摘 要： 永磁同步電機(jī)廣泛地應(yīng)用在各種場合， 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)良好的控制， 實(shí)時(shí)監(jiān)測電機(jī)運(yùn)行中的各參數(shù)是很有必要的。介紹一種以TI 公司的TMS320F2812 系列DSP 作為控制器， LabVIEW 串口通信為基礎(chǔ)， 將各路傳感器采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)向上位機(jī)發(fā)送的方法， 實(shí)現(xiàn)一種方便適用、成本低廉、以一個(gè)串口實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)各參數(shù)多通道數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 該方法可以滿足實(shí)際使用的要求， 實(shí)現(xiàn)了對(duì)永磁同步電機(jī)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測， 方便對(duì)電機(jī)進(jìn)行更好的控制。

　　0  引言

　　近年來， 永磁同步電機(jī)由于具有定位高、系統(tǒng)響應(yīng)快且無超調(diào)、調(diào)速范圍寬等顯著特征， 已經(jīng)成為伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中理想的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。再加上用于電機(jī)控制的DSP 芯片的發(fā)展， 使得電機(jī)能更廣泛的應(yīng)用于電力電子技術(shù)應(yīng)用、電機(jī)伺服控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。然而永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 控制過程中需要監(jiān)控的參數(shù)比較多， 要想對(duì)電機(jī)進(jìn)行良好的控制， 實(shí)時(shí)采集電機(jī)各參數(shù)是非常有必要的。

　　在工業(yè)控制中， 串口是常用的計(jì)算機(jī)與外部串行設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ馈６摂M技術(shù)的發(fā)展， 使得L abVIEW 越來越廣泛用在測試領(lǐng)域。LabVIEW 和串口通信的結(jié)合， 可以使一些測試測量更為簡單。另外軟件中自帶的大量的數(shù)據(jù)分析處理工具包， 可以很方便的完成許多非常復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理工作。

　　1  系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)中， 結(jié)合了串口通信和L abVIEW 上位機(jī)軟件各自的優(yōu)勢， DSP[3] 控制A/ D 轉(zhuǎn)換器采集各傳感器的數(shù)據(jù)， 使模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)量后， 將各路采集的數(shù)據(jù)以一定的數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)到一個(gè)數(shù)據(jù)幀中， DSP 定時(shí)將此數(shù)據(jù)幀通過串口發(fā)送至PC, 采用LabV IEW 軟件對(duì)串口收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、顯示、處理和存儲(chǔ)。這樣就在不增加硬件成本的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了電機(jī)控制中各參數(shù)簡單的實(shí)時(shí)監(jiān)測， 比傳統(tǒng)的控制器中的數(shù)據(jù)需先經(jīng)D/ A 轉(zhuǎn)換器后變?yōu)槟M量， 再經(jīng)示波器觀測的方法簡單方便很多。

　　永磁同步電機(jī)控制平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。主要包括TMS320F2812 DSP 永磁同步電機(jī)控制平臺(tái)、串口轉(zhuǎn)換電路、LabV IEW 軟件開發(fā)平臺(tái)等。在永磁同步電機(jī)控制平臺(tái)中， 電機(jī)各參數(shù)可通過各路傳感器協(xié)助監(jiān)測， 傳感器采集的信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路后進(jìn)入A D 轉(zhuǎn)換器， 由DSP計(jì)算處理后， 通過串行總線發(fā)送至PC, LabVIEW 軟件將數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理顯示。

