基于LABVIEW的電機控制和數據采集系統

黃鑫廣 江銘 徐飛兒 李應優

摘 要：針對具有雙泵結構的汽車變速器液壓閥板，在進行測試驗證過程中，需分別獨立控制雙泵供油，提出了一種通過伺服電機驅動雙泵，上位機采用LABVIEW平臺開發，并通過相應的硬件設備實時采集控制電流、壓力信號的電機控制和數據采集系統。該系統采用工控機、CAN卡、NI數據采集卡、SINAMICS S120組成硬件結構，通過設計上位機軟件實現對伺服電機控制、多種信號采集功能，并重點介紹了上位機軟件和實現方式，經現有臺架改造和測試，該系統能夠實現伺服電機轉速控制和信號采集功能，能夠滿足液壓閥板測試要求。

關鍵詞：LABVIEW 伺服電機控制 數據采集

Abstract：For the hydraulic valve plate of automobile transmission with dual pump structure， it is necessary to control the oil supply of dual pumps independently in the process of test and verification. A motor control and data acquisition system is proposed， in which the dual pumps are driven by servo motor， the upper computer is developed by LabVIEW platform， and the control current and pressure signals are collected and controlled in real time through the corresponding hardware equipment. The hardware structure of the system is composed of industrial control computer， can card， Ni data acquisition card and SINAMICS S120. The upper computer software is designed to realize the servo motor control and various signal acquisition functions， and the upper computer software and implementation mode are mainly introduced. After the existing bench transformation and testing， the system can realize the servo motor speed control and signal acquisition functions， and can meet the test requirements of hydraulic valve plate.

Key words：LABVIEW; Servo motor control; The data collection

1 引言

LABVIEW是一種圖形化的編程語言和開發環境，是美國國家儀器公司（簡稱NI）開發的虛擬儀器開發平臺軟件，被公認為標準的數據采集和儀器控制軟件。近年來，隨著虛擬儀器技術的發展，這一技術在測量與控制領域得到了快速且廣泛的應用[1]。

作為SINAMICS系列驅動產品的一員，SINAMICS S120是一個適用于機械設備制造領域的高性能應用的模塊化驅動系統。SINAMICS S120面向及其廣泛的工業應用提供了高性能的單軸和多軸驅動，功率范圍涵蓋0.12～4500KW，具有廣泛的傳動應用價值。依托其良好的擴展性和靈活性，可支持靈活的機床設計，并且可以快速實現定制的驅動解決方案[2]。

2 系統硬件方案設計

2.1 系統硬件組成

該系統由上位機（即工控機）、下位機（即西門子S120控制單元CU320-2-PN）、24V直流電源、電源模塊SLM、單軸電機模塊、同步電機1FT7、CAN卡以及NI數據采集卡等部件組成，其總體結構如圖1所示。

伺服系統采用SINAMICS S120驅動系統，包括：進線電抗器、書本型非調節型電源模塊、控制單元CU320-2-PN、兩個書本型單軸電機模塊、兩個1FT7同步電機。

SINAMICS S120的控制器CU320-2-PN具有以下功能：數字量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出（選件）、自由功能模塊、驅動控制圖（DCC）編程。其中，驅動控制圖包括：邏輯運算功能、數據類型轉換、閉環控制、工藝功能和系統功能。在一些控制系統中，CU320-2-PN完成可以取代PLC的信號采集和運算控制功能，這樣不但可以簡化系統結構，而且可以降低成本。同時控制單元CU320-2-PN集成多種通訊方式，包括：PROFINET、EtherNet/IP、Modbus /TCP、CANopen等，基于現有的硬件設備和上位機軟件開發采用LABVIEW平臺開發的情況下，采用Modbus/TCP通訊方式[3]最為簡便，通過該協議可實現電機的速度控制、轉矩控制和位置控制，其中該系統采用速度控制。

