基于Arduino與LabVIEW的直流電機轉速控制系統(tǒng)

圖4 PWM頻率測量結果

在圖4所示的PWM頻率測量結果中，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確。

圖5占空比為10/255時的波形

圖6占空比為127/255時的波形

圖7占空比為245/255時的波形

2.4搭建測量轉速的平臺

在驗證了基于Arduino與TimerOne定時器庫的頻率測量的準確性之后，我們就可以著手搭建一個直流電機轉速測量系統(tǒng)。

2.4.1硬件平臺

直流電機轉速測量系統(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帶有編碼器的直流減速電機

圖9 OCROBOT Motor Shield

OCROBOT Motor Shield是基于Arduino Motor Shield設計的增強版本的電機驅動器，如圖9所示，電機驅動器采用獨立供電、GND分離技術，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控制器與電機驅動器應使用兩塊電池或者兩個獨立的電源，保證電機驅動板與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備應避免占用這些I/O口。

表2OCROBOT Motor Shield的控制引腳

搭建的直流電機轉速測量系統(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直流電機轉速測量系統(tǒng)

2.4.2軟件設計

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確性，在程序代碼2轉速測量程序中的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，也就說電機旋轉一圈輸出334個脈沖，2倍頻之后即為668個脈沖。

修改完編碼器部分，需要增加電機驅動部分的代碼，以實現(xiàn)驅動直流電機旋轉。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PWM值為80時，串口輸出的轉速如圖8所示，且當PWM低于80時，減速電機輸出軸不轉動；將PWM設置為255時，串口輸出的轉速如圖9所示。

圖8 PWM為80時轉速數(shù)據(jù)

圖9 PWM為255時轉速數(shù)據(jù)

3.轉速的比例控制

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)率來調整輸入值，使系統(tǒng)更加準確而穩(wěn)定。