【正文】 編 號： 審定成績： 重慶郵電大學 畢業(yè)設計（論文） 設計（論文）題目： 基于 LabVIEW的步進電機控制 I 摘要 隨著電機在工業(yè)、農業(yè)等領域的廣泛應用 ，步進電機 也越來越 到 多地運用到 眾多領 域 。這種用 LabVIEW設計的系統(tǒng)具有控制靈活、人機交互性強、界面友好、操作方便等特點。它可以看作是一種特殊運行方式的同步電動機 。 步進電機的運轉是由電脈沖信號控制的，其角位移量與脈沖數(shù)成正比，每給一個脈沖，步進電機就轉動一個角度， 改變脈沖輸入頻率， 相應在單位時間內電機轉動的角度 就 發(fā)生改變，從而實現(xiàn)了對 電機速度 的控制 ；改變通電順序，即改變定子磁場旋轉的方向，就可以達到控制步進電機正反轉的目的。和其它的電機相比具有比較明顯的優(yōu)勢。因此，傳統(tǒng)的步進電機系統(tǒng) 具有很大的局限性 ，已經不能滿足時代發(fā)展的需求。開發(fā)環(huán)境 類似于 C 語言的 開發(fā)環(huán)境 。 LabVIEW 也有 傳統(tǒng)的程序調試工具，如設置斷點、以動畫方式顯示數(shù)據及其子程序（ 子 VI）的結果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調試。 3 第一章 步進電機系統(tǒng)概述 通常步進電機系統(tǒng)大致可以分為控制模 塊、接口模塊、驅動模塊和步進電機四部分 ，它們相互聯(lián)系密不可分。 單位時間內加的脈沖數(shù)越多，步進電機 旋轉的角度也 就越 大 。 步進電機是一種 感應電機 ， 它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統(tǒng)才 可 以 使用 。 步進電機在很多領域都得到了廣泛的運用 ， 基本上 只要需要把某件 物體從一個位置移動到另一個位置，步進電機 都 能派上用場。 轉子上開有小齒。但轉子要制成 NS相間的多對磁極較為困難，而且定子的極數(shù)也必須 相應 增加，線圈數(shù)也相應增加，這將受到定子空間的限制 ，比較困難 。 混合式步進電動機 的 轉子采用永磁體， 某種程度 是一種永磁式步進電動機，而同時定轉子的鐵芯均為齒狀結構，具有 很 小的步距角，故又同反應式步進電動機結構相似，新型步進電機驅動電路的研制 。 二、 步進電機的工作原理 步進電機是由一組纏繞在電機固定部件 —— 定子齒槽上的線圈驅動的。 如果 我們 再 構造一個定子上纏繞有兩個繞組的電機，內置一個能夠繞中心任意轉動的永久磁鐵，這個可旋轉部分叫做轉子。 6 接著，我們再將繞組 2 的電流切斷，按照圖 的方向給繞組 1 輸送電流，注意：這時繞組 1 中的電流流向與圖 所示方向相反。 這樣 ，我們 就 對電機繞組完成了一個周期的電激勵，電機轉子旋轉了一整圈。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步 進電機步進轉動。同理 0、 3 號齒和 A、 B 相繞組產生錯齒， 5 號齒就和 A、 D 相繞組磁極產生錯齒。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉動力矩又可以提高控制精 度 。 步進電動機的細分驅動從本質上講，就是通過控制步進電動機各相繞組中的電流，使其按一定的規(guī)律階梯上升或下降，從而獲得從 8 零到最大相電流之間的多個穩(wěn)定的中間電流狀態(tài) ，從而減弱電流變化的強度， 相應地，內部的磁場矢量也就存在多個中間狀態(tài)，這樣各相的合成磁場也將有多個穩(wěn)定的中間狀態(tài)，并且 轉 矩的大小 也由 合成磁場矢量的幅值決定，相鄰兩條合成磁場矢量的夾角 可以影響 微步距的大小。 