【正文】 ⑸完成了程序的調(diào)試，驗證該步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計的可行性。⑷完成了步進電機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。⑶ 對PXI7833R 板卡進行了全面的學(xué)習(xí)，研究了如何使用LabVIEW對FPGA板卡進行編程。通過查閱有關(guān)書籍和網(wǎng)站信息，在對步進電機的工作原理和控制方式有了深刻的理解的基礎(chǔ)上，對步進電機控制系統(tǒng)進行了整體方案的設(shè)計、硬件的選擇及接線。圖 55 連續(xù)運行狀態(tài)下的脈沖信號波形圖青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書38圖 56 布爾量波形圖圖 57 程序運行時的前面板 調(diào)試過程的總結(jié) 調(diào)試過程中遇到過很多問題，比如編譯失敗，脈沖信號不穩(wěn)定等，在指導(dǎo)老師的幫助下，通過對程序不斷的修改，終于完成了程序調(diào)試，使本次設(shè)計得以最終完成。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。圖 53 總體連接實物圖青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書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 FPGA目標(biāo)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。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。需要注意的是 PXI7833R有三個端口，由于本次設(shè)計需要一個 AO通道和一個 DIO通道，故應(yīng)選擇同時擁有這兩種通道的端口，即 CONNECT 0端口，如圖 51。完成調(diào)試所用的硬件主要包括：NI 工控機 PXI1045（內(nèi)置 PXI7833R 板卡）、數(shù)據(jù)線、示波器和顯示器。本設(shè)計的主要功能是產(chǎn)生一個可控性非常強的脈沖信號和一個布爾量，而包括驅(qū)動器和步進電機的功能都是固有的，不需專門驗證。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)定運動狀態(tài)設(shè)定轉(zhuǎn)動方向輸入轉(zhuǎn)速連續(xù)運轉(zhuǎn)？開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（論文）說明書35第 5 章 實驗全部設(shè)計完成后，進入程序的調(diào)試階段。為此，本次設(shè)計中的前面板充分考慮了各個因素，對各操控端進行了有序的分區(qū)，如圖 414。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(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書31見圖 412 和圖 413。其中，“順序局部變量”對前后的順序要求嚴(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。所以，在啟動階段要設(shè)計一個加速過程，在停止階段，要設(shè)計一個減速過程。同樣，如前所述，這部分含有浮點數(shù)的計算放在主程序中，再使用“強制轉(zhuǎn)換”將計算結(jié)果轉(zhuǎn)化為整型，以供“指定角度”VI 使用。與“連續(xù)運轉(zhuǎn)”VI 相同，本狀態(tài)下，仍需要指定轉(zhuǎn)速和方向。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。本次設(shè)計采用五段直線式遞增，加速過程中，每隔一秒，轉(zhuǎn)速增加目標(biāo)轉(zhuǎn)速的五分之一，五秒后達到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。用 來打開前面創(chuàng)建的“連續(xù)運轉(zhuǎn)”子 VI,再用 來對“脈沖生成”子 VI 的各個量進行讀/寫操作，最后用關(guān)閉函數(shù) 來關(guān)閉子 VI。青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)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(zhuǎn)，本程序通過一個 case 結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)運動狀態(tài)的選擇。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(xiàn)象，應(yīng)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(shè)計采用了對脈沖計數(shù)的方法，可避開加減速階段的影響。同樣，由于計時過程的運算也必然用到除法，除法的輸出信號是浮點數(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，即使把浮點數(shù)進行強制轉(zhuǎn)換成整型，而轉(zhuǎn)換之前仍有一段信號是浮點型的，這樣的程序在 FPGA 中依然無法運行。事先算出轉(zhuǎn)動指定角度需要的脈沖數(shù)，當(dāng)輸出的脈沖個數(shù)達到所需脈沖數(shù)時，程序停止。步進電機的轉(zhuǎn)動角度是由輸入的脈沖數(shù)決定的，故對方波發(fā)生器輸出的脈沖進行計數(shù)，也可以表示出步進電機轉(zhuǎn)動的角度。故應(yīng)將這部分運算放在主程序中，就不再受FPGA 的整型限制了。