圖1 平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)圖

　　2  數(shù)據(jù)采集硬件部分

　　對(duì)于永磁同步電機(jī)的監(jiān)控， 主要需要采集的幾個(gè)參數(shù)是電機(jī)轉(zhuǎn)速、驅(qū)動(dòng)器每個(gè)橋臂的電壓電流、各相電壓之間的相位、控制電壓的頻率以及驅(qū)動(dòng)模塊的溫度。由于進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的DSP 和上位機(jī)系統(tǒng)都是弱電系統(tǒng)， 而電機(jī)和其驅(qū)動(dòng)器都屬于強(qiáng)電系統(tǒng)， 因此進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)對(duì)兩者之間進(jìn)行電信號(hào)的隔離， 這樣可以對(duì)弱電系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)， 同時(shí)也可以降低強(qiáng)電系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的干擾， 本系統(tǒng)中采用將數(shù)據(jù)采集部分整體與強(qiáng)電部分直接連接， 然后， 數(shù)據(jù)采集部分的控制器與上位機(jī)之間的通信采用隔離模塊連接的方法， 這種方式比采用隔離放大器的成本低， 同時(shí)也可以起到保護(hù)上位機(jī)的作用。

圖2  數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　數(shù)據(jù)采集部分的主要結(jié)構(gòu)如圖2 所示。由于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器為三相結(jié)構(gòu)， 因此每相的數(shù)據(jù)都要采集， 這就需要三組電壓和電流傳感器。由于需要采集的電壓和電流屬于強(qiáng)電信號(hào)， 因此采用非接觸式的電壓和電流互感器進(jìn)行采集， 而永磁同步電機(jī)的工作頻率跨度很大， 因?yàn)闉榱诉m應(yīng)這種寬范圍的測量， 應(yīng)選用霍爾型互感器。另外， 為了防止驅(qū)動(dòng)器的IGBT 模塊因?yàn)檫^熱燒毀， 必須在每路的IGBT 上安裝溫度傳感器， 當(dāng)溫度超， 及時(shí)關(guān)斷IGBT。

　　考慮到溫度測量的線性度和范圍， 這里采用Pt100 鉑電阻進(jìn)行溫度采集。對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量， 采用光電編碼器。

　　3  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括DSP軟件程序和上位機(jī)LabVIEW軟件。

　　3. 1  DSP 軟件程序

　　定點(diǎn)DSP 運(yùn)算的數(shù)據(jù)都是定點(diǎn)數(shù)， 為了更好地支持小數(shù)的運(yùn)算， 可以采用Q 格式或S 格式表示小數(shù)。

　　TMS320F2812 可采用Q 格式， Q = 1~ 30, 可以很方便地用32 位定點(diǎn)數(shù)表示不同范圍的浮點(diǎn)數(shù)。

　　在實(shí)際的串口通信過程中， 考慮到PC 的串行緩沖區(qū)多只能接受8 位2 進(jìn)制數(shù)據(jù)。則在DSP 中， 需要將待發(fā)送的32 位定點(diǎn)數(shù)拆分成4 個(gè)8 位數(shù)， 然后依次發(fā)送。實(shí)際的應(yīng)用過程中， 傳送的數(shù)據(jù)是以多個(gè)字節(jié)組成的。要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有多種， 這就需要每個(gè)數(shù)據(jù)都有對(duì)應(yīng)的變量標(biāo)識(shí)和實(shí)際的數(shù)據(jù)值。這時(shí)， DSP 就需要對(duì)每種數(shù)據(jù)進(jìn)行打包， 將變量標(biāo)識(shí)和數(shù)據(jù)組成1 個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀， 再通過串口發(fā)送這個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀。上位機(jī)串行緩沖區(qū)接收到數(shù)據(jù)后， LabV IEW 軟件通過處理， 將數(shù)據(jù)幀中數(shù)據(jù)按一定順序重組， 得出傳感器所在的通道數(shù)和此通道采集的數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)除以定標(biāo)值， 可以很方便地得到每路傳感器采集的浮點(diǎn)數(shù)值。本系統(tǒng)中， 每個(gè)通道傳感器采集的數(shù)據(jù)所組成的數(shù)據(jù)幀如圖3 所示。

圖3 某一通道傳感器采集的數(shù)據(jù)所組成的數(shù)據(jù)幀

　　在圖3 的數(shù)據(jù)幀中， 每個(gè)數(shù)據(jù)幀由7 個(gè)字節(jié)數(shù)組成， 第1 位表示DSP 串口發(fā)送每個(gè)通道采集的數(shù)據(jù)是以16 進(jìn)制字符節(jié)0xAA 作為起始標(biāo)識(shí)。第2 位此傳感器所在的通道數(shù)。

