【文章內(nèi)容簡介】 置著種類繁多的顯示與操作元件，易于導(dǎo)致許多識(shí)別與操作錯(cuò)誤。而虛擬儀器與之不同，它可以通過在幾個(gè)分面板上的操作來實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。這樣，在每個(gè)分面板上就可以實(shí)現(xiàn)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。同時(shí)，面板上的顯示元件和操作元件的種類與形式不受“標(biāo)準(zhǔn)件”和“加工工藝”的限制，它們是由編程實(shí)現(xiàn)的，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)用戶的認(rèn)知要求和操作要求設(shè)計(jì)儀器面板。在通用硬件平臺(tái)確定后，由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來完成儀器的功能。儀器的功能是用戶根據(jù)需要由軟件來定義的，而不是事先由廠家定義好的。儀器性能的改進(jìn)和功能擴(kuò)展只需更新相關(guān)軟件設(shè)計(jì)，而不需購買新的儀器。研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短。虛擬儀器開放、靈活，可與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互聯(lián)。決定虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器不可能具備的特點(diǎn)的根本原因在于“虛擬儀器的關(guān)鍵是軟件”。虛擬儀器的硬件是計(jì)算機(jī)和為其配置的必要的電子儀器硬件模塊。硬件主體是計(jì)算機(jī)，通常是個(gè)人計(jì)算機(jī)，也可以是任何通用計(jì)算機(jī)。為計(jì)算機(jī)配置的電子儀器硬件模塊是各種傳感器、信號(hào)調(diào)理器、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器、數(shù)字 /模擬轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)等。當(dāng)給定計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和必需的儀器硬件后，構(gòu)造和使用虛擬儀器的關(guān)鍵就是應(yīng)用不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能。虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用軟件主要有以下三個(gè)目的:集成的開發(fā)環(huán)境、與儀器硬件的高級(jí)接口和虛擬儀器的用戶界面。虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用軟件由用戶編制，可以采用各種編程軟件，在這里提高計(jì)算機(jī)軟件編程效率也就成了一個(gè)非常現(xiàn)實(shí)的問題。根據(jù)微軟及其他計(jì)算機(jī)軟件工程專家的觀點(diǎn)，在當(dāng)今這個(gè)信息時(shí)代，提高軟件編積效率的關(guān)鍵是采用面向?qū)ο蟮木幊谭绞??？梢暬幊陶Z言環(huán)境VisualC++ ，VisualBasic 的推出，為簡化計(jì)算機(jī)編程邁出了可喜的一步。但對(duì)一個(gè)普通的計(jì)算機(jī)用戶( 而非編程專家)來說，這一步還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。軟件的可重用性在虛擬儀器的設(shè)計(jì)中起著重要的作用。近年來，基于PC機(jī)和工作站基礎(chǔ)上的圖形接口標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算機(jī)能力的提高，促進(jìn)了圖形開發(fā)軟件包和圖形開發(fā)環(huán)境的迅速普及，圖形開發(fā)方青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書8式為每一個(gè)虛擬儀器提供了可重用的代碼模塊，并允許用戶從其它代碼模塊中分級(jí)調(diào)用。這些重用部分是一些封裝良好的、原子型的程序代碼，理想情況下，重用部分包括函數(shù)庫、過程程序包、宏、類庫等，它們通過各自的接口被組裝在一起，每一部分完成特定的功能。在虛擬儀器的圖形軟件開發(fā)平臺(tái)研究方面，最有代表性的是NI公司的LabVIEW虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)。LabVIEW 作為開發(fā)環(huán)境有以下特點(diǎn)：1．圖形化編程降低了對(duì)使用者的編程經(jīng)驗(yàn)的要求，易于工程師使用。2. 采用面向?qū)ο蟮姆椒ê透拍?，便于軟件的開發(fā)和再利用。3. 圖元、框圖及其構(gòu)成的虛擬儀器在Windows,WindowsNT,UNIX等平臺(tái)之間兼容，便于軟件的移植。4．支持串行接口、GPIB、VXl等標(biāo)準(zhǔn)總線及各種數(shù)據(jù)采集卡。5．具有豐富的庫函數(shù)，便于提高開發(fā)速度。6. 能與各種現(xiàn)有的儀器驅(qū)動(dòng)器配合以滿足用戶需要。7. 具有較完整的代碼接口，可調(diào)用Windows動(dòng)態(tài)鏈接庫(DLL)中的函數(shù)，以彌補(bǔ)白身的不足。所以我們采用虛擬儀器來作步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)軟件。青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書9第 3 章 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 概述所謂微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)是指由微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖電路，產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的步進(jìn)脈沖，并按正確的時(shí)序分配給步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，使步進(jìn)電機(jī)按正確的方向轉(zhuǎn)到正確的位置。利用CPU實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，其實(shí)現(xiàn)途徑有兩種，一種是利用CPU直接產(chǎn)生步進(jìn)脈沖；另一種方法是用其他的輔助電路或?qū)Ｓ每刂菩酒a(chǎn)生步進(jìn)脈沖，由CPU給出步進(jìn)電機(jī)所需的啟動(dòng)信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用板卡直接產(chǎn)生步進(jìn)脈沖的方法。