤传感数据采集与处理系统［D］.天津:天津大学，2006.

［11］沈岚.基于LabVIEW的光纤应变数据采集与处理系统的设计［D］.河北:河北工程大学，2010.