該系統中，閥板內部的電磁閥由自動變速箱控制單元TCU控制實際電流，目標電流由上位機軟件控制并通過CAN總線發送，基于經驗和知識儲備，硬件設備采用致遠電子USBCAN系列CAN接口卡，型號為USBCAN-II，該接口卡兼容USB2.0全速規范，可支持2路CAN接口，PC機可通過USB連入CAN網絡，進行CAN總線數據發送和接收，且該系列設備擁有統一的接口函數，配以接口使用例程和接口使用說明，可根據實際需求進行修改，同時具備以下優點：具備體積小、便攜、即插即用等優點；自帶電氣隔離模塊，使其避免由于地環流的損壞增強可靠性。

在進行閥板內部的電磁閥性能測試中，需實時采集壓力傳感器信號，以便進行液壓閥板性能分析。上位機軟件基于LABVIEW平臺開發，NI提供的模塊化硬件、軟件、服務可以幫助更快速進行測試，更高效地進行設計，提高測試可靠性，基于以上考慮，采用NI PCI6225數據采集卡來采集多路壓力傳感器信號。

3 軟件設計及實現

3.1 下位機設置

準備工作：

1.硬件，包括：控制單元CU320-2-PN、伺服驅動器、CAN卡、NI數據采集卡、帶以太網口的電腦、網線等；

2.軟件，包括STARTER V5.4.2.1，CANtest，LABVIEW2020，WINDOWS 7；

在下位機中，控制單元CU320-2-PN已集成基本轉速環、電流環控制程序，可通過SINAMICS調試軟件STARTER進行配置和參數調整，其中Modbus協議是一種基于主站/從站結構的通訊協議，通過Modbus寄存器訪問過程數據和參數，但需在從站（下位機）一側指定對應的控制字、狀態字和參數，相應的映射關系可參考西門子驅動功能手冊通訊篇章。針對本系統，通過STARTER進行以下設置：建立S120驅動系統工程；完成電機參數識別、靜態優化、動態優化；配置CU320-2-PN的接口X100激活Modbus/TCP協議；配置從站一側Modbus寄存器、控制字、狀態字等參數。

3.2 LABVIEW中實現Modbus

控制單元CU320-2-PN使用以下Modbus功能代碼：

FC 03：holding register，用于從變頻器讀取數據；

FC 06：write single register，用于單個寄存器的寫入；

FC 16：write multiple register，用于多個寄存器的寫入。

上下位機數據交互包括：使能信號、轉速信號、扭矩信號和溫度信號，在下位機設置部分中，已根據控制要求合理分配交互信號位置，故在本次上位機軟件設計中，只需使用FC 03/FC16即可實現轉速控制和信號交互功能，LABVIEW中可通過Modbus庫進行上下位機通信功能。

3.3 上位機軟件實現

上位機軟件主要采用順序結構和while循環作為整體框架，通過case選擇結構來設置轉速波形和參數，該軟件的流程圖如圖2所示。

3.3.1 CAN總線通訊

根據CAN卡硬件設備的使用說明，設計CAN通訊程序，CAN通訊控制程序如圖3所示，其中接口函數庫包括：打開設備、初始化通道、啟動通道、復位通道、接收CAN報文、發送CAN報文、關閉設備等函數。在硬件設備上電完成后，通過調用打開設備接口函數進行打開設備操作，根據需求初始化所使用的通道CAN，再啟動相應通道的CAN，最后讀取CAN報文并進行解析，其主要作用為從CAN總線中提取控制電磁閥的目標電流，以便根據分析液壓閥板的IP特性。由于目標電流的控制是通過已有的軟件進行控制，故在本次的軟件設計中只需開發CAN總線接收模塊，不對CAN總線發送模塊進行開發，能夠有效簡化軟件程序結構，減少多個模塊之間的影響，壓縮報文解析程序運行時間，在CAN總線接收模塊中根據目標控制電流在CAN報文矩陣的位置和換算關系進行解析程序開發，即可在LABVIEW中實現CAN報文中目標電流的接收和解析。

