基于Arduino与LabVIEW的直流电机转速控制系统

371-12V-228RPM带有编码器的直流减速电机如图8所示，额定电压为12V，额定空载转速为228rpm，其编码器为334线增量式光电编码器，其接口有6根数据线，黄色和橙色是电机电源，绿色和白色是AB相脉冲输出，红色和黑色是编码器的电源端和接地端。

图8带有编码器的直流减速电机

图9 OCROBOT Motor Shield

OCROBOT Motor Shield是基于Arduino Motor Shield设计的增强版本的电机驱动器，如图9所示，电机驱动器采用独立供电、GND分离技术，且与Arduino控制器之间采用光耦隔离，这充分保证了Arduino控制器在大负载、大功率、急刹车、瞬时正反转等恶劣电磁环境下的稳定性。需要注意的是：Arduino控制器与电机驱动器应使用两块电池或者两个独立的电源，保证电机驱动板与Arduino控制板电源完全独立，从而保证其电气隔离性。OCROBOT Motor Shield的I/O口的控制功能如表2所示，如果使用电机时还会接驳其他设备应避免占用这些I/O口。

表2OCROBOT Motor Shield的控制引脚

搭建的直流电机转速测量系统如图10所示。OCROBOT Motor Shield直接堆叠在Arduino Uno控制器上，OCROBOT Motor Shield采用7.4V的锂电池供电，Arduino Uno控制器使用方口USB线连接至计算机上，提供电源且可以方便的通过串口上传数据至计算机上。电机的黄色和橙色连接至OCROBOT Motor Shield电机接口A，绿色和白色分别连接至Arduino Uno控制器的数字端口2、3，红色和黑色连接至Arduino Uno控制器的电源端口5V、GND。

图10直流电机转速测量系统

2.4.2软件设计

由于JGB37-371-12V-228RPM直流减速电机的编码器输出AB相脉冲，为了充分利用两相脉冲以提高测量准确性，在程序代码2转速测量程序中的attachInterrupt(0, counter, RISING)之后增加如下代码，将B相脉冲输出也用来计数，以实现2倍频测量。JGB37-371-12V-228RPM直流减速电机的编码器为334线增量式光电编码器，也就说电机旋转一圈输出334个脉冲，2倍频之后即为668个脉冲。

attachInterrupt(1, counter, RISING);//设置编码器B相位上升沿中断

修改完编码器部分，需要增加电机驱动部分的代码，以实现驱动直流电机旋转。由于硬件上将直流电机的电源线接在L298P的A端口，其控制信号为3、9和12，分别为PWM信号、制动信号和方向信号。需要在void setup()中的delay(2000)之后增加如下代码。当PWM值为80时，串口输出的转速如图8所示，且当PWM低于80时，减速电机输出轴不转动；将PWM设置为255时，串口输出的转速如图9所示。

pinMode(12,OUTPUT);

pinMode(3,OUTPUT);

pinMode(9,OUTPUT);//启用电机A的三个管脚，全部设置为输出状态

digitalWrite(9, LOW);//松开电机A的制动

digitalWrite(12, HIGH);//设置方向为正向

analogWrite(3,80);//设置PWM值

图8 PWM为80时转速数据

图9 PWM为255时转速数据

3.转速的比例控制

3.1PID控制方法

PID控制器（比例-积分-微分控制器），由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。通过Kp，Ki和Kd三个参数的设定来实现对某个变量的实时控制，主要适用于基本上线性，且动态特性不随时间变化的系统。

PID控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈控制方法，其原理如图10所示，其将采集的数据和设定参考值进行比较，然后将这个差值通过PID三个模块计算出新的控制值用于执行，计算差值的目的是让系统的数据达到或者保持在设定的参考值。PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，使系统更加准确而稳定。

图10PD控制基本原理

3.2转速比例控制的程序设计

实现了电机转速的测量，下面就要对电机转速进行比例控制了。为了提高控制系统响应的速度，将程序代码2转速测量程序中的定时时间更改为10毫秒，也就是转速的采样频率为100Hz，且由图8和图9可知，电机减速前的1秒钟转速在4500和12650之间，即10毫秒的转速在45至127之间，此处将转速设置为100，比例系数设置为3。转速比例控制的程序设计如程序代码3所示。

程序代码3：转速比例控制的程序设计

#include

#define Kp 3

#define set_point 100

long counter_val[2] = {0,0};

byte CurCnt = 0;

int j=0;

int output_value=0;

void setup()

{

delay(2000);

pinMode(12,OUTPUT);

pinMode(3,OUTPUT);

pinMode(9,OUTPUT);//启用电机A的三个管脚，全部设置为输出状态

digitalWrite(9, LOW);//松开电机A的制动

digitalWrite(12, HIGH);//设置方向为正向旋转

Serial.begin(115200);//初始化波特率为115200

attachInterrupt(0, counter, RISING);//设置编码器A相位上升沿中断

attachInterrupt(1, counter, RISING);//设置编码器B相位上升沿中断