【正文】 .............................................................................................9 硬件連線 .................................................................................................................23第 4 章 步進電機控制系統(tǒng)軟件的設計 ..................................................24 軟件編程環(huán)境的建立 .............................................................................................24 “連續(xù)運行”VI 的編程 ........................................................................................25 “指定角度運行”VI 的編程 ................................................................................26 主程序的編程 .........................................................................................................27 前面板的設計 .........................................................................................................32第 5 章 實驗 ..............................................................................................34 接線 .........................................................................................................................34 軟件調試 .................................................................................................................36 調試過程的總結 .....................................................................................................37結論 ..............................................................................................................38青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書IV參考文獻 ......................................................................................................39致謝 ..............................................................................................................41附件 1 ...........................................................................................................42附件 2 ...........................................................................................................51青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書1第 1 章 緒論 課題研究的意義及現狀近年來硬盤制造業(yè)高速發(fā)展，大容量、小體積、高讀取速度的硬盤，是硬盤市場的發(fā)展趨勢。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求和應用量與日俱增。本文研究了步進電機的工作原理，對步進電機控制系統(tǒng)進行了整體方案的設計、硬件的選擇及接線；在學習了LabVIEW的基礎上，研究了LabVIEW FPGA模塊的編程和應用；對PXI7833R板卡進行了全面的學習，研究了如何使用LabVIEW對FPGA板卡進行編程；通過LabVIEW完成產生頻率可調的脈沖信號和布爾信號的程序，經編譯后下載到PXI7833R板卡，以實現步進電機控制脈沖及方向信號的生成；完成了步進電機控制系統(tǒng)的軟件設計，包括前面板設計、連續(xù)運轉和指定角度運轉程序以及步進電機啟動和停止過程的加減速程序。這些體積小、結構復雜的硬盤對加工工藝提出了很高的要求。步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。步進電機的控制精度隨著發(fā)展在不斷提高，而且在很多場合可以發(fā)揮其結構簡單、可靠性高和成本低的特點。傳統(tǒng)的步進電機控制系統(tǒng)用PLC或單片機來控制步進電機,電路較復雜,硬件連接后不易調整、靈活性差,不能實時地滿足用戶對控制系統(tǒng)的要求，而且編程也比較難，非專業(yè)技術人員不易掌握。LabVIEW 的函數庫包括數據采集、GPIB、串口控制、數據分析、數據顯示及數據存儲，等等。青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書3 論文主要研究內容本論文首先對步進電機的工作原理進行深入分析，從而得出對其控制所需的各個輸入信號及參數即脈沖信號和布爾量。但主要的不足是效率較低，而且不易控制。閉環(huán)控制是不斷直接或間接地檢測轉子的位置和速度，然后通過反饋和適當的處理，自動給出脈沖鏈，使步進電機每一步響應控制信號的命令，從而只要控制策略正確，電機不可能輕易失步。⑶ 基于PLC的控制：PLC 也叫可編程控制器，是一種工業(yè)上用的計算機。采用硬件環(huán)形分配器，雖然硬件結構稍微復雜些，但可以節(jié)省PLC資源，目前市場有多種專用芯片可以選用。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。