摘要：為了監(jiān)測無刷直流電機控制器的控制性能，在開發(fā)控制器過程中應用了虛擬儀器技術，設計采用LabVIEW編寫可與控制器交互的上位機軟件；通信部分采用成本低，易控制的標準串口總線來實現(xiàn)電機轉速、電壓、母線電流的PI參數的數據傳輸；設計的上位機PI參數調整方法優(yōu)于傳統(tǒng)的逐次燒寫法，從而降低了硬件損耗與時間成本；上位機軟件系統(tǒng)采用開放式設計，使之不依賴于下位機型號與工作模式，具有較強的通用性。測試表明，設計的系統(tǒng)能完成實時監(jiān)測以及控制器的控制參數設定等功能。
關鍵詞：虛擬儀器；直流電機；電機控制器；數據采集

    虛擬儀器是基于通用計算機軟硬件的測試平臺，已經在工業(yè)控制測試領域有了廣泛的應用。LabVIEW是由美國國家儀器公司推出的虛擬儀器開發(fā)工具，應用圖形化編程方式，功能強大，界面友好，擁有豐富的計算函數，高級的采集和信號分析控件，完善的仿真調試工具，動態(tài)的連續(xù)跟蹤方式。目前國內已開展將虛擬儀器應用于電機測控方面的研究，但開發(fā)的系統(tǒng)檢測項目有限，如徐軍教授開發(fā)的基于NI數據采集卡的電機性能檢測系統(tǒng)，只能測量電機三相功率，負載特性等。而進行電機控制器開發(fā)測試時還經常要觀測電機的電壓、電流及轉速，它們是電機啟動及調速的關鍵參數；另外目前電機調速常用的雙閉環(huán)PI算法中Pl參數的調整往往是根據經驗及試驗的方式設定，過程相當繁瑣。所以開發(fā)一款軟件解決這些問題很有必要。本文中應用LabVIEW編寫上位機軟件，軟件分為數據檢測和PI參數設定兩個基本模塊。并應用控制芯片獨立的串口通信接口與上位機實現(xiàn)了數據的檢測及PI參數的設定。

1 系統(tǒng)結構
    系統(tǒng)原理結構框圖見圖1。

    該設計中下位機可使用獨立于控制器的單片機或DSP，但為了能直接方便地設置電機控制PI參數，直接使用了控制器上的控制芯片。主控制芯片采用瑞薩電子一款電機控制專用16位單片機R5F212L4SNFP，它自帶6路PWM，9路10位的A／D轉換器，1．5 KB數據FLASH，兩個獨立的串行通信接口，并擁有串口通信的獨立定時器；在完成控制功能之余有足夠的端口完成與上位機的通信。LabVIEW使用通用接口總線(GPIB)，標準串行總線(RS 232)，VME儀器擴展(VXI)和其他硬件標準與外部儀器通信及控制外部儀器。考慮到硬件成本及方便性這里采用RS 232標準串口通信方式。系統(tǒng)能觀測的數據有電壓、電流、轉速等。電流由毫歐級采樣電阻采樣并適當上拉后接入A／D端(測量的是在每個方波的中點激發(fā)A／D轉換采集的值)；電壓由精密電阻分壓后接入A／D端；電機轉速可由換相信號計算得出；電機轉速的設定是芯片外的一個線性電壓值經A／D轉換后計算給定；控制芯片通過電平轉換芯片TC232與上位機完成串行通信，本文主要介紹上位機程序的設計，控制硬件因篇幅不作介紹。

2 通信協(xié)議設計
    該設計通信約定由上位機軟件發(fā)送，包含PI參數和數據讀取設定的指令；下位機(R8C／2L)接收數據后解析數據，若判斷系統(tǒng)工作于PI參數設定模式時，保存并更新PI參數，若工作于數據采集模式，則根據命令符選擇電流電壓A／D轉換通道或計算電機轉速及設定轉速，并發(fā)送到串口。
2．1 數據長度協(xié)議
    數據長度定義和命令符協(xié)議分別見表1、表2。當系統(tǒng)工作于數據采集模式時，上位機依次發(fā)送字符1，2，3，4，并依次根據協(xié)議返回測量值。當系統(tǒng)工作于PI參數設定模式時，由上位機依次發(fā)送速度環(huán)，電流環(huán)的Kp，Ki值，并約定在數據之首添加參數識別符A，B，C，D；即速度環(huán)參數模式為A+Kp，B+Ki；電流環(huán)的參數模式為C+Kp，D+Ki。

