基于LabVIEW的高速电机测速系统设计

测控技术

机电工程技术!""#年第$%卷第"#期

基于ＬａｂＶＩＥＷ的高速电机测速系统设计-李学聪，李栩然，谢阳阳，万

（广东工业大学自动化学院，

广东广州

频

５１００９０）

摘要：在很多与电机控制相关的工业过程中，都需要有一个在较大速度范围内具有分辨率高、响应快捷准确的测速系统。本文介绍了基于ＬａｂＶＩＥＷ的高速电机测速系统的设计及搭建方案，包括外部信号引进、数据采集、内部程序框图和人机界面设计，提出了在ＬａｂＶＩＥＷ下高速连续采集及数据分析处理、存盘等的实现方法。同时，文章还对虚拟仪器的概念和ＬａｂＶＩＥＷ的编程环境做出简单介绍，并列出了部分实验数据以供分析。关键词：高速电机；转速检测；虚拟仪器中图分类号：ＴＰ２７３

文献标识码：Ａ

文章编号：１００９－９４９２（２００８）０８－００１８－０３

１引言

随着军工和民用对高速电机的需求，高速电机已成为国内外研究的热点之一

［１］

用于设置用户输入和显示程序输出。它通过各种图标如按钮、旋钮、开关、图表等出现在前面板上，目的是仿真真实仪器的前面板。

框图程序则是利用图形语言对前面板上的控制量和指示量进行控制。它由节点（Ｎｏｄｅ）和数据连线（Ｗｉｒｅ）组成，利用图形语言对前面板上的控制对象即输入量和输出量进行控制。

图标／接线端口用于把ＬａｂＶＩＥＷ程序定义成一个子程序。

。由于高速电机的高功率密度和

高速、高频运行的特点，涉及到材料、机械、电磁、电力电子、自动化、检测技术与计算机控制等多学科的前沿技术，因此需要深入研究的问题很多。而在工业过程实时控制中，转速的监测与控制一般占有很大的比重，它对系统的稳态误差及动态响应性能都有着至关重要的影响辨率的快捷而准确的测速系统是必不可少的。

虚拟仪器作为全新概念的新一代的测量仪器，自１９８７年诞生以来就一直以前所未有的速度迅猛发展。本文的研究内容，就是利用虚拟仪器和ＬａｂＶＩＥＷ的软、硬件开发环境，搭建一个基于虚拟仪器的数据采集系统，实时检测电机转速并显示，同时完成一定的数据处理。

［２］

。因

此，对于此类应用来讲，一个在较大速度范围内具有高分

２．２基于ＬａｂＶＩＥＷ的数据采集

该测速系统所用到的关于ＬａｂＶＩＥＷ的硬件，主要就是ＰＣＩ的数据采集卡，用于数据采集。因此这里只对数据采集相关的硬件做出一定的说明。

数据采集（ＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）是所有测试测量的首要工作。试验测试产生的物理信号通过传感器转换为电压或者电流一类的电信号，然后通过数据采集卡将电信号采集传入ＰＣ机，借助软件控制数据采集卡进行数据分析、处理。ＬａｂＶＩＥＷ因其简便的程序编写、支持多种数据采集卡、强大的数据处理和友好的人机界面而成为控制、开发数据采集卡的最佳软件。用户可以在很短的时间内构建、设计和更改自己的虚拟仪器系统。

２虚拟仪器的应用

ＬａｂＶＩＥＷ是ＬａｂＶｉｒｔｕａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＷｏｒｋ－ｂｅｎｃｈ（实验室虚拟仪器集成环境）的简称，是由美国ＮＩ

公司创立的一个功能强大而又灵活的仪器和分析软件应用开发工具。功能包括函数数值运算、数据采集、数据分析、信号生成、信号处理、输入，输出控制，以及图像获取、处理和传输等等

