摘 要： 永磁同步電機廣泛地應用在各種場合， 為了實現(xiàn)對電機良好的控制， 實時監(jiān)測電機運行中的各參數(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， 將各路傳感器采集的數(shù)據(jù)實時向上位機發(fā)送的方法， 實現(xiàn)一種方便適用、成本低廉、以一個串口實現(xiàn)對電機各參數(shù)多通道數(shù)據(jù)進行采集的系統(tǒng)。實驗結果表明， 該方法可以滿足實際使用的要求， 實現(xiàn)了對永磁同步電機參數(shù)的實時監(jiān)測， 方便對電機進行更好的控制。

　　0  引言

　　近年來， 永磁同步電機由于具有定位高、系統(tǒng)響應快且無超調(diào)、調(diào)速范圍寬等顯著特征， 已經(jīng)成為伺服驅(qū)動系統(tǒng)中理想的驅(qū)動電機。再加上用于電機控制的DSP 芯片的發(fā)展， 使得電機能更廣泛的應用于電力電子技術應用、電機伺服控制系統(tǒng)等領域。然而永磁同步電機的結構復雜， 控制過程中需要監(jiān)控的參數(shù)比較多， 要想對電機進行良好的控制， 實時采集電機各參數(shù)是非常有必要的。

　　在工業(yè)控制中， 串口是常用的計算機與外部串行設備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?。而虛擬技術的發(fā)展， 使得L abVIEW 越來越廣泛用在測試領域。LabVIEW 和串口通信的結合， 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雜的數(shù)據(jù)處理工作。

　　1  系統(tǒng)總體結構

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

　　永磁同步電機控制平臺的總體結構如圖1 所示。主要包括TMS320F2812 DSP 永磁同步電機控制平臺、串口轉換電路、LabV IEW 軟件開發(fā)平臺等。在永磁同步電機控制平臺中， 電機各參數(shù)可通過各路傳感器協(xié)助監(jiān)測， 傳感器采集的信號經(jīng)過調(diào)理電路后進入A D 轉換器， 由DSP計算處理后， 通過串行總線發(fā)送至PC, LabVIEW 軟件將數(shù)據(jù)進行采集處理顯示。

圖1 平臺的總體結構圖

　　2  數(shù)據(jù)采集硬件部分

　　對于永磁同步電機的監(jiān)控， 主要需要采集的幾個參數(shù)是電機轉速、驅(qū)動器每個橋臂的電壓電流、各相電壓之間的相位、控制電壓的頻率以及驅(qū)動模塊的溫度。由于進行數(shù)據(jù)采集的DSP 和上位機系統(tǒng)都是弱電系統(tǒng)， 而電機和其驅(qū)動器都屬于強電系統(tǒng)， 因此進行數(shù)據(jù)采集時應對兩者之間進行電信號的隔離， 這樣可以對弱電系統(tǒng)進行保護， 同時也可以降低強電系統(tǒng)對數(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， 同時也可以起到保護上位機的作用。

圖2  數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構

　　數(shù)據(jù)采集部分的主要結構如圖2 所示。由于電機的驅(qū)動器為三相結構， 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電信號， 因此采用非接觸式的電壓和電流互感器進行采集， 而永磁同步電機的工作頻率跨度很大， 因為為了適應這種寬范圍的測量， 應選用霍爾型互感器。另外， 為了防止驅(qū)動器的IGBT 模塊因為過熱燒毀， 必須在每路的IGBT 上安裝溫度傳感器， 當溫度超， 及時關斷IGBT。

　　考慮到溫度測量的線性度和范圍， 這里采用Pt100 鉑電阻進行溫度采集。對于電機轉速的測量， 采用光電編碼器。

　　3  系統(tǒng)軟件設計

　　系統(tǒng)軟件設計包括DSP軟件程序和上位機LabVIEW軟件。

　　3. 1  DSP 軟件程序

　　定點DSP 運算的數(shù)據(jù)都是定點數(shù)， 為了更好地支持小數(shù)的運算， 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 位定點數(shù)表示不同范圍的浮點數(shù)。

