基于LabVIEW的低成本直線超聲波電動機速度測試系統

宋勇宏，王中營，秦鴻飛，郭永剛

(河南工業大學 機電工程學院，鄭州 450001)

0 引 言

超聲波電動機利用壓電陶瓷的逆壓電效應，激發定子產生超聲波微幅振動，并通過定、轉子之間的摩擦力轉化為轉子的宏觀運動，驅動負載[1]。與傳統電機相比，超聲波電動機具有響應快、體積小、自鎖性等優點，廣泛應用于生產制造、生物醫療、消費電子等領域。隨著科技的發展，直線超聲波電動機作為直線驅動裝置受到了廣泛應用和研究，市場上出現的直線超聲波電動機種類也越加豐富，對直線超聲波電動機的應用要求也越來越高，隨之而來的直線超聲波電動機性能測試系統研究受到了人們的廣泛關注[2-3]。

早期受制于技術條件，直線超聲波電動機速度測量普遍采用的是米尺測量和秒表同步計時的方法，這種測量方法存在較大的誤差，且不能直觀地顯示結果[4]。隨著計算機技術的不斷發展，虛擬儀器在工程測試中被廣泛使用，研究人員開始利用虛擬儀器開發直線超聲波電動機的測試系統[5-7]。采用虛擬儀器與數據采集卡或者虛擬儀器與單片機的組合設計方案，借助計算機通過虛擬面板實現數據的顯示和系統的控制，并且能夠通過計算機進行數據處理、分析和保存，對后期設備的使用、開發有很大的幫助，與傳統測量相比具有很大的優勢[8-11]。

隨著直線超聲波電動機的發展，超聲波電動機測試需求也在逐漸增多。對于直線超聲波電動機速度測試系統的開發也越來越要求通用性和經濟性。基于數據采集卡設計的速度測試系統成本普遍偏高，不利于其推廣使用。針對這一特點，本文利用虛擬儀器和市面上常見的STM32微處理器組合，設計一款集數據采集、處理、保存于一體的速度測試系統，為超聲波電動機速度測試提供了一種新的選擇。

1 測試原理

本文設計的超聲波電動機速度測試系統原理是通過采集設定時間內的兩次位置變化，通過位移與時間的比值得到速度。

整體設計原理如圖1所示。首先激光位移傳感器捕獲直線超聲波電動機的位置信號，隨后模數轉換模塊將位移傳感器輸出的模擬電壓信號轉換為數字信號，STM32微處理器控制模數轉換模塊，完成一定時間間隔的兩次位置信號采集，并通過串口通訊模塊將兩次位置信號傳輸到PC機，最后基于LabVIEW軟件編制的虛擬儀器完成數據處理、顯示和保存。

圖1 測試原理圖

2 測試系統硬件組成

測試系統硬件設備主要有直線超聲波電動機、激光位移傳感器、模數轉換模塊、STM32F103微處理器和PC機。其中激光位移傳感器、模數轉換模塊和STM32F103微處理器是該系統實現位移信號采集功能的核心硬件設備。

2.1 激光位移傳感器

位移傳感器選用德國SICK公司的高精度三角反射式激光位移傳感器OD1-B035H15U25，傳感器量程30 mm，采樣頻率2 kHz，重復精度6 μm。

為了降低傳感器的測量誤差，要對傳感器的實際值和采樣值進行擬合。位移傳感器的擬合是通過傳感器自帶的位移顯示功能和電壓表測量的輸出信號的實際電壓值進行擬合。在傳感器量程范圍內每毫米采集一個位移值和對應的電壓值，得到的數據利用MATLAB進行數據擬合。擬合結果對比如表1所示。擬合后的距離和電壓之間的關系：

LV=0.002 566U-10.51

式中：LV的單位為mm，U的單位為mV。

2.2 STM32F103ZET6微控制器

STM32F103ZET6是意法半導體公司生產的一款基于ARM Cortex TM-M3內核的32位高性能微處理器，其內部集成多個功能模塊，并且提供了幾乎包含所有內外設功能的固件函數庫，可大幅降低開發周期。

表1 擬合結果對比

2.3 模數轉換模塊

STM32微處理器自有的模數轉換端口較少，且轉換電壓較低，為提高測試系統通用性，采用AD7606模數轉換芯片。AD7606硬件電路圖如圖2所示。

圖2 AD7606模塊硬件電路圖

該芯片是ADI公司推出的一款高性能模數轉換芯片。該芯片具有8通道16位高精度同步采樣功能，最高同步采樣速率可達200 kHz，片上集成二階抗混疊濾波器、跟蹤保持放大器、16位電荷再分配逐次逼近型模數轉換內核、高速串行和并行接口、且支持±5 V和±10 V兩種信號輸入，滿足目前大多數傳感器的模擬輸出信號范圍。

3 測試系統程序設計

測試系統的程序設計主要由下位機測試程序和上位機測試程序組成。下位機測試程序運行在STM32微處理器中，上位機測試程序通過LabVIEW圖形化編程，在PC機中運行。

3.1 下位機程序設計

下位機程序主要包括對模數轉換芯片的控制和數據的接收與發送。通過控制AD7606模塊完成固定時間內的兩次位移信號采集并發送。為便于上位機解析數據，在發送的每組數據前后添加固定的幀頭和幀尾，方便上位機通過幀頭幀尾解析數據。下位機測試系統流程圖如圖3所示。