［３］

。

２．１ＬａｂＶＩＥＷ的软件平台

一个ＬａｂＶＩＥＷ程序包括三个主要部分：前面板、框图程序、图标／接线端口。

前面板是ＬａｂＶＩＥＷ程序的交互式图形化用户界面，

３基于ＬａｂＶＩＥＷ的高速电机测速系统的设

计

３．１外部电路设计及信号模拟输入

该转速测试系统的信号转换电路来自于实验室的检测试验台，该试验台可输出电压、频率等多种信号，以供采

-广东省科技计划项目（编号：２００５Ｂ１０１０１０７４）；广东省自然科学基金项目（编号：５００１８１８）

机电工程技术!""#年第$%"#期卷第测控技术

集卡进行采集。然后通过虚拟仪器开发平台ＬａｂＶＩＥＷ一个巴特沃斯高通滤波器，截止频率为１００Ｈｚ，使用低通滤波器对原始信号进行滤波就能去掉高频噪声，再将得到的结果作为原始信号输出显示，就是带干扰的信号。

８．２０来编程实现数据的输入、显示、保存。本系统采用的

数据采集卡是ＮＩＰＣＩ－６２２１。

该系统测速采用光断续器，这是一种由光谱特性相同的发光二极管与光敏三极管组成对管，安装成对称形式而形成的光电开关。其原理是：当发光二极管照射旋转电机叶片时，光反射于光敏三极管，形成光电流，将光电流放大（１＋Ｈｆｅ）倍，具有极高的灵敏度。光敏三极管有时有光和无光的照射，就产生脉冲波形，通过测量电路的处理，就可测出电机的转速

［４］

２）从上一环节得到的信号为带高频噪声的信号，紧

接着就是对其进行滤波处理，以得到良好输出特性的信号。程序中使用数字ＦＩＲ滤波器（ＤｉｇｉｔａｌＦＩＲＦｉｌｔｅｒ）来完——成此项工作。在具体设置时，将其默认设为：Ｔｏｐｏｌｏｇｙ—

ＦＩＲｂｙＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ；——Ｌｏｗｐａｓｓ；Ｔｙｐｅ———ＬｏｗｅｒＰＢ—

——２０．００。１０．００；ＬｏｗｅｒＳＢ—

。系统外部电路的硬件组成为３）由于数据采集得到的数据为频率信号，因此必须

经过换算才能得到转速值，由于采用光电测速，使用的计算式是ｖ＝６０ｆ／ｚ，其中ｆ为频率，ｚ为电机叶片数，ｖ为转速。数据的测定主要是通过根据现实中的电机运行而编制的反映电机运行状态的程序，包括电机转速最高及最低速检测、边界测定、超速报警等。

ＣＳＹ２００１Ｂ型传感器系统综合实验台、光纤光电传感器实

验模块、频率计、数据采集卡及若干接线。其接线示意图如图１所示。

４）数据的存储和读出分为两部分，一部分通过设定

数据格式，然后存盘；另一部分通过设定路径、读出字符数等完成读取数据，并在前面板显示。

整个系统的程序框图如图３所示。

３．３人机界面说明

图１

外部硬件接线示意图

从总体界面上看，该人机界面大体可分为５个部分：波形及数据显示面板、转速测定设置面板、滤波器设置及其状态、数据存储与读出设置、数据采集设置。

３．２程序框图说明

本系统在软件开发上引入了“虚拟仪器”的概念，开发了３块虚拟的仪器面板，包括数据采集面板、数据分析面板和参数设置面板。程序的设计流程图如图２所示。

程序主要分为４个部分。一是信号的采集及相关处理；二是数据的滤波及拟合显示；三是数据转换计算及各项测定；四是数据的实时存储和读出。

１）波形及数据显示

这部分主要包括速度信号边界检测视窗和速度盘的显示面板，同时还显示了最高转速和最低转速，电机叶片数—转速转换计算公式，只要设置便主要是涉及到频率——

可。从速度曲线的显示器窗口中可以观察到信号在最近一段时间的变化趋势。另外，还模仿了汽车速度表，设计了电机的速度表盘，能很方便的知道转速的粗略值和当前电动机转速的增减趋势。

