【正文】 能，畫出步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)整體硬件連線圖，如圖 311 所示。青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書24圖 311 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)整體連線圖第 4 章 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)考慮到步進(jìn)電機(jī)的工作特性，其完整的控制系統(tǒng)應(yīng)包括兩個(gè)功能：連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)和指定角度運(yùn)轉(zhuǎn)，故程序中應(yīng)有一個(gè) case 結(jié)構(gòu)，用來(lái)選擇不同的運(yùn)行狀態(tài)。在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，通過(guò) LabVIEW 指定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。在指定角度運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，除了指定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，還要指定一個(gè)角度，使電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)指定角度后停止。 軟件編程環(huán)境的建立本程序使用 LabVIEW 的 FPGA 模塊來(lái)完成。FPGA 模塊是 LabVIEW 專門用來(lái)生成適用于 FPGA 板卡的模板，只有安裝了 FPGA 板卡的驅(qū)動(dòng)后，才能使用這一模塊。設(shè)計(jì)過(guò)程：⑴ 點(diǎn)“開(kāi)始”，按提示，根據(jù)板卡的型號(hào)，創(chuàng)建一個(gè) FPGA項(xiàng)目。如圖 41。圖 41 FPGA 項(xiàng)目的創(chuàng)建⑵ 在“FPGA Target”目錄下創(chuàng)建“連續(xù)運(yùn)行”VI 和“指定角度運(yùn)行”VI，這就是要下載到板卡中的程序。如圖 42。青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書25圖 42 FPGA 子 VI 的創(chuàng)建⑶主程序的創(chuàng)建由于主程序是用來(lái)在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，并控制 FPGA 板卡的，即主程序并不是FPGA VI，而是一個(gè)一般的 VI。故應(yīng)在“我的電腦”目錄下創(chuàng)建主程序。如圖 43。圖 43 主程序的創(chuàng)建 “連續(xù)運(yùn)行”VI 的編程這里，用 FPGA 模塊中自帶的方波發(fā)生函數(shù) 來(lái)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，其輸出的青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書26是一個(gè)模擬量。作為一個(gè)脈沖信號(hào)，其待征參數(shù)包括幅值、頻率、偏移量等。鑒于PXI7833R板卡的硬件特性，其輸出電壓在177。10V 之間，故此方波發(fā)生器的高電平也不可超過(guò) 10V。由于用戶直接設(shè)定的是轉(zhuǎn)速，而方波發(fā)生器需要指定頻率，故需要把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)的頻率。將脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò) FPGA 板卡的模擬輸出通道 0 來(lái)輸出這一信號(hào)至驅(qū)動(dòng)器。另外，在這一個(gè) VI中添加一個(gè)用來(lái)控制轉(zhuǎn)動(dòng)方向的布爾量，并將其經(jīng)過(guò)FPGA 板卡的數(shù)字 I/O 通道 0 輸出至驅(qū)動(dòng)器。由于指定的轉(zhuǎn)速單位是 r/s，而方波發(fā)生函數(shù)的控制量是頻率，幫應(yīng)用一個(gè)乘法運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速至頻率的轉(zhuǎn)化。另外，幅值是5的方波信號(hào)輸出的高低電平分別是177。5V,不符合脈沖信號(hào)的形式，因此，需給此方波信號(hào)加一個(gè) 5V的偏移量，這樣，就能保證低電平是 0?！巴Ｖ埂卑粹o用來(lái)結(jié)束程序。波形圖表用來(lái)顯示發(fā)生的脈沖，如圖 44。圖 44 “連續(xù)運(yùn)行”VI “指定角度”VI 的編程此 VI 用來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)按指定角度運(yùn)轉(zhuǎn)。由于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度是由輸入的脈沖數(shù)決定的，故應(yīng)設(shè)法使步進(jìn)電機(jī)在完成指定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)后自動(dòng)停止。這里有兩種方法：。由于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度是由輸入的脈沖數(shù)決定的，則將轉(zhuǎn)動(dòng)角度與時(shí)間進(jìn)行關(guān)聯(lián)，增加一個(gè)計(jì)時(shí)器，用來(lái)控制運(yùn)行時(shí)間。