步進(jìn)脈沖的產(chǎn)生與分配由PC直接控制。在步進(jìn)電機(jī)的控制中，關(guān)鍵的是步進(jìn)電機(jī)速度的控制。速度的控制主要是通過改變輸出時(shí)鐘脈沖的時(shí)間間隔，升速時(shí)，輸出密集的脈沖，要減速時(shí)，則輸出較稀疏的脈沖即可。為避免失步或過沖，要以較低的速度啟動(dòng)，逐漸加速到某一速度運(yùn)行，再逐漸降速至停止。 硬件的選擇 步進(jìn)電機(jī)圖 31 步進(jìn)電機(jī)解剖圖青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書10步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。給步進(jìn)電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，而且它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的，所以，可以通過控制脈沖總數(shù)來達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。單位時(shí)間內(nèi)加的脈沖數(shù)越多，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度也就越大。因此，在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置僅取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等優(yōu)點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域步進(jìn)電機(jī)運(yùn)用的非常廣泛而且控制起來也相對(duì)簡單。步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)才可以使用。它的工作原理是利用電子電路，用環(huán)形分配器將直流電變成分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的、多相時(shí)序控制器。步進(jìn)電機(jī)同時(shí)也叫步進(jìn)器，它是利用電磁學(xué)原理將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。即麥克斯韋原理，電流在磁場中會(huì)受到力的作用，符合左手定則。步進(jìn)電機(jī)在很多領(lǐng)域都得到了廣泛的運(yùn)用，基本上只要需要把某件物體從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置，步進(jìn)電機(jī)都能派上用場。步進(jìn)電機(jī)分為永磁式、反應(yīng)式和混合式。永磁式（PM）。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 度或 15 度。 反應(yīng)式（VR）。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為 度，但噪聲和振動(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國家 80 年代已被淘汰。 混合式（HB）?；旌鲜讲竭M(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為 度而五相步進(jìn)角一般為 度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)主要有相數(shù)、步距角 、定位轉(zhuǎn)矩、保持轉(zhuǎn)矩等。 相數(shù)是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書11電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為 176。/176。、三相的為 176。/176。、五相的為 176。/176。在沒有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則“相數(shù)”將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。 步距角表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，如 86BYG250A 型電機(jī)給出的值為 176。/176。表示半步工作時(shí)為 176。、整步工作時(shí)為 176。），這個(gè)步距角可以稱之為“電機(jī)固有步距角”，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。定位轉(zhuǎn)矩指的是電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的）。 保持轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)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(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說 2N m 的步進(jìn)電機(jī)，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為 2N m 的步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)有步距角精度、失步、失調(diào)角、最大空載起動(dòng)頻率、最大空載運(yùn)行頻率、運(yùn)行矩頻特性等。 步距角精度是指步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在 5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在 15%以內(nèi)。 失步是指電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。失調(diào)角是指轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。 最大空載起動(dòng)頻率是指電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。 最大空載運(yùn)行頻率是指電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 運(yùn)行矩頻特性是指電機(jī)在某種測試條件下測得運(yùn)行中輸出力矩與頻率的關(guān)系，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。力矩與頻率關(guān)系如圖 3青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書122。圖 32 力矩與頻率關(guān)系曲線電機(jī)一旦選定，電機(jī)的靜力矩確定，而動(dòng)態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機(jī)輸出力矩越大，即電機(jī)的頻率特性越硬，如圖 33 所示。