虚拟仪器在电机控制器开发中的应用

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。

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。