為了使“停止”按鈕在這種運(yùn)行狀態(tài)下仍然有效，故應(yīng)將計(jì)時(shí)的布爾值與“停止”按鈕的布爾值進(jìn)行“或”運(yùn)算，青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書27將結(jié)果連接至 While 循環(huán)的“循環(huán)條件”端。由于計(jì)時(shí)過(guò)程的運(yùn)算必然用到除法，除法的輸出信號(hào)是浮點(diǎn)數(shù)而不是整型，而 FPGA 模塊的編程是不允許任何非整型的數(shù)據(jù)出現(xiàn)的，即使把浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成整型，而轉(zhuǎn)換之前仍有一段信號(hào)是浮點(diǎn)型的，這樣的程序在 FPGA 中依然無(wú)法運(yùn)行。故應(yīng)將這部分運(yùn)算放在主程序中，就不再受FPGA 的整型限制了。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度是由輸入的脈沖數(shù)決定的，故對(duì)方波發(fā)生器輸出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，也可以表示出步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。使用這種方法，需要設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)數(shù)器，用來(lái)統(tǒng)計(jì)脈沖個(gè)數(shù)。事先算出轉(zhuǎn)動(dòng)指定角度需要的脈沖數(shù)，當(dāng)輸出的脈沖個(gè)數(shù)達(dá)到所需脈沖數(shù)時(shí)，程序停止。為了使“停止”按鈕在這種運(yùn)行狀態(tài)下仍然有效，故應(yīng)將計(jì)數(shù)的布爾值與“停止”按鈕的布爾值進(jìn)行“或”運(yùn)算，將結(jié)果連接至 While循環(huán)的“循環(huán)條件”端。同樣，由于計(jì)時(shí)過(guò)程的運(yùn)算也必然用到除法，除法的輸出信號(hào)是浮點(diǎn)數(shù)而不是整型，而 FPGA 模塊的編程是不允許任何非整型的數(shù)據(jù)出現(xiàn)的，即使把浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成整型，而轉(zhuǎn)換之前仍有一段信號(hào)是浮點(diǎn)型的，這樣的程序在 FPGA 中依然無(wú)法運(yùn)行。故也應(yīng)將這部分運(yùn)算放在主程序中，使其不再受 FPGA 的整型的限制。對(duì)比這兩種方案，由于步機(jī)電機(jī)本身的特性，為了防止丟步的現(xiàn)象，應(yīng)在步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)和停止時(shí)有一段加減的過(guò)程，這樣的話，使用計(jì)時(shí)方法就不精確了，因此，本次設(shè)計(jì)采用了對(duì)脈沖計(jì)數(shù)的方法，可避開(kāi)加減速階段的影響。具體程序見(jiàn)圖 45。青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)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(jìn)電機(jī)分別在兩種不同的狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，本程序通過(guò)一個(gè) case 結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的選擇?？紤]到在兩種狀態(tài)下，步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)和停止過(guò)程都要有一個(gè)加減速的過(guò)程，這可以通過(guò)逐步調(diào)整脈沖發(fā)生器的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)，這一過(guò)程的編程需要用到“Sequence”結(jié)構(gòu)。用 來(lái)打開(kāi)前面創(chuàng)建的“連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)”子 VI,再用 來(lái)對(duì)“脈沖生成”子 VI 的各個(gè)量進(jìn)行讀/寫操作，最后用關(guān)閉函數(shù) 來(lái)關(guān)閉子 VI。 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) 在“連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)”狀態(tài)下，不需要計(jì)時(shí)或計(jì)數(shù)，只需要在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，使脈沖信號(hào)的頻率逐步變大即可。本次設(shè)計(jì)采用五段直線式遞增，加速過(guò)程中，每隔一秒，轉(zhuǎn)速增加目標(biāo)轉(zhuǎn)速的五分之一，五秒后達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。按下“停止”按鈕后，脈沖信號(hào)消失，電機(jī)自然減速至停止。這里只附出加速過(guò)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。