基於Arduino與LabVIEW的直流電機轉速控制系統

2021-01-08 電子產品世界
多數的Arduino控制器都是基於Atmel公司的AVR系列單片機的，AVR單片機的片內資源非常的豐富，有ADC、定時器、外部中斷、SPI、IIC、PWM等功能，且Arduino控制器的PWM採用的是定時器相位修正PWM（頻率約為490Hz）和快速PWM（頻率約為980Hz，Uno的5、6和Leonardo的3、11），這也就導致了全部的定時器都被被佔用了，從而不能很方便的使用定時器設置一個中斷來實現一個周期的任務，而一般需要通過讀取系統已運行時間來判斷定時時間是否已經達到。例如，通過增量式編碼器來測量電機的轉速，常規的單片機的程序架構是通過定時器來實現精確的時間定時，並利用外部中斷來實現對脈衝數目的計數，然後計算出一定時間內脈衝的數目，從而得到轉速數值並輸出。

直流電機是Arduino機器人製作中的主要動力來源，但是由於電機的參數一致性有所差別，即使是相同型號的電機在相同電壓下的轉速都不完全相同，而且在帶負載或負載不同的情況下，更加會導致電機轉速發生變化，這就會導致製作的Arduino輪式機器人不能實現直線行走，因為這是一個開環控制，沒有任何反饋信號返回。如果給直流電機加上編碼器作為反饋器件，也就可以測量得到電機的當前轉速，如果將其與設定值計算差值，並通過PID算法計算得到新的控制信號，從而可以動態的測量和控制電機的轉速，形成一個閉環控制系統。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201701/337030.htm

下面我們利用帶有編碼器的直流電機、Arduino控制器、直流電機驅動板和LabVIEW上位機軟體以實驗探索的形式來設計一個直流電機轉速比例控制實驗。

1．TimerOne定時器庫

1.1下載及使用方法

TimerOne定時器庫使用AVR單片機內部的定時器1實現定時中斷的功能，其下載地址為：https://code.google.com/p/arduino-timerone/，只需要更改幾個參數即可使用定時器中斷來實現周期性執行的任務。需要注意的是，如果使用了TimerOne定時器庫，也就不能在相應的引腳輸出PWM電壓，Uno上的定時器與PWM引腳的關係如表1所示。

表1定時器與PWM引腳的關係

定時器

OC0A

OC0B

OC1A

OC1B

OC2A

OC2B

PWM引腳

6

5

9

10

11

3

TimerOne定時器庫函數庫中自帶的ISRBlink程序如程序代碼1所示，可以實現13號管腳上LED的5Hz頻率的閃爍。

程序代碼1：ISRBlink示例程序

#include

void setup() {

pinMode(13, OUTPUT);

Timer1.initialize(100000); //設置定時器中斷時間，基本單位為微秒，如設置為100000，則定時時間為0.1秒，頻率為10Hz。

Timer1.attachInterrupt( timerIsr ); //設置用戶自定義的定時器中斷服務函數，每發生一次定時器中斷，均會執行一次定時器中斷服務函數。

}

void loop(){

//主函數，用於執行非周期性任務

}

void timerIsr(){

//反轉I/O口電平

digitalWrite( 13, digitalRead( 13 ) ^ 1 );

}

1.2評估定時時間的準確性

僅僅憑靠眼睛不能判斷定時時間是否準確，下面我們設計一個實驗來評估定時時間的準確性。我們需要將上面示例代碼中的Timer1.initialize(100000)更改為Timer1.initialize(1000)，digitalWrite( 13, digitalRead( 13 ) ^ 1 )更改為digitalWrite(2, digitalRead( 2) ^ 1 )，通過反轉I/O的電平實現數字埠2輸出500Hz的近似方波。

同時，我們使用NI USB-6009可攜式數據採集卡和LabVIEW 2012軟體實現一個簡易的模擬量採集器，將Arduino控制器上的數字埠2和GND分別與NI USB-6009可攜式數據採集卡上的AI0/AI0+和AI4/AI0-相連接，NI USB-6009可攜式數據採集卡接口示意圖如圖1所示，Arduino Uno控制器與USB-6009可攜式數據採集卡的連接圖如圖2所示。然後使用10kps的採樣率，5秒的採樣時間的參數採集Arduino控制器上的數字埠2輸出的方波信號，取其前20ms的波形如圖3所示，通過波形頻率分析工具測量得到其頻率為499.901Hz。

