基于虛擬儀器技術(shù)的步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)

張慶功 張威

摘 要：隨著電機(jī)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，步進(jìn)電機(jī)也越來(lái)越受到各領(lǐng)域的關(guān)注。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移的電機(jī)元件，具有精確控制、無(wú)累積誤差等優(yōu)點(diǎn)，它可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速、快速起停、正反轉(zhuǎn)控制等。正是由于LabVIEW設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有控制靈活、人機(jī)交互性強(qiáng)、界面友好和操作方便等特點(diǎn)，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為虛擬儀器的設(shè)計(jì)提供了一種有效的方法。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；LabVIEW；PXI總線

LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，使用這種語(yǔ)言編程時(shí)，基本上不用寫代碼，取而代之的是流程圖或框圖。此外，LabVIEW的函數(shù)庫(kù)包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。它還是傳統(tǒng)程序調(diào)試的工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步執(zhí)行等，LabVIEW憑借其功能上的優(yōu)越性，最終成為了面向用戶的工具。

本系統(tǒng)方案擬用LabVIEW軟件對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)的控制，并且將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，以取得良好的控制效果。

1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

LabVIEW通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)與功能化硬件結(jié)合起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器功能的軟件化與模塊化，來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器相應(yīng)的功能。本設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)也是虛擬儀器系統(tǒng)的一種。虛擬儀器系統(tǒng)一般分為通用儀器的硬件和應(yīng)用軟件兩大部分。虛擬儀器系統(tǒng)的硬件一般又包括計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)和接口設(shè)備。計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)虛擬儀器的硬件平臺(tái)可以是各種類型的計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)管理著虛擬儀器的軟、硬件資源，是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)。

3 主程序的設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)的控制和顯示是通過(guò)信號(hào)來(lái)完成的。本設(shè)計(jì)方案選用四相步進(jìn)電機(jī)，四相狀態(tài)顯示電機(jī)相的高低電平，0表示低電平，1表示高電平[1]。前面板主要負(fù)責(zé)放置控件，像曲軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣管壓力、兩個(gè)圓形電機(jī)正反轉(zhuǎn)顯示按鈕等控件，通過(guò)作用于主程序程序框圖，進(jìn)而在前面板上顯示出電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

主程序的程序框圖如下圖所示：

程序框圖中通過(guò)PXI-7833和PXI-6723板卡和相應(yīng)的框圖程序共同對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行輸入和輸出。由于框圖中PXI-7833R VI和汽車進(jìn)氣管壓力控制部分是在實(shí)驗(yàn)室中選用的由中國(guó)汽車研究所提供的研究汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的函數(shù)模塊，比較復(fù)雜，這里不做詳細(xì)介紹，主要功能是改變步進(jìn)電機(jī)的四相狀態(tài)。再通過(guò)PCI-6514采集數(shù)據(jù)接入DAQmx函數(shù)，創(chuàng)建一個(gè)虛擬通道，選用端口1，2-5線，然后開始任務(wù)，進(jìn)行一個(gè)大的while循環(huán)，進(jìn)入DAQmx讀函數(shù)，顯示四相狀態(tài)，將布爾數(shù)組的采集值轉(zhuǎn)換為數(shù)值進(jìn)行步進(jìn)狀態(tài)子VI的操作，并送至移位寄存器[2]。具體的工作由兩個(gè)子VI完成（后面會(huì)有相應(yīng)介紹），程序1毫秒運(yùn)行一次，只有數(shù)據(jù)通道采集數(shù)據(jù)進(jìn)行讀操作出錯(cuò)時(shí)或點(diǎn)擊程序終止按鈕時(shí)才停止程序，while循環(huán)外面的DAQmx函數(shù)是對(duì)任務(wù)進(jìn)行清除，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，則顯示含有警告和需要確定按鈕的對(duì)話框。

4 步進(jìn)狀態(tài)程序的設(shè)計(jì)

在步進(jìn)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(jìn)電機(jī)是四相，而且有公共接線端，接線柱上有A和 ，且由高低電平控制，所以步進(jìn)電機(jī)的四相狀態(tài)由兩個(gè)0、1和1、0組合起來(lái)就只有5、6、9、10四種情況。且運(yùn)行正轉(zhuǎn)的狀態(tài)值順序?yàn)?-10-6-5。步進(jìn)狀態(tài)子VI的前面板如下：采集值、采集值2、正轉(zhuǎn)采集和反轉(zhuǎn)采集分別由前面輸入，采集值是當(dāng)前的步進(jìn)狀態(tài)值，采集值2是上一次的步進(jìn)狀態(tài)值，正反轉(zhuǎn)采集分別是上一次的正反轉(zhuǎn)采集值。正反轉(zhuǎn)采集2分別送入移位寄存器進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，正反轉(zhuǎn)采集2分別是當(dāng)前的正反轉(zhuǎn)采集值[3]。步進(jìn)狀態(tài)子VI的程序框圖為一個(gè)條件結(jié)構(gòu)，以前面DAQmx的采集值接條件構(gòu)的選擇端口，當(dāng)其值為5、6、9、10時(shí)分別進(jìn)行其相應(yīng)的算法。

5 小結(jié)

本設(shè)計(jì)方案是通過(guò)控制轉(zhuǎn)速來(lái)改變步進(jìn)電機(jī)的四相狀態(tài)，再實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和顯示，在控制方面還比較薄弱，有待在以后的工作中進(jìn)一步完善。

[參考文獻(xiàn)]

[1]呂宗樞.電機(jī)學(xué)[M].高等教育出版社.2008年.

[2]于海寶.LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].西南交大出版社.2005年.

[3]肖珍芳，李浩鋒，康東.LabVIEW構(gòu)建位移測(cè)試系統(tǒng)[J].成都理工大學(xué)應(yīng)用核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，2009，22（4）：17-18.