　　第3 位表示采集數(shù)據(jù)的符號(hào)位， 0 表示正數(shù)， 1 表示負(fù)數(shù)。第4~ 7 位表示采集到的數(shù)據(jù)以32 位定點(diǎn)數(shù)表示。如圖4 所示。為2 個(gè)通道采集的數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)幀， 實(shí)際中將10 個(gè)通道采集的數(shù)據(jù)信息以圖3 的格式連接組成一個(gè)更大的數(shù)據(jù)幀， 然后由DSP 串口將此數(shù)據(jù)幀發(fā)送給上位機(jī)。

圖4 2 個(gè)通道采集的數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)幀

　　因?yàn)椴杉鱾鞲衅鞯臄?shù)據(jù)是對(duì)電機(jī)運(yùn)行過程中的控制情況起到監(jiān)測作用， 所以對(duì)數(shù)據(jù)采集的速度要求不是非常高。本系統(tǒng)中，DSP 定時(shí)（ 10 ms） 時(shí)間由串口向上位機(jī)發(fā)送10 通道采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀。

　　3. 2  上位機(jī)軟件部分

　　3. 2. 1  LabV IEW 中串口功能模塊簡介

　　上位機(jī)LabVIEW 軟件的功能模板儀器I/ O 中包含了串行通信常用的功能模塊。包括VISA配置串口、VISA 寫入、VISA 讀取、VISA 設(shè)置I/ O 緩沖區(qū)大小VISA關(guān)閉等8 個(gè)函數(shù)。其中VISA（ vir tual instrument sof twarearchitect ure） 是應(yīng)用于儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/ O 應(yīng)用程序接口， 具有良好的兼容性、獨(dú)立性和擴(kuò)展性。本系統(tǒng)主要使用到VISA 配置函數(shù)（ VISA Conf igure Ser ial Por t） 、VISA讀取函數(shù)（ VISA Read） 和VISA 關(guān)閉（ VISA Close） 函數(shù)。

　　其中VISA 配置函數(shù)主要用于配置串口的初始化， 本系統(tǒng)中使用的串口通信程序的波特率為19 200, 數(shù)據(jù)位為8 位，停止位為1 位。

　　3. 2. 2  LabV IEW 串口軟件流程及被動(dòng)接收方式

　　本文中的LabV IEW 軟件程序主要用到VISA 配置函數(shù)、VISA 讀取函數(shù)、VISA 關(guān)閉串口節(jié)點(diǎn)， 及循環(huán)、條件等程序結(jié)構(gòu)。其中L abVIEW 串口接收數(shù)據(jù)程序流程圖如圖5 所示。

圖5  LabVIEW 串口接收程序流程

　　本系統(tǒng)中L abVIEW 串口采用被動(dòng)接收方式接收數(shù)據(jù)， 為保證接收數(shù)據(jù)的正確性采用數(shù)據(jù)幀的方式進(jìn)行通信。LabV IEW 軟件通過串口配置節(jié)點(diǎn)設(shè)置串口通訊的波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、校驗(yàn)方式、停止位等參數(shù)。參數(shù)設(shè)置好后， 利用讀串口節(jié)點(diǎn)讀取串口緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)， 程序中設(shè)置每次從串口讀取1 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)， 當(dāng)程序判斷該字節(jié)是有效數(shù)據(jù)的開始時(shí)， 就將開始數(shù)據(jù)及后面的共70 個(gè)（ 總共采集10 個(gè)通道的數(shù)據(jù)， 每個(gè)通采集的數(shù)據(jù)由圖1 所示的數(shù)據(jù)幀表示） 字節(jié)數(shù)據(jù)有效的讀取、存取、計(jì)算處理， 整個(gè)程序結(jié)束時(shí)， 利用關(guān)閉串口節(jié)點(diǎn)函數(shù)將占用的串口資源釋放掉。L abVIEW 程序框圖如圖6 所示。