青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書29圖 46 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)加速狀態(tài)第一幀圖 47 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)加速狀態(tài)第二幀青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書30圖 48 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定狀態(tài) 指定角度轉(zhuǎn)動(dòng)這部分程序采用了“局部變量”來(lái)實(shí)現(xiàn)同一個(gè)變量在不同選擇條件中的同時(shí)使用。與“連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)”VI 相同，本狀態(tài)下，仍需要指定轉(zhuǎn)速和方向。此外，本狀態(tài)下還需要指定一個(gè)角度，當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)了這一角度后就停止，這一功能可通過(guò)對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)脈沖周期數(shù)達(dá)到指定個(gè)數(shù)時(shí)，程序停止。同樣，如前所述，這部分含有浮點(diǎn)數(shù)的計(jì)算放在主程序中，再使用“強(qiáng)制轉(zhuǎn)換”將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為整型，以供“指定角度”VI 使用。由于這種狀態(tài)下，對(duì)步進(jìn)電機(jī)具體轉(zhuǎn)動(dòng)的角度有嚴(yán)格的要求，故在啟動(dòng)階段，要保證不能失步；在停止階段，在保證不能過(guò)沖。所以，在啟動(dòng)階段要設(shè)計(jì)一個(gè)加速過(guò)程，在停止階段，要設(shè)計(jì)一個(gè)減速過(guò)程。不同階段中，要保證脈沖計(jì)數(shù)器的連續(xù)計(jì)數(shù)，這就需要用到“順序局部變量”和“局部變量”的靈活使用。其中，“順序局部變量”對(duì)前后的順序要求嚴(yán)格，即數(shù)據(jù)只能是后面的讀取前面的，而“局部變量”對(duì)順序沒(méi)有要求，在任何時(shí)刻，同一個(gè)變量的局部變量都是相同的值。本次設(shè)計(jì)中，步進(jìn)電機(jī)在按下“開(kāi)始”后立即進(jìn)入加速狀態(tài)，加速完成后，進(jìn)入平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)，在步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)角度達(dá)到指定角度的五分之四時(shí)，進(jìn)入減速階段直至停止。加速過(guò)程程序圖見(jiàn)圖 49 和圖 410，穩(wěn)定過(guò)程程序圖見(jiàn) 411，減速過(guò)程程序圖青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書31見(jiàn)圖 412 和圖 413。圖 49 指定角度轉(zhuǎn)動(dòng)加速過(guò)程第一幀圖 410 指定角度轉(zhuǎn)動(dòng)加速過(guò)程第二幀青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書32圖 411 指定角度轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定過(guò)程圖 412 指定角度轉(zhuǎn)動(dòng)減速過(guò)程第一幀青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書33圖 413 指定角度轉(zhuǎn)動(dòng)減速過(guò)程第二幀 前面板的設(shè)計(jì)前面板要求易于操控，有較好的親和性。為此，本次設(shè)計(jì)中的前面板充分考慮了各個(gè)因素，對(duì)各操控端進(jìn)行了有序的分區(qū)，如圖 414。圖 414 步進(jìn)電機(jī)控制前面板青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書34為了防止輸入的轉(zhuǎn)速過(guò)大，而超過(guò)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，這里對(duì)轉(zhuǎn)速輸入控件進(jìn)行了限制，具體設(shè)置見(jiàn)圖 415。圖 415 轉(zhuǎn)速輸入控件設(shè)置前面板的操作流程：圖 416 前面板操作流程圖設(shè)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)設(shè)定轉(zhuǎn)動(dòng)方向輸入轉(zhuǎn)速連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)？開(kāi)始停止是輸入指定角度否青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書35第 5 章 實(shí)驗(yàn)全部設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)入程序的調(diào)試階段。調(diào)試是檢驗(yàn)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否正確重要的一環(huán)。本設(shè)計(jì)的主要功能是產(chǎn)生一個(gè)可控性非常強(qiáng)的脈沖信號(hào)和一個(gè)布爾量，而包括驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)的功能都是固有的，不需專門驗(yàn)證。