基于Arduino与LabVIEW的直流电机转速控制系统

多数的Arduino控制器都是基于Atmel公司的AVR系列单片机的，AVR单片机的片内资源非常的丰富，有ADC、定时器、外部中断、SPI、IIC、PWM等功能，且Arduino控制器的PWM采用的是定时器相位修正PWM（频率约为490Hz）和快速PWM（频率约为980Hz，Uno的5、6和Leonardo的3、11），这也就导致了全部的定时器都被被占用了，从而不能很方便的使用定时器设置一个中断来实现一个周期的任务，而一般需要通过读取系统已运行时间来判断定时时间是否已经达到。例如，通过增量式编码器来测量电机的转速，常规的单片机的程序架构是通过定时器来实现精确的时间定时，并利用外部中断来实现对脉冲数目的计数，然后计算出一定时间内脉冲的数目，从而得到转速数值并输出。

直流电机是Arduino机器人制作中的主要动力来源，但是由于电机的参数一致性有所差别，即使是相同型号的电机在相同电压下的转速都不完全相同，而且在带负载或负载不同的情况下，更加会导致电机转速发生变化，这就会导致制作的Arduino轮式机器人不能实现直线行走，因为这是一个开环控制，没有任何反馈信号返回。如果给直流电机加上编码器作为反馈器件，也就可以测量得到电机的当前转速，如果将其与设定值计算差值，并通过PID算法计算得到新的控制信号，从而可以动态的测量和控制电机的转速，形成一个闭环控制系统。

下面我们利用带有编码器的直流电机、Arduino控制器、直流电机驱动板和LabVIEW上位机软件以实验探索的形式来设计一个直流电机转速比例控制实验。

1．TimerOne定时器库

1.1下载及使用方法

TimerOne定时器库使用AVR单片机内部的定时器1实现定时中断的功能，其下载地址为：https://code.google.com/p/arduino-timerone/，只需要更改几个参数即可使用定时器中断来实现周期性执行的任务。需要注意的是，如果使用了TimerOne定时器库，也就不能在相应的引脚输出PWM电压，Uno上的定时器与PWM引脚的关系如表1所示。

表1定时器与PWM引脚的关系

定时器	OC0A	OC0B	OC1A	OC1B	OC2A	OC2B
PWM引脚	6	5	9	10	11	3

TimerOne定时器库函数库中自带的ISRBlink程序如程序代码1所示，可以实现13号管脚上LED的5Hz频率的闪烁。

程序代码1：ISRBlink示例程序

#include

void setup() {

pinMode(13, OUTPUT);

Timer1.initialize(100000); //设置定时器中断时间，基本单位为微秒，如设置为100000，则定时时间为0.1秒，频率为10Hz。

Timer1.attachInterrupt( timerIsr ); //设置用户自定义的定时器中断服务函数，每发生一次定时器中断，均会执行一次定时器中断服务函数。

}

void loop(){

//主函数，用于执行非周期性任务

}

void timerIsr(){

//反转I/O口电平

digitalWrite( 13, digitalRead( 13 ) ^ 1 );

}

1.2评估定时时间的准确性

仅仅凭靠眼睛不能判断定时时间是否准确，下面我们设计一个实验来评估定时时间的准确性。我们需要将上面示例代码中的Timer1.initialize(100000)更改为Timer1.initialize(1000)，digitalWrite( 13, digitalRead( 13 ) ^ 1 )更改为digitalWrite(2, digitalRead( 2) ^ 1 )，通过反转I/O的电平实现数字端口2输出500Hz的近似方波。

同时，我们使用NI USB-6009便携式数据采集卡和LabVIEW 2012软件实现一个简易的模拟量采集器，将Arduino控制器上的数字端口2和GND分别与NI USB-6009便携式数据采集卡上的AI0/AI0+和AI4/AI0-相连接，NI USB-6009便携式数据采集卡接口示意图如图1所示，Arduino Uno控制器与USB-6009便携式数据采集卡的连接图如图2所示。然后使用10kps的采样率，5秒的采样时间的参数采集Arduino控制器上的数字端口2输出的方波信号，取其前20ms的波形如图3所示，通过波形频率分析工具测量得到其频率为499.901Hz。

另外，我们又将定时时间设置为100微秒、50微秒和25微秒，并使用NI USB-6009便携式数据采集卡和LabVIEW 2012软件以45kps的采样率和2秒的采样时间分别采集了数字端口2输出的波形数据并进行频率分析，得到其频率分别为4999.01Hz，9998.03Hz，19996Hz。从以上数据对比分析可知，定时器的定时时间非常准确，频率测量误差主要来自于I/O反转操作延时导致的。

最后，我们还测试了OCROBOT MEGA 2560控制器、Arduino Uno控制器山寨版输出的500Hz的方波信号频率，分别为500.435Hz和499.764Hz。

图1 NI USB-6009接口示意图

图2 NI USB-6009与Arduino连接示意图

图3定时器中断产生的500Hz方波信号

2.转速测量

2.1测量转速方法

测量转速方法有3种，分别为测频法(M法)、测周法(T法)及混合法(M/T法)。

测频法是在一定时间内，通过测量旋转引起的单位时间内的脉