另外，我們又將定時時間設置為100微秒、50微秒和25微秒，並使用NI USB-6009可攜式數據採集卡和LabVIEW 2012軟體以45kps的採樣率和2秒的採樣時間分別採集了數字埠2輸出的波形數據並進行頻率分析，得到其頻率分別為4999.01Hz，9998.03Hz，19996Hz。從以上數據對比分析可知，定時器的定時時間非常準確，頻率測量誤差主要來自於I/O反轉操作延時導致的。

最後，我們還測試了OCROBOT MEGA 2560控制器、Arduino Uno控制器山寨版輸出的500Hz的方波信號頻率，分別為500.435Hz和499.764Hz。

圖1 NI USB-6009接口示意圖

圖2 NI USB-6009與Arduino連接示意圖

圖3定時器中斷產生的500Hz方波信號

2.轉速測量

2.1測量轉速方法

測量轉速方法有3種，分別為測頻法(M法)、測周法(T法)及混合法(M/T法)。

測頻法是在一定時間內，通過測量旋轉引起的單位時間內的脈衝數，實現對旋轉軸轉速測量的一種方法，適用於高、中轉速的測量。該法本質上屬於定時測角法，為提高測量的準確度，有時採用多標記或開齒的方法，其不確定度主要取決於時間測量和計數量化。

測周法是在轉速脈衝的間隔內，用時鐘脈衝來測量轉速的一種方法，適合於低轉速測量。該法實際上就是定角測量法，即用時標填充的方法來測量相當於某一旋轉角度的時間間隔。在高、中轉速時，可採用多周期平均來提高測量準確度，其不確定度主要取決於時間測量、計數量化及觸發的不確定度。

混合法是在測頻法的基礎上，吸取測周法的優點匯集而成的一種轉速測量方法。它是在轉速傳感器輸出脈衝啟動定時脈衝的同時，計取傳感器輸出脈衝個數和時鐘脈衝個數，而當到達測量時間時，先停止對傳感器輸出脈衝的計數，在下一個定時脈衝啟動之前再停止時鐘脈衝的計數。因此，該種方法可在較寬的範圍內使用。

此處，我們選擇測頻法來測量轉速，其工作原理為：當被測信號在特定時間段T內的周期個數為N時，則被測信號的頻率f=N/T。

2.2轉速測量程序設計

利用TimerOne定時器庫來實現定時，通過外部中斷對電機編碼器輸出的脈衝進行計數，計數值除以定時時間即為一定時間內的轉速。實現1秒內轉速測量的程序如程序代碼2所示。

程序代碼2：轉速測量程序

#include

long counter_val[2] = {0,0};//定義數組，用於存放外部中斷計數值

byte CurCnt = 0;//定義當前計數器標誌，用於判斷當前正在計數的數組

int j=0;//定義定時器中斷標誌，用於判斷是否發生中斷

void setup() {

delay(2000);

Serial.begin(115200);//初始化波特率為115200

attachInterrupt(0, counter, RISING);//設置中斷方式為上升沿

Timer1.initialize(1000000); //設置定時器中斷時間，單位微秒，此處為1秒

Timer1.attachInterrupt( timerIsr ); //打開定時器中斷

interrupts();//打開外部中斷

}

void loop()

{

long lTemp = 0; //定義臨時存儲數據變量

if(j==1)//判斷是否發生定時器中斷，即定時時間是否到達

{

j=0; //清除定時器中斷標誌位

if((CurCnt&0x01) == 0) //當前使用的是偶數計數器，則上次頻率值存放在第二個元素中

{

lTemp = counter_val[1];//讀取數組第二個元素中的數值

counter_val[1]=0;//讀完清除原來的數值，以便下次使用

}

else//當前使用的是奇數計數器，則上次頻率值存放在第一個元素中

{

lTemp = counter_val[0];//讀取數組第二個元素中的數值

counter_val[0]=0;//讀完清除原來的數值，以便下次使用

}

Serial.print("S");//發送幀頭大寫S

Serial.print( lTemp);//發送頻率數據，並回車換行

}

}

//外部中斷處理函數

void counter()

{

//通過當前計數器來實現對外部中斷計數值存儲的切換

counter_val[CurCnt& 0x01] += 1;//發生一次中斷則加1

}

//定時器中斷處理函數

void timerIsr()

{

j=1;//置位定時器中斷標誌位

CurCnt++; //當前計數器的值加1，實現另一個計數值切換

}

2.3驗證頻率測量的準確性

前面提到了Arduino的模擬輸出（PWM）的頻率約為490Hz，且轉速測量採用的是測頻法，此時用來正好來驗證一下程序設計的正確性。在上面的轉速測量程序中的void setup()裡面delay(2000)之前增加如下代碼，以產生方波。串口輸出的頻率測量結果如圖4所示。

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