為了使“停止”按鈕在這種運行狀態(tài)下仍然有效，故應(yīng)將計時的布爾值與“停止”按鈕的布爾值進行“或”運算，青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書27將結(jié)果連接至 While 循環(huán)的“循環(huán)條件”端。這里有兩種方法：。圖 44 “連續(xù)運行”VI “指定角度”VI 的編程此 VI 用來實現(xiàn)步進電機按指定角度運轉(zhuǎn)。“停止”按鈕用來結(jié)束程序。另外，幅值是5的方波信號輸出的高低電平分別是177。另外，在這一個 VI中添加一個用來控制轉(zhuǎn)動方向的布爾量，并將其經(jīng)過FPGA 板卡的數(shù)字 I/O 通道 0 輸出至驅(qū)動器。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)換成脈沖信號的頻率。鑒于PXI7833R板卡的硬件特性，其輸出電壓在177。圖 43 主程序的創(chuàng)建 “連續(xù)運行”VI 的編程這里，用 FPGA 模塊中自帶的方波發(fā)生函數(shù) 來產(chǎn)生一個脈沖，其輸出的青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書26是一個模擬量。故應(yīng)在“我的電腦”目錄下創(chuàng)建主程序。如圖 42。如圖 41。FPGA 模塊是 LabVIEW 專門用來生成適用于 FPGA 板卡的模板，只有安裝了 FPGA 板卡的驅(qū)動后，才能使用這一模塊。在指定角度運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，除了指定步進電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向，還要指定一個角度，使電機在運轉(zhuǎn)指定角度后停止。青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書24圖 311 步進電機驅(qū)動整體連線圖第 4 章 步進電機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計考慮到步進電機的工作特性，其完整的控制系統(tǒng)應(yīng)包括兩個功能：連續(xù)運轉(zhuǎn)和指定角度運轉(zhuǎn)，故程序中應(yīng)有一個 case 結(jié)構(gòu)，用來選擇不同的運行狀態(tài)。根據(jù)所選定的驅(qū)動器的各項參數(shù)，接口部分采用 PXI7833 加上相應(yīng)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(qū)動器上，從而改變步進電機的狀態(tài)，實現(xiàn)對步進電機的控制。4．FPGA 有大量軟核，可以方便進行二次開發(fā)。青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書233．FPGA 內(nèi)部程序并行運行，有處理更復(fù)雜功能的能力。單片機 IO 口有限，而 FPGA 動輒數(shù)百IO，可以方便連接外設(shè)。在高速場合，單片機無法代替 FPGA。其 優(yōu) 勢 在 于 :1．FPGA 運行速度快。FPGA 的邏輯是通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲單元加載編程數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的，存儲在存儲器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及個模塊之間或模塊與 I/O 間的連接方式,并最終決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與 I/O 間的聯(lián)接方式,并最終決定了 FPGA 所能實現(xiàn)的功能, FPGA 允許無限次的編程。 現(xiàn)場可編程門陣列（F PGA）是可編程器件。 另 一 方 面 ， PXI采 用 和 Compact PCI 一 樣 的 機 械 外 型 結(jié) 構(gòu) ， 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 ?？?體 來 說 ， PXI 是 以 PCI(Peripheral Component Interconnect)和 Compact PCI為 基 礎(chǔ) 再 加 上 一 些 PXI 特 有 的 信 號 組 合 而 成 的 一 個 架 構(gòu) 。3M 的可重組化 I/O (RIO) FPGA。它有 8 個獨立類比輸出，同步更新速率為 1MHz，電壓為177。PXI7833 有 96 條數(shù)位通道，可用最高 40MHz 的速率，推行重組、輸出和計數(shù)器的功能。它提供超越典型數(shù)據(jù)采集硬件功能的多種專項功能，如：多速率采樣和單青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書22通道觸發(fā)。用戶可借助 NI LabVIEW 圖形化程序框圖和 NI LabVIEW FPGA 模塊，配置各項模擬和數(shù)字功能。 板卡這里選 PXI7833R 進行分析，其實物圖見圖 310。高精度 M 系列設(shè)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。NI－PGIA 2 放大器技術(shù)以其優(yōu)化的高線性和 18 位快速建立時間的特性，確保了測量的精確度。該精度相當(dāng)于 5189。 板卡這里取 PXI6281 為例進行分析，其實物圖見圖 39。 接口通常接口有以下一些功能： （1）設(shè)置數(shù)據(jù)的寄存、緩沖邏輯，以適應(yīng) CPU與外設(shè)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(xiàn)批量數(shù)據(jù)的傳輸； （2）能夠進行信息格式的轉(zhuǎn)換，例如串行和并行的轉(zhuǎn)換； （3）能夠協(xié)調(diào) CPU和外設(shè)兩者在信息的類型和電平的差異，如電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動器、數(shù)／?