圖3 下位機程序流程圖

下位機程序的重點是控制AD7606芯片完成數據采集任務，AD7606使用并行模式與STM32F103ZET6微處理器完成數據傳輸，圖4為AD7606芯片并行模式工作時序圖。AD7606芯片RESET引腳接收高電位初始化復位信號；CONVST_A和CONVST_B引腳接收到上升沿信號后開啟模數轉換通道；當轉換結束后BUSY引腳由高電位轉為低電位。STM32F103微處理器通過檢測BUSY引腳電位判斷采集是否完成，CS、RD引腳接收到下降沿信號后通過16位數據端口逐一讀取每個通道的數據。

圖4 AD7606并行模式時序圖

圖4中，RESET高電平復位脈沖最短時間tRESET為40 ns；復位脈沖下降沿至CONVST_A的上升沿最短時間t7為25 ns；轉換通道開啟CONVST_A和CONVST_B之間的最大時間間隔t5為0.5 ms；轉換通道開啟CONVST_x到BUSY上升沿最大時間t1為40 ns；BUSY高電位持續時間tconv為3.45 μs到4.15 μs；BUSY下降沿至CS下降沿時間t4為0；CS至RD設置時間t8為0；從CS至DB[15∶0]三態禁用延時時間t13最大為16 ns；RD高電位脈沖寬度最短時間t12為15 ns；V1至V8為8個通道的轉換數據。測試系統只用到了端口1，CONVST_A和CONVST_B為分別開啟1至4號和5至8號端口。AD7606工作在并行模式下STM32F103ZET6微處理器程序如下：

//AD7606復位

RESET Reset;

Delay_ns(10);

RESET Set;

Delay_ns(100);

RESET Reset;

//啟動轉換

CONVST_A Reset;

Delay_ns(100);

CONVST_A Set;

//檢測轉換是否完成

BUSY=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_7);

While(BUSY==Bit_SET)

{

Delay_ns(20);

BUSY=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_7);

}

//數據讀取

CS Reset;

RD Reset;

Delay_ns(20);

RD Set;

Delay_ns(20)；

DATA[0]=GPIO_ReadInputData(GPIOF);

CS Set;

3.2 上位機程序設計

在開啟上位機軟件后首先對串口參數進行配置。當串口打開后讀取串口接收到的數據。串口接收到數據并存入緩沖區后，通過數據的幀頭、幀尾拆分數據，得到的傳感器值首先進行濾波處理，然后通過公式轉化為距離值和速度值，處理后的結果在前面板進行顯示并保存。根據上述功能需要，上位機測試程序主要包括串口配置、數據接收、數據處理三個模塊，如圖5所示。

圖5 上位機程序結構框圖

串口配置模塊負責上位機與下位機的通訊。LabVIEW提供了功能強大的VISA庫，在儀器編程標準I/O接口上的使用很方便，適用于RS-232、RS-485等多種類型接口，串口配置的設置遵循上位機與下位機一致的原則。圖6為串口配置程序圖。

圖6 串口配置程序圖

數據接收模塊負責接收串口發送的數據，通過檢測緩存區數據長度來判斷數據是否有效。下位機發送一組數據共10個字節，其中包括：判斷數據開始位和結束位的1個字節幀頭、1個字節幀尾和占據8個字節的兩次電壓值。圖7為數據接收程序圖。

圖7 數據接收程序圖

當數據接收模塊判斷接收到的數據有效時，將進入數據處理模塊。在采樣和傳輸過程中不可避免地存在一定的干擾，導致數據具有一定的誤差，且接收到的電壓值需要轉換為距離值，因此要對數據進行濾波和計算。

速度的濾波選擇LabVIEW的中值濾波器，濾波器的秩設置為9。中值濾波是基于排序統計原理的濾波方法，通過一點領域的中值來代替該點值，使結果更加接近真實值。對濾波后的數據進行顯示和保存。圖8為數據處理和保存程序圖。

圖8 數據處理程序圖

電機速度是利用位移與時間的比值得到；通過采集到的一組數據中的兩個距離值，利用以下公式求得速度：

式中：Vn為電機速度；Sn和Sn-1為電機n時刻和n-1時刻的距離值；T為設定的兩次采樣間隔時間。

4 測試結果

實驗被測直線超聲波電動機為課題組設計的一款柱狀直線超聲波電動機，圖9為電機實物圖。在驅動信號頻率79.4 kHz、兩相相位差90°的條件下，測試電機的機械特性。其中電機負載能力測試采用電機提升不同質量砝碼的方法。圖10為直線超聲波電動機機械特性測試實物圖。圖11為電機負載能力測試實物圖。

圖9 電機實物圖

圖10 直線超聲波電動機機械特性測試實物圖

圖11 電機負載能力測試實物圖

圖12為柱狀直線超聲波電動機在不同電壓驅動下的速度響應曲線圖。圖13為130 V電壓驅動下柱狀超聲波電動機的負載能力曲線圖。由測量結果可知，該柱狀超聲波電動機在空載下，當驅動電壓達到190 V時，電機速度為1.26 mm/s；當驅動電壓為130 V時，電機的最大輸出力為1.2 N。

圖12 電壓調節特性曲線圖

圖13 負載能力曲線圖

5 結 語

針對超聲波電動機速度測試系統開發成本高的問題，本文設計了一款基于LabVIEW的低成本直線超聲波電動機速度測試系統，利用STM32微處理器和AD7606模數轉換芯片代替了昂貴的數據采集卡。通過數據擬合和濾波處理提高了測試系統的準確度。實驗結果表明，測試系統穩定可靠，測試精度較高。

該測試系統硬件可擴展其他設備，為今后直線超聲波電動機的其他性能測試和進一步研究提供了通用、穩定的低成本測試平臺。