１）信号的数据采集适用的是ＤＡＱＡｓｓｉｓｔａｎｔ节点。本

设计中干扰信号的模拟，是将采集到的原始数据与白噪声相互叠加，得到受干扰的信号。具体做法是将白噪声通过

２）转速测定设置

该部分主要是供用户设定允许的最高转速和边界转速，目的是为了监测电机是否按规定正常工作。报警灯在电动机正常工作时不亮，若采集到的数据大于原先设定的最高允许转速时则变成红色，提示报警。并且弹出对话框“电动机异常，请停机检查”来提醒操作员停机，伴随对话框的弹出还可以听到报警声，直至电机恢复正常系统才解除警报。另外该系统还实时检测电机转速所到达的范围，若采集到的数据显示电机在设定的转速范围内运行，则通过“正常运行”指示

图２程序设计流程图

灯发亮来指示当前状态。

图３系统程序框图

３）滤波器设置及其状态

在人机界面上，用户还可以通过选择ＦＩＲ滤波器的设计滤波器的方法（Ｔｏｐｏｌｏｇｙ）来设置滤波器，主要有以下四种方式：Ｏｆｆ、ＷｉｎｄｏｗｅｄＦＩＲ、Ｅｑｕｉ－ｒｉｐｐｌｅＦＩＲ、ＦＩＲｂｙ

５）数据采集设定

这一部分主要是数据采集的一些参数的设置，如采样率、具体使用的采样通道等。

人机界面图如图４所示。

Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ

［５］

。滤波器的状态在左上角显示。

３．４实验数据分析

将外部器件按接线图接好后，设置数据采集卡为频率的模拟输入，使得脉冲频率信号通过采集卡通道进入计算机，再由程序进行处理。表１是测得的一组数据比较。

４）数据存储及读出

用户可以通过前面板简易地设置欲将数据存盘的路径，系统会将所有的数据以文本形式存入计算机硬盘。也可以通过输入存档的文件路径，调出数据在带拖动条的“读出的数据”窗口进行察看。

Ｎｏ．１２３４５

表１

频率（ｋＨｚ）

实验数据记录

显示转速（ｒ／ｍｉｎ）

误差（％）

实际转速（ｒ／ｍｉｎ）

０．０２００．０５５０．０７３０．１０４０．１６０

６００１６５０２１９０３１２０４８００

６１９１６９９２２２１３１６２４８４７

３．２３．０１．４１．３０．９

表１数据为将试验平台ＣＳＹ２００１－Ｂ上的引出实验电机接线信号（脉冲序列）接入数据采集平台ＢＮＣ－２１２０，同时将该信号引出接到频率计进行显示对比而得到的。从上述数据可以看出在低转速下系统的误差较大，到了脉冲

图４

人机界面图

频率较高时误差较小。误差范围基本上控制在１％～３％的范围内，符合工程要求。

（下转第１０６页）

来，也就是把“模拟地”和“数字地”断开。由于光电耦合器具有很高的输入／输出绝缘电阻和较高地输出阻抗，被测信号可通过光电耦合器获得通路，而共模干扰信号由于不成回路而得到有效抑制，因此，在ＰＬＣ控制系统现场Ｉ／Ｏ信号经光电耦合器隔离，与ＰＬＣ系统本体分开，切断了干扰噪声的通道，解决了输入输出

图５

输入输出点的旁路电阻

回路的抗干扰问题，是系统调试方便，运行可靠

式中：Ｕｍ为输入信号源或外部负载电压的最大值；

［２］

。

在３ＭＺ２０３Ｄ专用磨床的ＰＬＣ控

制系统中，采用了以上几种方式的抗干扰措施，取得了良好的系统抗干扰能力，该系统经过了一段时间的使用，未出现由于干扰而引起的误动作，整个ＰＬＣ系统的故障率也下降了，系统运行正常。

Ｉ１为输入信号源或输出晶闸管最大漏电流；Ｉｎ为输入点或外部负载的额定电流。

４结束语

要提高ＰＬＣ控制系统的抗干扰的措施还有很多，本文仅探讨和应用了常用的硬件抗干扰和保护措施。在实际应用当中，又充分考虑对ＰＬＣ的各种不利因素，在硬件设计中采取适当的保护措施，就完全可以使控制系统安全可靠地运行。

