虚拟仪器在电机控制器开发中的应用

    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。pcb抄板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。
    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。
    3 LabVIEW程序设计
    上位机程序功能为：配置串口，选择工作模式；发送PI参数或发送采集数据指令，读取数据，转换并显示。程序流程图见图3。
    串口配置完成后可由生成的前面板设置串口通信参数，打开串口时，要设定串口的属性需要设置串行通信的波特率，数据位数，奇偶校验和停止位的个数。正确打开串口后，就可以获得一个VISA资源连接，将这个连接接到VISA串口读／写VI节点，就可以实现对计算机串口的读／写。串口前面板效果如图4所示。用事件结构可进行工作模式的设定判定。当模式按钮为TRUE时工作于数据采集模式，为FALSE时则工作于PI参数设置模式；当工作于数据采集模式时完成字符1，2，3，4依次写入VISA字符串写节点。循环结构中同样套用了事件结构，相关程序如图5所示。