2．2 LabVIEW通信編程相關
    在LabVIEW中串口通信主要用到NI VISA編程，NI-VISA(Virtual Instrument Software Architecture)是美國國家儀器NI(National In-strument)公司開發(fā)的一種用來與各種儀器總線進行通信的高級應用編程接口。VISA表示可視化儀器軟件結構，從本質上講，VISA是用于控制GPIB，串口或VXI儀器以及根據根據儀器類型進行適當調用的VI(類似于傳統(tǒng)語言的函數或子程序)庫。這里串口操作主要用到的4個節(jié)點見圖2，即串口的配置、串口寫、串口讀、串口關閉等。

3 LabVIEW程序設計
    上位機程序功能為：配置串口，選擇工作模式；發(fā)送PI參數或發(fā)送采集數據指令，讀取數據，轉換并顯示。程序流程圖見圖3。

    串口配置完成后可由生成的前面板設置串口通信參數，打開串口時，要設定串口的屬性需要設置串行通信的波特率，數據位數，奇偶校驗和停止位的個數。正確打開串口后，就可以獲得一個VISA資源連接，將這個連接接到VISA串口讀／寫VI節(jié)點，就可以實現(xiàn)對計算機串口的讀／寫。串口前面板效果如圖4所示。用事件結構可進行工作模式的設定判定。當模式按鈕為TRUE時工作于數據采集模式，為FALSE時則工作于PI參數設置模式；當工作于數據采集模式時完成字符1，2，3，4依次寫入VISA字符串寫節(jié)點。循環(huán)結構中同樣套用了事件結構，相關程序如圖5所示。

    當工作于PI參數設定模式時完成PI參數的發(fā)送，程序中主要用到了字符串轉換節(jié)點和字符串連接節(jié)點，工作程序如圖6所示。為了能直觀地顯示檢測數據，前面板采用表盤形式顯示，同時為了方便后邊的Graph方式的顯示，將讀回的數據轉換并設置成局部變量，相關程序見圖7。將數據讀回后顯示成Graph形式則更能展示出相關數據的橫向變化趨勢，程序采用了下拉菜單及Graph顯示模塊，用事件結構完成下拉菜單，這樣設置可以同時顯示時時電機轉速與相關參數的關系，在事件結構中分別設定顯示控件的顯示刻度屬性節(jié)點使其自動適應所接受數據范圍。相關程序如圖8所示。實測中前面板效果如圖9所示。

    整個程序的編程過程中主要采用了for循環(huán)，順序結構以及事件結構等編程方法，整體程序如圖10所示。

4 系統(tǒng)測試
    連接好電機與控制器，插接串口線，啟動主程序及控制器后，設定串口參數，首先工作于PI設定模式，調整好PI參數，然后切換至數據采集模式；即開始采集數據，并調整轉速A／D端電壓設定電機速度。綜合實測效果如圖11所示，面板中表盤控件與Graph控件被拖入Tap con-trol控件中重疊顯示，Tap control第一部分(圖11)采用表盤形式，Tap control第二部分(見圖9)采用Graph形式顯示。實測中的電壓、電流、轉速分別與實體電壓表、電流表、測速機比對證實數據準確；下位機設計了PI參數回讀程序，顯示結果一致。

5 結語
    設計采用LabVIEW編寫輔助程序應用于無刷直流電機控制系統(tǒng)開發(fā)過程中，利用少量軟件空間，不增加硬件負擔。實現(xiàn)了可根據用戶需要選擇工作模式，可根據需要擴展或更改測量項目、設置相關控制參數等功能，界面友好，操作簡單，減少了開發(fā)過程中的硬件損耗及時間成本。另外文獻提到在串口通信設計上應用MSCOMM32．OCX控件(專門用于串口通信的Activex控件)，將能提高上位機CPU的利用率，后續(xù)系統(tǒng)
也將做相應的改進。