参考文献：

［１］刘美俊．提高ＰＬＣ控制系统可靠性的探讨［Ｊ］．电气传动自

动化，２０００（１０）．

图６光电耦合器［２］郭宗仁．可编程序控制器及其通讯网络技术［Ｍ］．人民邮电

出版社，１９９９．

３．６输入输出信号采用光电隔离措施的抗干扰设计

利用光电耦合器的开关特性实现输入和输出信号的完全隔离，是抑制干扰的有效措施之一。光电耦合器如图６所示。光电耦合器把各种模拟负载和数字信号源隔离开

第一作者简介：钱晓光，男，１９６６年生，江苏无锡人。大学本科，工程师。研究领域：轴承生产设备变频器的维修和程序设计。已发表论文１篇。

（编辑：向飞）

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（上接第２０页）

４结论

本文提出了一种基于ＬａｂＶＩＥＷ的高速电机测速系统的设计，详细介绍了理论上的研究和具体的设计方法，并进行了简单的模拟运行，通过实验验证了系统的正确性，基本达到了标准要求，具有广泛的实用性。

参考文献：

［１］张广溢，郭前岗．电机学［Ｍ］．重庆：重庆大学出版社，

［３］杨乐平，李海涛．ＬａｂＶＩＥＷ程序设计与应用（第２版）

［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００５．［４］林德杰．电气测试技术（第２版）

版社，２００４．

［５］张毅，周绍磊，杨秀霞．虚拟仪器技术分析与应用［Ｍ］．北

京：机械工业出版社，２００４．

［Ｍ］．北京：机械工业出

２００２．

［２］王凤翔．高速电机的设计特点及相关技术研究［Ｊ］．沈阳工

业大学学报，２００６，２８（３）：２５８－２６３．

第一作者简介：李学聪，男，１９７８年生，广东信宜人，博士研究生。研究领域：数据采集、机器视觉、自动化装置。已发表论文

１１篇。（编辑：吴智恒）

Abstracts

08-08-13StrategyofBatteryManagementSystemBasedonInstantaneousEquilibriumforHybridElectricVehicle

PEIFeng1,ZHAOKe-gang2(1.AutomotiveEngineering

institute,GuangzhouAutomotiveGroupCo.,Ltd,Guangzhou510640,China;2.SchoolAutomotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)

aredesigned.Theair-conditioningcontrolstrategyisbuilttorealizetherequestsofthecleanoperatingroom.

Keywords:programmablelogiccontroller;cleanoperatingroom;air-conditioningcontrolsystem;stableairvolumesystem

Abstract:Theindispensableofbatterymanagementsystemanditselementarystructurearementionedatfirst.Thenakindofbatterymanagementsystemisdetailed,includingsoftwareandhardwarewhichtheHCS12seriessinglechipofMotorolaCompanyandbatterymonitorchipDS2438formsthesystem'score.Thecontrolstrategyofthesystembasedonfuzzylogiccontrollerisdetailed,theapplicationeffectisanalyzed,anditsconvenienceandeffectivenessforinstantaneousequilibriumarealsoproven.

Keywords:electricvehicle;battery;instantaneousequilibrium;controlstrategy

08-08-25DesignofMetroDoorControlSystemBasedonCANopenTrainCommunicationNetwork

SONGJia-jing,LIUZhi-gang(SchoolofElectricalEngineering,

SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

08-08-18TheDesignofHigh-speedMotorSpeedDetectingSystemBasedonLabVIEW

LIXue-cong,LIXu-ran,XIEYang-yang,WANPin(Facultyof

Automation,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510090,China)

Abstract:Withapplicationexampleofmetrodoorcontrolsystem,thelogicalprincipleofusingPLCtobedoorcontrollerforimplementingmetrodoorcontrolisanalyzedinthispaper.Acompendiaryintroductionofhigh-levelprotocolbasedonCANandtraincommunicationnetworkwhichusedCANopenprotocolisgiven.ProjectofusingPLCdoorcontrollertobeaslavenodeinCANopentraincommunicationnetworkisdesignedforimplementingdoorstatusmonitoring,faultdiagnosisandthecontrolofmetrodoorarerealizedviaNetwork.

Keywords:CANopenprotocol;traincommunicationnetwork;PLCdevice;metrodoor;controlsystem.