圖 33 力矩與頻率關(guān)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(fù)載的交點(diǎn)為負(fù)載的最大速度點(diǎn)。要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動(dòng)電壓，或采用小電感大電流的電機(jī)。電機(jī)的共振點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，步進(jìn)電機(jī)的共振區(qū)一般在 50 轉(zhuǎn)/分至 80 轉(zhuǎn)/分之間或在 180 轉(zhuǎn)/分左右，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機(jī)輸出電矩大，不失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。因此，在使用步進(jìn)電機(jī)時(shí)應(yīng)避開此共振區(qū)。 力矩負(fù)載頻率青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書13步進(jìn)電機(jī)是由一組纏繞在電機(jī)固定部件——定子齒槽上的線圈驅(qū)動(dòng)的。一般情況下，一根表面涂有絕緣漆的金屬絲繞成圓筒狀叫做螺線管，而在電機(jī)中，繞在齒上的金屬絲則通常叫做線圈、或相。如果線圈中電流的流向如圖 34 所示，那么我們從電機(jī)頂部向下看齒槽的頂部，則電流在繞兩個(gè)齒槽按逆時(shí)針流向流動(dòng)。根據(jù)安培定律和右手準(zhǔn)則，這樣的電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)北極向上的磁場。如果我們再構(gòu)造一個(gè)定子上纏繞有兩個(gè)繞組的電機(jī)，內(nèi)置一個(gè)能夠繞中心任意轉(zhuǎn)動(dòng)的永久磁鐵，這個(gè)可旋轉(zhuǎn)部分叫做轉(zhuǎn)子。圖 34 給出了一種簡單的電機(jī)，這種電機(jī)叫做雙相雙極電機(jī)，因?yàn)槠涠ㄗ由嫌袃蓚€(gè)繞組，而且其轉(zhuǎn)子有兩個(gè)磁極。如果我們按圖 34 所示方向給繞組 1輸送電流，而繞組 2 中沒有電流流過，那么在磁場的作用下，電機(jī)轉(zhuǎn)子的南極就會(huì)自然地按圖 34 所示，指向定子磁場的北極，這樣就實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制的一個(gè)狀態(tài)。圖 34 雙相雙極電機(jī)這時(shí)我們切斷繞組 1 中的電流，給線圈 2 上電，方向如圖 34B 所示，同樣通過前面的分析方法根據(jù)安培定律和右手準(zhǔn)則，線圈會(huì)產(chǎn)生一個(gè)北極向左，南極向右的磁場，這樣在磁場的作用下，電機(jī)轉(zhuǎn)子就會(huì)旋轉(zhuǎn) 90 度至如圖 34B 所示的位置。接著，我們再將繞組 2的電流切斷，按照?qǐng)D 34C 的方向給繞組 1 輸送電流，注意：這時(shí)繞組 1 中的電流流向與圖 A 所示方向相反。根據(jù)安培定律和右手準(zhǔn)則，于是定子會(huì)產(chǎn)生一個(gè)北極向下的磁場，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子再旋轉(zhuǎn) 90 度至圖 34C 的位置。然后我們又切斷繞組 1 中的電流，按照?qǐng)D 34D 所示方向給繞組 2 輸送電流，同樣，這時(shí)繞組 2 中的電流流向與圖 34B 所示方向相反，同理定子北極就會(huì)指向右側(cè)，從而使得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書14最后，我們再一次切斷繞組 2 中的電流，并給繞組 1 輸送如圖 34 所示的電流，這樣，轉(zhuǎn)子又會(huì)回到原來的位置。這樣，我們就對(duì)電機(jī)繞組完成了一個(gè)周期的電激勵(lì)，電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了一整圈。也就是說，只要我們按照這樣的順序不停地給電機(jī)上電，電機(jī)就會(huì)不停地向這樣轉(zhuǎn)動(dòng)。圖 35是四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)示意圖。該步進(jìn)電機(jī)為一四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。兩相步進(jìn)電機(jī)的工作原理與此類似。圖 35 四相步進(jìn)電機(jī)控制示意圖開始時(shí)，開關(guān) SB 接通電源， SA、S C、S D 斷開，根據(jù)前面的安培定則和右手定則，B 相磁極和轉(zhuǎn)子 0、3 號(hào)齒對(duì)齊，同時(shí)由于定子一個(gè)圓周內(nèi)均勻地分布八個(gè)齒，而轉(zhuǎn)子一個(gè)圓周內(nèi)均勻地分布六個(gè)齒，所以轉(zhuǎn)子的 4 號(hào)齒就和 C、D 相 繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒，5 號(hào)齒就和 D、A 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。當(dāng)開關(guān) SC 接通電源，S B、S A、S D 斷開時(shí)，由于 C 相繞組的磁力線和 4 號(hào)齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，4 號(hào)齒就和 C 相繞組的磁極對(duì)齊。同理 0、3 號(hào)齒和 A、B 相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒，5 號(hào)齒就和 A、D 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類推，A、B、 C、D 四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子就會(huì)沿著逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但由于矢量疊加原理，單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩比雙四拍的青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書15轉(zhuǎn)動(dòng)力矩要小。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(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高控制精度。表 31 電機(jī)通電順序通電順序單四拍 A B C D雙四拍 DA AB BC CD八拍 DA A AB B BC C CD D單四