由 前面介紹的 步進電機的工作原理可知， 現(xiàn)以 三相六拍的 電機的 工作方式 為例， 若按照 A— AB— B— BC— C— CA— A的通電順序給 A、 B、 C三相提供輸入脈沖，步進電機就沿逆時針方向旋轉， 每步轉過的角度是 1． 5度。 拍數(shù)： 指電機在運轉中 完成一個磁場周期性變化所需 的 脈沖數(shù)或 不同的 導電狀態(tài) 數(shù)， 通常 用 n 表示 ； 或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數(shù) 。 步距角 θ=360 度 /（轉子齒數(shù) J*運行拍數(shù)） 注意，齒數(shù)通常是相數(shù)的兩倍。 它的工作原理是利用電子電路， 用環(huán)形分 9 配器等為步進電機提供 多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電 。以 四相 的 感應子式步進電機為 例 ，四相電機工作方式也有二種，四相四拍為 ABBCCDDAAB,步距角為 度；四相八拍為 ABBBCCCDDDAA,(步距角為 度）。因而不同的場合采取不同的的驅動方式，到目前為止，驅動方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅動、恒流、細分數(shù)等。其中 I/ 0 接口 加接口設備主要完成被測輸入信號的采集、放大、模 /數(shù)轉換。目前使用較多的I／ O接口總線標準有 PCI總線和 PXI總線。對于基于計算機的測試儀器， PCI總線滿足了在插卡和系統(tǒng)存儲器中高速傳輸數(shù)據的要求，這為將計算機應用到新的測試儀器提供了很好的途徑。在 虛擬儀器 的設計和研發(fā)中，人們普遍采用了 美國國家儀器（ NI）公司研制開發(fā)的 LabVIEW軟件。 程序前面板是應用程序界面，也就是 VI的虛擬儀器面板，前面板上主要有用戶輸入和顯示輸出兩類對象，具體表現(xiàn)有開關、旋鈕、圖形以及其他控制元件和顯示元件，用來完成用鼠標、鍵盤向程序輸入數(shù)據或從計算機顯示器上觀察結果。圖標是子 VI在其他程序框圖中被調用的節(jié)點表現(xiàn)形式 :而連接器則表示節(jié)點數(shù)據的輸 入瀚出口，就像函數(shù)的參數(shù)。另外該軟件還具有編程簡單、開發(fā)周期短、性價比高等特點。 由于 虛擬儀器 與傳統(tǒng)的儀器相比有很大的優(yōu)勢，所以 虛擬儀器 得到了非常廣泛的運用。 計算機硬件平臺虛擬儀器的硬件平臺可以是各種類型的計算機，如臺式計算機、便攜式計算機、工作站、嵌入式計算機等。微處理器可以立即訪問這些數(shù)據。 (2)VXI或 PXI虛擬儀器硬件結構 ：在 某些特殊的場合和 測試要求 非常高時 選擇 VXI或 PCI虛擬儀器硬件結構， VXI是 VME總線的儀器的擴展 .結構形式是將信號采集、信號調 理等各種模塊裝入標準機箱，機箱通過插入計算機的卡與計算機通訊。 (3)GPIB通用接口總線為了有效的利用現(xiàn)有的技術資源和發(fā)揮傳統(tǒng)儀器的某些優(yōu)勢，還可以采用 GPIB通用接口總線，是計算機與傳統(tǒng)儀器的接口，將 GPIB通訊卡插入計算機，在通過 GPIB電纜，實現(xiàn)計算機對多臺傳統(tǒng)儀器的控制和訪問，由于 GPIB系統(tǒng)在 PC出現(xiàn)的初期問世，所以有一定的局限性。下面來介紹一下數(shù)據采集系統(tǒng)。 通過這個開關的掃描切換，實現(xiàn)多通道的采樣 。如果要實現(xiàn)較復雜的接口功能就 需要通過 動態(tài)鏈接庫 來完成 ，可以根據具體需要編寫適當?shù)?