08-08-30EmbeddedDesignoftheRemoteControloftheLaserMarkerbyUsingμC/OS-Ⅱ

ZHOU

Min,YANGYong-qiang,LIYang,LIANGKun

(MechanicalEngineeringCollege,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)

Abstract:Inmanymotorcontrollingandrelatedindustrialprocess,thereneedsaspeeddetectingsystemwhichhasgreaterrangeofspeedswithhighresolution,fastandaccurateresponse.ThispaperintroducesthemethodofdesigningandstructureaLabVIEW-basedhigh-speedmotorspeeddetectingsystem,includingexternalsignalintroduction,dataacquisition,internalproceduresdiagramandhuman-machineinterface.Besides,thepaperalsobringsforwardtheapproachofcontinuoushigh-speeddataacquisitionanditsanalysis,inventorymethodaswell,whichisbasedonLabVIEW.Meanwhile,thearticlealsogivesabriefintroductionoftheconceptofvirtualmachinesandtheprogrammingenvironmentofLabVIEW.

Keywords:high-speedmotor;speeddetecting;virtualinstrument

Abstract:Theremotecontrolofthelasermarkerisatypicalproductadoptedembeddedsystemandhuman－machineinterface．InordertooperatethelasermarkerconvenientlyandsavethecostofPCcontrol，agraphicalinterfacehasbeendevelopedintｈeembeddedoperatesystemμC／OS－ⅡbyusingARMprocessor．Thehardwareandsoftwaredesignoftheremotecontroliscompletedinthedesign,μC／GUIissuccessfultransplantedtothetargetsystemandtheprogrammingofGUItaskiscompleted.

Keywords:lasermarker;remotecontrol;embeddedsystem；μC／GUI

08-08-21TheDesignofIntelligentVibrationExaminationSystemBasingonBluetoothTechnology

HUAXue-hui,LIUNan-ping,CHENDa-li(1.Guangdong

SongshanPolytechnicCollege，Shaoguan512126,China;2.TianjinNormalUniversity,Tianjin300387,China）

1

2

1

08-08-34PositioningAccuracyMeasurementandItsErrorCompensationofXK712BMillingMachine

ZHAOYong-hao(GuangdongMachineryResearchInstitute,

Guangzhou510635,China)

Abstract:ThispaperdesignedtheintelligentvibrationexaminationsystembasedontheBluetoothtechnology.ThesystemusedtheSCMof12bitA/Dtransformationasthecontrolcore,theBlueCore2-externalofCSRCorporationastheBluetoothmoduleandtheUSBinterfacetocommunicatewithcomputer.Thusthehighaccuracydataacquisitiontransitionplatformwascomposedbydatastorage.

Keywords:Bluetooth;oscillationmeasure;BlueCore2-external;CygnalF010;PDIUSBD12

Abstract:ThispaperintroduceshowtousethelaserinterferometersysteminpositioningaccuracymeasurementoftheXK712BCNCmillingmachinewithSiemens802Ccontrolsystem,andpresentspitchcompensationmethodtoincreasethemachinetoolprecision.

Keywords:802C;laserinterferometer;XK712BCNCmillingmachine;pitchcompensation

08-08-37ImprovingonMachineToolCentralizedLubricationSystemControl

RAOHuan-rong(MeizhouGearFactory,Meizhou514016,China)Abstract:Thispaperintroducesfourusualkindsofmachinetoolcentralizedlubricationsystemcontrolmode,whichhavethefunctionofintervaltimeandlubricationtimecontrol,andthenpointouttheirshortcomings,finallypresentsadesignofnewelectricitycircuitcontrolledwiththecount-downtimer.

Keywords:machinecentralizedlubricationelectricitysystem;shortcoming;count-downtimer;improve

08-08-23Air-conditioningControlSystemDesignoftheCleanOperatingRoom

YUBin-gao,LUOGeng-he(Xi'anAerotechnicalCollege,Xi'an

710077,China)

Abstract:Torealizetheair-conditioningcontrolofthecleanoperatingroom,thecontrollingrequestsofthecleanoperatingroomair-conditioningareanalyzedinthispaper.Accordingtheairdisposesystem,thecontrolsystem,whichisconsistedwith08-08-38ApplicationofNeuralNetworkinPneumaticMotorManipulatorController

Instituteof

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/z1n1.html