（虛擬儀器）LabVIEW是美國NI 公司推出的一種通用虛擬儀器開發(fā)軟件，它集成了滿足GPIB、VXI、PCI 、RS232 和RS485 等協議的硬件及數據采集卡通訊的全部功能，它包含了豐富的功能函數庫，是一種圖形化的功能強大且靈活的軟件。這樣，在每個分面板上就可以實現功能操作的單純化與面板布置的簡捷化，從而提高操作的正確性與便捷性。虛擬儀器的硬件是計算機和為其配置的必要的電子儀器硬件模塊。但對一個普通的計算機用戶( 而非編程專家)來說，這一步還是遠遠不夠的。4．支持串行接口、GPIB、VXl等標準總線及各種數據采集卡。步進脈沖的產生與分配由PC直接控制。雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。步進電機同時也叫步進器，它是利用電磁學原理將電能轉換為機械能。在歐美等發(fā)達國家 80 年代已被淘汰。/176。電機出廠時給出了一個步距角的值，如 86BYG250A 型電機給出的值為 176。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機最重要的參數之一。 失步是指電機運轉時運轉的步數不等于理論上的步數。圖 33 力矩與頻率關系曲線其中，曲線 3 電流最大、或電壓最高；曲線 1 電流最小、或電壓最低，曲線與負載的交點為負載的最大速度點。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。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。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。因此，在運行步進電機運行過程中需要細分。因此在速度變化較大的步進電機控制系統(tǒng)中，防止失步和過沖是開環(huán)控制系統(tǒng)能否正常運行的關鍵。步 距 角 精 度———— 177。這樣，控制系統(tǒng)通過脈沖信號CP 就可以達到電機調速和定位的目的。 接口通常接口有以下一些功能： （1）設置數據的寄存、緩沖邏輯，以適應 CPU與外設之間的速度差異，接口通常由一些寄存器或 RAM芯片組成，如果芯片足夠大還可以實現批量數據的傳輸； （2）能夠進行信息格式的轉換，例如串行和并行的轉換； （3）能夠協調 CPU和外設兩者在信息的類型和電平的差異，如電平轉換驅動器、數／?；蚰＃瘮缔D換器等； （4）協調時序差異； （5）地址譯碼和設備選擇功能； （6）設置中斷和 DMA控制邏輯，以保證在中斷和 DMA允許的情況下產生中斷和DMA請求信號，并在接受到中斷和 DMA應答之后完成中斷處理和 DMA傳輸。高精度 M 系列設備的模擬輸出通道具有可編程偏移及電壓參考，使得所有自定義信號都可達 16 位最大精度。PXI7833 有 96 條數位通道，可用最高 40MHz 的速率，推行重組、輸出和計數器的功能。 另 一 方 面 ， PXI采 用 和 Compact PCI 一 樣 的 機 械 外 型 結 構 ， 因 此 也 能 同 樣 享 有 高 密 度 、 堅 固 外 殼 及高 性 能 連 接 器 的 特 性 。在高速場合，單片機無法代替 FPGA。根據所選定的驅動器的各項參數，接口部分采用 PXI7833 加上相應的軟件對輸入的脈沖信號進行寫操作，通過接口部分把信號加到步進電機驅動器上，從而改變步進電機的狀態(tài)，實現對步進電機的控制。如圖 41。鑒于PXI7833R板卡的硬件特性，其輸出電壓在177。“停止”按鈕用來結束程序。故應將這部分運算放在主程序中，就不再受FPGA 的整型限制了。對比這兩種方案，由于步機電機本身的特性，為了防止丟步的現象，應在步進電機啟動和停止時有一段加減的過程，這樣的話，使用計時方法就不精確了，因此，本次設計采用了對脈沖計數的方法，可避開加減速階段的影響。這里只附出加速過程第一幀和第二幀和穩(wěn)定狀態(tài)的程序圖，其他幀與此類似。其中，“順序局部變量”對前后的順序要求嚴格，即數據只能是后面的讀取前面的，而“局部變量”對順序沒有要求，在任何時刻，同一個變量的局部變量都是相同的值。本設計的主要功能是產生一個可控性非常強的脈沖信號和一個布爾量，而包括驅動器和步進電機的功能都是固有的，不需專門驗證。圖 53 總體連接實物圖青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書37 軟件調試基于 FPGA板卡的 LabVIEW程序，其中的 FPGA程序必須經編譯后，才能被主函數調用，因此要先對 FPGA目標的 VI進行編譯，編譯方法很簡單，點擊程序的“運行”按鈕即可，但是編譯過程比較緩慢，通常需要幾分鐘到幾十分鐘。⑶ 對PXI7833R 板卡進行了全面的學習，研究了如何使用LabVIEW對FPGA板卡進行編程。⑷完成了步進電機控制系統(tǒng)的軟件設計。圖 54 FPGA VI的編譯編譯完成后，主程序就可以運行了，通過示波器的顯示屏可觀察到脈沖信號的波形。完成調試所用的硬件主要包括：NI 工控機 PXI1045（內置 PXI7833R 板卡）、數據線、示波器和顯示器。加速過程程序圖見圖 49 和圖 410，穩(wěn)定過程程序圖見 411，減速過程程序圖青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書31見圖 412 和圖 413。與“連續(xù)運轉”VI 相同，本狀態(tài)下，仍需要指定轉速和方向。青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書28圖 45 “指定角度”VI 主程序的編程如前所述，主程序的功能是控制步進電機分別在兩種不同的狀態(tài)下運轉，本程序通過一個 case 結構來實現運動狀態(tài)的選擇。步進電機的轉動角度是由輸入的脈沖數決定的，故對方波發(fā)生器輸出的脈沖進行計數，也可以表示出步進電機轉動的角度。圖 44 “連續(xù)運行”VI “指定角度”VI 的編程此 VI 用來實現步進電機按指定角度運轉。由于用戶直接設定的是轉速，而方波發(fā)生器需要指定頻率，故需要把轉速轉換成脈沖信號的頻率。如圖 42。青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書24圖 311 步進電機驅動整體連線圖第 4 章 步進電機控制系統(tǒng)的軟件設計考慮到步進電機的工作特性，其完整的控制系統(tǒng)應包括兩個功能：連續(xù)運轉和指定角度運轉，故程序中應有一個 case 結構，用來選擇不同的運行狀態(tài)。單片機 IO 口有限，而 FPGA 動輒數百IO，可以方便連接外設。 現場可編程門陣列（F PGA）是可編程器件。它有 8 個獨立類比輸出，同步更新速率為 1MHz，電壓為177。 板卡這里選 PXI7833R 進行分析，其實物圖見圖 310。 板卡這里取 PXI6281 為例進行分析，其實物圖見圖 39。比如說，此信號為高電平時電機為順時針旋轉，此信號為低電平時電機則為反方向逆時針旋轉。根據所選定的步進電機的各項參數，選定與之相匹配的驅動器 DL2H090MH。一般情況下，系統(tǒng)的極限啟動頻率比較低，而要求的運行速度往往比較高。轉子沿著這些中間狀態(tài)以微步距轉動，電流分了多少個臺階，則轉子就可以以同樣的青島理工大