基于Arduino与LabVIEW的直流电机转速控制系统
pinMode(3,OUTPUT);
analogWrite(3,127);
图4 PWM频率测量结果
在图4所示的PWM频率测量结果中，去除前两个，可以发现频率值稳定在490和491，且4个490之后出现一个491，基本可以认为是490Hz。
同时，为了进一步的确认PWM的频率为490Hz，已验证频率测量的准确性，利用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，使用10kps的采样率，5秒的采样时间的参数分别采集了PWM的占空比为10/255、127/255和245/255时的波形图，取波形图的前0.01秒，如图5、图6和图7所示，在0.01秒内约有5个周期，同时使用频率分析工具对占空比为127/255的波形数据进行分许，得到其频率为490.099Hz。
通过对基于Arduino与TimerOne定时器库的频率测量与基于LabVIEW和数据采集卡的数据对比与分析，得出频率测量非常准确。
图5
图6
图7占空比为245/255时的波形
2.4搭建测量转速的平台
在验证了基于Arduino与TimerOne定时器库的频率测量的准确性之后，我们就可以着手搭建一个直流电机转速测量系统。
2.4.1硬件平台
直流电机转速测量系统的直流电机和编码器有两者分离式，使用联轴器将两者连接起来，也有带有编码器的直流电机，此处为了简化设计，直接选用带有编码器的直流电机。JGB37-371-12V-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
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
功能 |
电机A |
电机B |
方向 |
D12 |
D13 |
速度（PWM） |
D3 |
D11 |
制动（刹车） |
D9 |
D8 |
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);
analogWrite(3,80);
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。
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