　　在實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 進制數(shù)據(jù)。則在DSP 中， 需要將待發(fā)送的32 位定點數(shù)拆分成4 個8 位數(shù)， 然后依次發(fā)送。實際的應用過程中， 傳送的數(shù)據(jù)是以多個字節(jié)組成的。要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有多種， 這就需要每個數(shù)據(jù)都有對應的變量標識和實際的數(shù)據(jù)值。這時， DSP 就需要對每種數(shù)據(jù)進行打包， 將變量標識和數(shù)據(jù)組成1 個完整的數(shù)據(jù)幀， 再通過串口發(fā)送這個完整的數(shù)據(jù)幀。上位機串行緩沖區(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)除以定標值， 可以很方便地得到每路傳感器采集的浮點數(shù)值。本系統(tǒng)中， 每個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， 每個數(shù)據(jù)幀由7 個字節(jié)數(shù)組成， 第1 位表示DSP 串口發(fā)送每個通道采集的數(shù)據(jù)是以16 進制字符節(jié)0xAA 作為起始標識。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)的符號位， 0 表示正數(shù)， 1 表示負數(shù)。第4~ 7 位表示采集到的數(shù)據(jù)以32 位定點數(shù)表示。如圖4 所示。為2 個通道采集的數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)幀， 實際中將10 個通道采集的數(shù)據(jù)信息以圖3 的格式連接組成一個更大的數(shù)據(jù)幀， 然后由DSP 串口將此數(shù)據(jù)幀發(fā)送給上位機。

圖4 2 個通道采集的數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)幀

　　因為采集各傳感器的數(shù)據(jù)是對電機運行過程中的控制情況起到監(jiān)測作用， 所以對數(shù)據(jù)采集的速度要求不是非常高。本系統(tǒng)中，DSP 定時（ 10 ms） 時間由串口向上位機發(fā)送10 通道采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀。

　　3. 2  上位機軟件部分

　　3. 2. 1  LabV IEW 中串口功能模塊簡介

　　上位機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 設置I/ O 緩沖區(qū)大小VISA關閉等8 個函數(shù)。其中VISA（ vir tual instrument sof twarearchitect ure） 是應用于儀器編程的標準I/ O 應用程序接口， 具有良好的兼容性、獨立性和擴展性。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 關閉串口節(jié)點， 及循環(huán)、條件等程序結構。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)幀的方式進行通信。LabV IEW 軟件通過串口配置節(jié)點設置串口通訊的波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、校驗方式、停止位等參數(shù)。參數(shù)設置好后， 利用讀串口節(jié)點讀取串口緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)， 程序中設置每次從串口讀取1 個字節(jié)的數(shù)據(jù)， 當程序判斷該字節(jié)是有效數(shù)據(jù)的開始時， 就將開始數(shù)據(jù)及后面的共70 個（ 總共采集10 個通道的數(shù)據(jù)， 每個通采集的數(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、計算處理， 整個程序結束時， 利用關閉串口節(jié)點函數(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LabV IEW 串口接收到DSP 串口發(fā)送來的字節(jié)數(shù)據(jù)時， 開始判斷這個字節(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 個數(shù)據(jù)讀取，并存放到LabVIEW 一維數(shù)組中， 下一步通過對數(shù)組相應位數(shù)的讀取，可以讀取每一通道的符號位，和4 個字節(jié)組成的32 位定點數(shù)， 再用條件結構判斷符號位， 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， 然后再將32 位定點數(shù)轉換為符點數(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)點可顯示出波形。

　　4  測試及結果

　　為了驗證本系統(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)點實時顯示的數(shù)據(jù)一樣， 則本系統(tǒng)實現(xiàn)了實時正確顯示采集數(shù)據(jù)的功能。使用上述系統(tǒng)進行實現(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)分析驗證， 生成的4 路波形， 真實地反應了DSP 發(fā)送的4 路變量。其中， 數(shù)據(jù)定標部分， 如果DSP 對數(shù)據(jù)進行了定標處理， 則在LabVIEW 中需要對數(shù)據(jù)進行相應的反處理。可見， 本系統(tǒng)具有以下特點： 能夠動態(tài)的顯示實時采集數(shù)據(jù)波形； 能夠正確的顯示采集的數(shù)據(jù)； 可以對當前采集數(shù)據(jù)進行實時讀取。

　　5  結  論

　　本文中的實驗平臺采用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， 實現(xiàn)了對多通道傳感器的實時數(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)的實時波形。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， 可擴展性強等特點。

　　在實現(xiàn)以上功能的基礎上， 以后可以對該平臺進一步擴展， 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， 遠程控制等方面， 使平臺更加實用方便。

參考文獻:

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