3.3.2 多通道數據采集

多通道數據采集程序如圖4所示。

在DAQmx global channel中設置相應的物理通道，即可以選擇單個通道，也可以根據需要，選擇多個連續通道；DAQmx create channel用來設置物理通道的測量類型和范圍（默認為-5-5V），類型包括：模擬輸入、模擬輸出、數字輸入、數字輸出等多種類型，可滿足不同的需求；DAQmx start task.vi用于啟動采集任務，DAQmx read用于提取已采集通道中的目標通道和數據類型，為了實現連續讀取數據功能，需把DAQmx read置于while循環當中，采集完成后通過DAQmx clear task.vi來結束數據采集任務。

3.3.3 伺服電機轉速控制

由于該系統只需控制伺服電機轉速，控制單元CU320-2PN可取代PLC的信號采集和運算控制功能，在上位機軟件中，只需設置使能信號和轉速指令即可實現伺服電機控制，故在上位機伺服電機控制模塊中，主要分為使能和轉速控制兩個部分，其中使能過程為，在建立Modbus/TCP通訊后先發送目標指令0x147E來激活控制邏輯功能，再發送目標指令0x147F來使能啟動指令，表明控制單元和伺服器已準備就緒，發送目標轉速即可控制伺服電機轉速。完成使能部分后，即可發送轉速控制指令，控制伺服電機轉速。由于系統中采用雙電機模式，故在轉速控制模塊中需設置兩個信號發生器模塊。

3.3.4 安全功能設置

由于本系統主要應用于試驗臺中，為了保證測試驗證安全，需設計安全保護措施。主要是電機的安全保護，包括過流保護、限壓保護，超速保護和扭矩監控。其中過流保護、限壓保護可通過西門子S120控制單元CU320-2-PN實現，控制單元中包含基本的控制邏輯和相應的安全保證措施，可通過調試軟件START進行相應的調整，但由于只能通過調試軟件讀取故障狀態，不便于測試人員及時發現故障情況。故在上位機軟件中設計基本預警功能，包括電機轉速、溫度、扭矩監控，從控制單元中讀取電機轉速、溫度、扭矩信號，在上位機中進行與設計閾值比較，及時向測試人員預警，以便測試人員及時采取行動，保護人員和設備安全。具體功能步驟如下：讀取目標信號；目標信號與閾值比較，分為兩個等級，一級警告提示，二級報警停機；根據相應故障等級選擇目標動作，即僅提示不停機或停機。

3.3.5 數據存儲

該系統在運行過程中，需實時采集雙電機轉速、目標控制電流、液壓閥板通道壓力信號，并存儲到相應的文件中，以便后續進行數據分析。LABVIEW支持的文件類型包括：ASCII碼流文件、二進制流文件、數據記錄文件、波形數據文件，由于在使用過程中，需要采集多個信號數據，同時測試時間的不確定性，采用以二進制流文件格式進行數據存儲。LABVIEW采用數據流的方式執行程序，為保障整個軟件程序的實時性、穩定性，不同的信號置于不同模塊中，可實現信號之間的防干擾和提升程序執行速度，而在不同模塊之間通過隊列功能進行數據交互，同時在數據存儲模塊中讀取所需存儲的信號，以二進制流文件格式存儲到特定位置和特定文件名中。

4 結束語

經臺架改造和測試，采用工控機作為上位機，SINAMICS S120驅動系統作為下位機，以及CAN卡、NI數據采集卡等硬件設備，通過Modbus/tcp通訊協議進行上位機與下位機通訊，采用LABVIEW平臺開發的數據采集和電機控制系統，能夠實現兩臺伺服電機轉速控制功能、數據采集和存儲功能。為采用雙泵結構的液壓閥板測試和工程應用提供了新思路。

參考文獻：

[1]Johnson G W，Jennings R.LABVIEW graphical programming【M】，New York：McGraw-Hill professional publishing，2001.

[2]西門子. SINAMICS S120和SIMOTICS. Siemens AG，2017.

[3]周文怡，方俊雅，朱子環.基于LabVIEW與Modbus/TCP的伺服電機控制系統.

[4]徐靖宸，任曉明，王夢琪.基于MODBUS協議的伺服電機控制系統設計.

[5]姜斌，劉彥呈，孔凡金，等.基于Modbus/TCP的工業控制網絡設計[Z].低壓電器，2007（13）.