接口 程序，靈活 利用 LabVIEW 已有的各項功能編寫 一個 動態(tài)鏈接庫 (DIIS)實現(xiàn) LabVIEW 與硬件的鏈接 。 圖 步進電機控制系統(tǒng) PC機通過微處理器按照要求發(fā)出相應指令，控制器接收指令，并根據指令向步進電機發(fā)出控制信號， 電機的驅動 器則將控制信號轉變成直接驅動電機的電信號，實現(xiàn)對步進電機的 控制。利用 CPU實現(xiàn)對步進電機的控制，其實現(xiàn)途徑有兩種，一種是利用 CPU直接產生步進脈沖；另一種方法是用其他的輔助電路或專用控制芯片產生步進脈沖，由 CPU給出步進電機所需的啟動 信號。速度的控制主要是通過改變輸出時鐘脈沖的時間間隔，升速時，輸出密集的脈沖，要減速時，則輸出較稀疏的脈沖即可。 圖 PXI7833板卡 PXI7833 是 NI公司設計的一款板卡。 10V。 除了模擬輸出，該模塊還有 8 條數(shù)字 I/O 線和 2 個 24 位計數(shù)器 /定時器。 NI PCI6514 的輸入和輸出通道均提供光學隔 離，并以 8路通道為一組工作。 由于采用了數(shù)字 I/O 看門狗，即使計算機或應用發(fā)生故障，本板卡可進入完全可配置的安全的輸出狀態(tài)。制訂 PXI 規(guī)范的目的是為了將臺式 PC的性能價格比優(yōu)勢與 PCI總線面向儀器領域的必要擴展完美地結合起來，形成一種主流的 虛擬儀 器 測試平臺。 PXI繼承了 PCI的電氣信號，使得 PXI擁有如 PCI bus的極高傳輸數(shù)據的能力，因此能夠有高達 132Mbyte/s 到 528Mbyte/s 的傳輸性能，在軟件上是完全兼容的。它的內部結構為帶有公共端的四相步進電機，它的大致結構如上 圖 ，電機有四組線圈，中間接線柱為公共端，另外幾個 接線柱分別如圖中所示，中間部分為電機的定子和轉子 ，電機的四相為 AABB ，由電機的構造 可知 當通電順序 為 ???AB AB AB AB時，電機正轉運行。 本設計采用 LabVIEW軟件 進行程序設計， 運用程序框圖語言 讓編程更直觀，更加 通俗易懂。 PXI 7833R 主要用于模擬信號的輸入和輸出、 PWM 信號的輸出，在本系統(tǒng) 20 中通過 LabVIEW 中 FPGA(邏輯可編程門陣列 )函數(shù)模塊的程序編寫、生成曲軸轉速信號（曲軸轉速信號屬于 PWM 信號）； PXI6514 主要用于 12V數(shù)字信號的輸入和輸出，在本系統(tǒng)中通過 LabVIEW 中 DAQmx(數(shù)據采集 )函數(shù)模塊的程序編寫、讀取步進電機四相狀態(tài)信號 （四相狀態(tài)信號屬于 12V 數(shù)字信號）； PXI6723 主要用于模擬信號的輸出，在本系統(tǒng)中通過 LabVIEW 中 DAQmx(數(shù)據采集 )函數(shù)模塊的程序編寫、進行進氣管壓力信號的寫出。中間 兩個圓形的圖標 為電機正反轉的顯示。 主程序的程序框圖如下圖所示： 21 圖 主程序程序框圖 程序框圖中 通過 PXI7833 和 PXI6723 板卡 和相應的框圖程序共同 對 模擬信號進行輸入和輸出 。 22 二、步進狀態(tài)程序的設計 在步進狀態(tài)子 VI 中由 DAQmx 讀函數(shù)將采集值輸入，由于選用的步進電機是四相 ， 而且有公共接線端，接線柱上有 A 和 A ， 且由高低 電平控制， 所以 步進電機的四相狀態(tài) 由兩個 0、 1和 0組合起來就 只有 10四種情況。 正反轉采集 2分別送入移位寄存器進入下一個循環(huán)， 正反轉采集 2分別是當前的正反轉采集值。 當 采集值 2 不等于 9 時，即第二層的邏輯判斷為假，則運行假的程序，進入第三層條件 結構，依然對采集值 2 進行判