；蚰＃瘮?shù)轉(zhuǎn)換器等； （4）協(xié)調(diào)時序差異； （5）地址譯碼和設(shè)備選擇功能； （6）設(shè)置中斷和 DMA控制邏輯，以保證在中斷和 DMA允許的情況下產(chǎn)生中斷和DMA請求信號，并在接受到中斷和 DMA應(yīng)答之后完成中斷處理和 DMA傳輸。 （3）脫機信號PD：此信號為選用信號，并不是必須要用的，只在一些特殊情況下使用，此端輸入一個5V電平時, 電機處于無力矩狀態(tài)； 此端為高電平或懸空不接時, 此功能無效, 電機可正常運行，此功能若用戶不采用，只需將此端懸空即可。另外，還有一種雙脈沖換向方式：驅(qū)動器接受兩路脈沖信號（標(biāo)注為CW和CCW），當(dāng)其中一路（如CW）有脈沖信號時，電機正向運行，當(dāng)另一路（如CCW）有脈沖信號時，電機反向運行。比如說，此信號為高電平時電機為順時針旋轉(zhuǎn)，此信號為低電平時電機則為反方向逆時針旋轉(zhuǎn)。這樣，控制系統(tǒng)通過脈沖信號CP 就可以達到電機調(diào)速和定位的目的。參數(shù)說明：電流調(diào)定值： ， ，每轉(zhuǎn)步數(shù)： 400 （）800 （）1600 （）3200 （）6400 （） 12800 （）輸入脈沖方式： 單脈沖與雙脈沖可選工作電源： AC20V～60V/4A一組配套電機： 57至86系列二相混合式步進電機DL2H090HM步進電機驅(qū)動器的面板圖如圖38所示。體積更小、性能更加穩(wěn)定。根據(jù)所選定的步進電機的各項參數(shù)，選定與之相匹配的驅(qū)動器 DL2H090MH。步 距 角 精 度———— 177。青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書17圖 37 步進電機的加減速運動曲線從圖 37可以看出，L2 段為恒速運行，L1 段為升頻，L3 段為降頻，按照“失步”的定義， 如果在 L1 及 L3 段上升及下降的控制頻率變化大于步進電機的響應(yīng)頻率變化，步進電機就會失步，失步會導(dǎo)致步進電機停轉(zhuǎn)，經(jīng)常會影響系統(tǒng)的正常工作，因此，在步進電機變速運行中，必須進行正確的加減速控制。系統(tǒng)運行起來以后，如果達到終點時立即停止發(fā)送脈沖串，令其立即停止，則由于系統(tǒng)慣性作用，電機轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過平衡位置，如果負(fù)載的慣性很大，會使步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到接近終點平衡位置的下一個平衡位置，并在該位置停下。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。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(guān)鍵。如果想實現(xiàn)步進電機的反向旋轉(zhuǎn)，只需要按照A—CA—C—BC —B—AB—A順序通電即可，這時電機順時針旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)了對電機的正反轉(zhuǎn)控制。步進電機的正反轉(zhuǎn)控制顯得比較簡單，只需將步進電機的通電順序顛倒即可。轉(zhuǎn)子沿著這些中間狀態(tài)以微步距轉(zhuǎn)動，電流分了多少個臺階，則轉(zhuǎn)子就可以以同樣的青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書16次數(shù)轉(zhuǎn)過一個步距角，實現(xiàn)了步進電機步距角的細(xì)分。因此，在運行步進電機運行過程中需要細(xì)分。圖36 步進電機工作時序波形圖步 進 電 機 的 細(xì) 分 技 術(shù) 實 質(zhì) 上 是 一 種 電 子 阻 尼 技 術(shù) ， 其 主 要 目 的 是 減 弱 或 消 除 步進 電 機 的 低 頻 振 動 ， 同 時 也 可 以 提 高 電 機 的 運 轉(zhuǎn) 精 度 。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)動力矩又可以提高控制精度。四相步進電機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。同理 0、3 號齒和 A、B 相繞組產(chǎn)生錯齒，5 號齒就和 A、D 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。圖 35 四相步進電機控制示意圖開始時，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 號齒對齊，同時由于定子一個圓周內(nèi)均勻地分布八個齒，而轉(zhuǎn)子一個圓周內(nèi)均勻地分布六個齒，所以轉(zhuǎn)子的 4 號齒就和 C、D 相 繞組磁極產(chǎn)生錯齒，5 號齒就和 D、A 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。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(zhuǎn)動。圖 35是四相反應(yīng)式步進電機控制系統(tǒng)示意圖。這樣，我們就對電機繞組完成了一個周期的電激勵，電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了一整圈。然后我們又切斷繞組 1 中的電流，按照圖 34D 所示方向給繞組 2 輸送電流，同樣，這時繞組 2 中的電流流向與圖 34B 所示方向相反，同理定子北極就會指向右側(cè)，從而使得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。接著，我們再將繞組 2的電流切斷，按照圖 34C 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