為簡(jiǎn)化調(diào)試過(guò)程，采用示波器來(lái)顯示輸出的信號(hào)。完成調(diào)試所用的硬件主要包括：NI 工控機(jī) PXI1045（內(nèi)置 PXI7833R 板卡）、數(shù)據(jù)線、示波器和顯示器。 接線按照?qǐng)D 311所示的硬件連線方式進(jìn)行連線。需要注意的是 PXI7833R有三個(gè)端口，由于本次設(shè)計(jì)需要一個(gè) AO通道和一個(gè) DIO通道，故應(yīng)選擇同時(shí)擁有這兩種通道的端口，即 CONNECT 0端口，如圖 51。圖 51 PXI7833R的 CONNECT 0端口為了對(duì)此端口所用的引腳進(jìn)行操作，應(yīng)使用 R系列接線盒，通過(guò)數(shù)據(jù)線的連接，將各引腳引出。所用接線盒如圖 52，其中圈出的為本程序中所用的 AO0和 DIO0及各自的地線。青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書36圖 52 R系列接線盒調(diào)試過(guò)程所用硬件整體連接實(shí)物圖見(jiàn)圖 53。圖 53 總體連接實(shí)物圖青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書37 軟件調(diào)試基于 FPGA板卡的 LabVIEW程序，其中的 FPGA程序必須經(jīng)編譯后，才能被主函數(shù)調(diào)用，因此要先對(duì) FPGA目標(biāo)的 VI進(jìn)行編譯，編譯方法很簡(jiǎn)單，點(diǎn)擊程序的“運(yùn)行”按鈕即可，但是編譯過(guò)程比較緩慢，通常需要幾分鐘到幾十分鐘。編譯過(guò)程見(jiàn)圖 54。圖 54 FPGA VI的編譯編譯完成后，主程序就可以運(yùn)行了，通過(guò)示波器的顯示屏可觀察到脈沖信號(hào)的波形。連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下的脈沖信號(hào)波形見(jiàn)圖 55，布爾量波形見(jiàn)圖 56，前面板形態(tài)見(jiàn)圖 57。圖 55 連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下的脈沖信號(hào)波形圖青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書38圖 56 布爾量波形圖圖 57 程序運(yùn)行時(shí)的前面板 調(diào)試過(guò)程的總結(jié) 調(diào)試過(guò)程中遇到過(guò)很多問(wèn)題，比如編譯失敗，脈沖信號(hào)不穩(wěn)定等，在指導(dǎo)老師的幫助下，通過(guò)對(duì)程序不斷的修改，終于完成了程序調(diào)試，使本次設(shè)計(jì)得以最終完成。青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書39結(jié)論本論文結(jié)合步進(jìn)電機(jī)的基本要求和特點(diǎn)，采用 LabVIEW 進(jìn)行編程，對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用“自上而下”的設(shè)計(jì)原理，由整體框架到細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)步驟，做了如下幾個(gè)方面的工作：⑴ 研究步進(jìn)電機(jī)的工作原理。通過(guò)查閱有關(guān)書籍和網(wǎng)站信息，在對(duì)步進(jìn)電機(jī)的工作原理和控制方式有了深刻的理解的基礎(chǔ)上，對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了整體方案的設(shè)計(jì)、硬件的選擇及接線。⑵ 在學(xué)習(xí)了LabVIEW的基礎(chǔ)上，研究了LabVIEW FPGA模塊的編程和應(yīng)用，對(duì)使用FPGA模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)有了實(shí)踐上的認(rèn)識(shí)。⑶ 對(duì)PXI7833R 板卡進(jìn)行了全面的學(xué)習(xí)，研究了如何使用LabVIEW對(duì)FPGA板卡進(jìn)行編程。通過(guò)LabVIEW完成產(chǎn)生頻率可調(diào)的脈沖信號(hào)和布爾信號(hào)的程序，經(jīng)編譯后下載到PXI7833R板卡，以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制脈沖及方向信號(hào)的生成。⑷完成了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。包括易于操控的前面板設(shè)計(jì)、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)和指定角度運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)程序以及步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)和停止過(guò)程的加減速程序。⑸完成了程序的調(diào)試，驗(yàn)證該步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書40參考文獻(xiàn)[1] LabVIEW 的虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2022.[2] 楊樂(lè)平,李海濤 ,楊磊. 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