圖6  LabVIEW 串口接收及數(shù)據(jù)處理程序

　　3. 2. 3  數(shù)據(jù)處理

　　當(dāng)LabV IEW 串口接收到DSP 串口發(fā)送來的字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)， 開始判斷這個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)是不是0xAA , 如果此字節(jié)數(shù)據(jù)是0xAA , 并且下個(gè)采集到的字節(jié)數(shù)據(jù)是0x01（ 表示第1通道） , 則表示串口正在發(fā)送的數(shù)據(jù)是第1 通道的數(shù)據(jù)幀，則從0xAA 開始的70 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)都為各通道采集的數(shù)據(jù)?？衫肔abVIEW 的移位寄存器將這70 個(gè)數(shù)據(jù)讀取，并存放到LabVIEW 一維數(shù)組中， 下一步通過對(duì)數(shù)組相應(yīng)位數(shù)的讀取，可以讀取每一通道的符號(hào)位，和4 個(gè)字節(jié)組成的32 位定點(diǎn)數(shù)， 再用條件結(jié)構(gòu)判斷符號(hào)位， 如果為0 則表示采集到的數(shù)據(jù)為正， 為1 表示采集的數(shù)據(jù)為負(fù)， 然后再將32 位定點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為符點(diǎn)數(shù)， 可以得到每通道傳感器采集的值， 通過LabV IEW 的波形圖節(jié)點(diǎn)可顯示出波形。

　　4  測試及結(jié)果

　　為了驗(yàn)證本系統(tǒng)串口發(fā)送的數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)及波形顯示數(shù)據(jù)的正確性， 測試系統(tǒng)固定每個(gè)通道DSP 串口發(fā)送的數(shù)據(jù)， 如果在這種情況下， 發(fā)送的數(shù)據(jù)和LabV IEW 軟件圖形節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)顯示的數(shù)據(jù)一樣， 則本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)正確顯示采集數(shù)據(jù)的功能。使用上述系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)， 取1~ 4通道為例， 第1~ 4 通道， DSP 發(fā)送的數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)幀為： 0xAA, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x01, 0xAA,0x02, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x02, 0xA A, 0x03, 0x00,0x00, 0x00, 0x00, 0x03, 0xAA, 0x04, 0x01, 0x00, 0x00,0x00, 0x04; 圖7 為這四通道DSP 發(fā)送的數(shù)據(jù)的波形

圖7 1~ 4 通道DSP 發(fā)送的數(shù)據(jù)的波形

　　經(jīng)分析驗(yàn)證， 生成的4 路波形， 真實(shí)地反應(yīng)了DSP 發(fā)送的4 路變量。其中， 數(shù)據(jù)定標(biāo)部分， 如果DSP 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了定標(biāo)處理， 則在LabVIEW 中需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的反處理?？梢?， 本系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)： 能夠動(dòng)態(tài)的顯示實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)波形； 能夠正確的顯示采集的數(shù)據(jù)； 可以對(duì)當(dāng)前采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取。

　　5  結(jié)  論

　　本文中的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用DSP 的串口作為數(shù)據(jù)發(fā)送端，L abVIEW 作為數(shù)據(jù)接收端， 實(shí)現(xiàn)了對(duì)多通道傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集， 且LabVIEW 可作為多通道示波器， 正確地顯示出各通道采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)波形。本系統(tǒng)具有成本低， 操作簡單， 界面友好， 功能豐富， 可移植性強(qiáng)， 可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。

　　在實(shí)現(xiàn)以上功能的基礎(chǔ)上， 以后可以對(duì)該平臺(tái)進(jìn)一步擴(kuò)展， 如成本的降低， 硬件系統(tǒng)性能的提高， 更高速的通信方式， 用戶界面的完善， 遠(yuǎn)程控制等方面， 使平臺(tái)更加實(shí)用方便。

參考文獻(xiàn):

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