基于AVR單片機(jī)和LabVIEW的絲桿步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

楊美程+楊益鈞+丁寧

摘 要：AVR單片機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)，配備專用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)絲桿步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的控制工作，LabVIEW軟件構(gòu)建虛擬儀器系統(tǒng)并創(chuàng)建友好交互界面。單片機(jī)和LabVIEW之間確定串口通信規(guī)則，使LabVIEW能夠發(fā)送相應(yīng)字符串到單片機(jī)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)絲桿步進(jìn)電機(jī)啟停、運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)步數(shù)的直接控制，并能夠讀取電機(jī)相關(guān)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。文章設(shè)計(jì)的絲桿電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定，易于操作和可移植性強(qiáng)的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；LabVIEW；步進(jìn)電機(jī)；串口通信

中圖分類號(hào)：TM383.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）23-0011-02

1 概述

絲桿步進(jìn)電機(jī)，又稱線性步進(jìn)電機(jī)，由于其特殊的機(jī)械機(jī)構(gòu)和工作機(jī)理，在日常實(shí)驗(yàn)研究及工業(yè)生產(chǎn)等相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展創(chuàng)新，對(duì)于絲桿步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的控制方法已經(jīng)不僅僅只限于單種技術(shù)的使用，而是多技術(shù)混合，結(jié)合各自的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)以AVR單片機(jī)為核心搭建硬件工作電路，LabVIEW軟件創(chuàng)建虛擬儀器系統(tǒng)，解決了步進(jìn)電機(jī)工作噪聲較大，控制操作不便等問(wèn)題。

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由裝有LabVIEW軟件的計(jì)算機(jī)，AVR單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和絲桿步進(jìn)電機(jī)組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

其中本系統(tǒng)中選用美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司研制開發(fā)的2014版LabVIEW軟件，LabVIEW是一種圖形化的編程語(yǔ)言的開發(fā)環(huán)境，可以方便地建立自己的虛擬儀器，利用其編寫的上位機(jī)程序控制下位機(jī)；下位機(jī)選用ATMEL公司 中8位系列單片機(jī)的ATmega128系列單片機(jī)，該款單片機(jī)穩(wěn)定性極高，功耗也很低，單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間通過(guò)USB線連接；電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用TB6600型號(hào)的兩相式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，通過(guò)3位撥碼開關(guān)選擇7檔細(xì)分控制，3位撥碼快關(guān)選擇8檔電流控制，能達(dá)到低振動(dòng)、小噪聲、高速度的效果；絲桿步進(jìn)電機(jī)選用機(jī)身長(zhǎng)度40mm，相電流1.7A，保持轉(zhuǎn)矩43N·cm，導(dǎo)程8mm的42絲桿步進(jìn)電機(jī)。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)是一種絲桿步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，最終可通過(guò)LabVIEW直接發(fā)送控制絲桿步進(jìn)電機(jī)啟停、運(yùn)動(dòng)方向以及運(yùn)動(dòng)步數(shù)的命令，并能讀取電機(jī)相關(guān)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。要完成上述功能需要單片機(jī)硬件控制電機(jī)、單片機(jī)與LabVIEW串口通信和LabVIEW狀態(tài)機(jī)三個(gè)基本功能的實(shí)現(xiàn)。

3.1 單片機(jī)硬件控制電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)離不開PWM波的使用，因此將AVR單片機(jī)中定時(shí)器T0處于8位快速PWM工作模式，可產(chǎn)生高頻的PWM波形。根據(jù)本系統(tǒng)中絲桿電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)及實(shí)際應(yīng)用情況，經(jīng)過(guò)一系列的測(cè)試，定時(shí)器T0工作在系統(tǒng)8分頻頻率下，初值TCNT0設(shè)為0，輸出比較寄存器值OCR0設(shè)定為0x7F，此時(shí)相應(yīng)引腳能夠輸出占空比50%，頻率5.68KHz的PWM方波。將PWM方波輸入到驅(qū)動(dòng)器PUL+脈沖信號(hào)輸入端，驅(qū)動(dòng)器電機(jī)繞組連接端子與電機(jī)兩相相連，通過(guò)細(xì)分控制和電流控制撥碼開關(guān)的選擇，使絲桿步進(jìn)電機(jī)在細(xì)分工作方式下運(yùn)動(dòng)，本系統(tǒng)中選擇32細(xì)分可達(dá)到6400脈沖/轉(zhuǎn)，單步螺桿螺距相對(duì)運(yùn)動(dòng)0.025mm，此時(shí)電機(jī)運(yùn)動(dòng)平滑，穩(wěn)定，噪聲小。對(duì)于電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向的控制，單片機(jī)通過(guò)直接控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器DIR電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制端的電平變化即可實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和絲桿步進(jìn)電機(jī)連接如圖2所示。

AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)根據(jù)收到的步數(shù)指令使電機(jī)運(yùn)動(dòng)相應(yīng)的步數(shù)，且能夠?qū)?dāng)前運(yùn)動(dòng)步數(shù)發(fā)送出去。本系統(tǒng)設(shè)置定時(shí)器T1定時(shí)間隔8.25ms，定時(shí)到來(lái)記一次步數(shù)且根據(jù)方向標(biāo)志位確定步數(shù)的加或減。單片機(jī)收到步數(shù)指令后先判斷該指令步數(shù)與當(dāng)前電機(jī)運(yùn)動(dòng)步數(shù)的大小來(lái)確定電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向，隨后使電機(jī)運(yùn)動(dòng)相應(yīng)步數(shù)，并在收到讀取步數(shù)指令后將當(dāng)前步數(shù)發(fā)送出去。

3.2 單片機(jī)與LabVIEW串口通信

首先確定單片機(jī)與LabVIEW異步串口通信基本規(guī)則，本系統(tǒng)中波特率設(shè)置2400bps，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位、停止位和終止符。編寫單片機(jī)串口通信初始化，發(fā)送字符串，接收字符串以及中斷服務(wù)函數(shù)，使單片機(jī)能接收到相應(yīng)指令字符串執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，并發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)。

LabVIEW中使用儀器I/O工具包中串口相關(guān)函數(shù)完成串口通信。其中使用VISA配置串口函數(shù)連接單片機(jī)設(shè)備并配置相關(guān)通信參數(shù)；VISA寫入函數(shù)寫入緩沖區(qū)接線端連接需要寫入的命令字符串；利用Byte at Port屬性節(jié)點(diǎn)返回輸入緩沖區(qū)已存在的字節(jié)數(shù)，并連接到VISA讀取函數(shù)字節(jié)總數(shù)接線端，避免讀函數(shù)一直處于等待狀態(tài)，阻塞讀進(jìn)程，導(dǎo)致線程中的其他操作無(wú)法進(jìn)行；VISA讀取函數(shù)讀取緩沖區(qū)接線端能輸出從指定設(shè)備中讀取到的字符串?dāng)?shù)據(jù)；最后使用VISA關(guān)閉函數(shù)釋放設(shè)備會(huì)話空間從而完成設(shè)備間的通信。

3.3 LabVIEW狀態(tài)機(jī)

LabVIEW狀態(tài)機(jī)對(duì)于不同事件的動(dòng)作是通過(guò)在循環(huán)結(jié)構(gòu)中放置事件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，本系統(tǒng)所用LabVIEW狀態(tài)機(jī)的程序框圖如圖3所示。在本系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)對(duì)絲桿步進(jìn)電機(jī)啟停、運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)步數(shù)的直接控制，并讀取相關(guān)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，則共需要?jiǎng)?chuàng)建五個(gè)事件結(jié)構(gòu)，分別為“上升”值改變結(jié)構(gòu)，內(nèi)有上升布爾控件及“U”字符串；“下降”值改變結(jié)構(gòu)，內(nèi)有下降布爾控件及“D”字符串；“讀取步數(shù)”值改變結(jié)構(gòu)，內(nèi)有讀取步數(shù)布爾控件及“A”字符串；“寫入步數(shù)”值改變結(jié)構(gòu)，內(nèi)有寫入步數(shù)布爾控件及步數(shù)值字符串；“停止”值改變結(jié)構(gòu)，內(nèi)有停止布爾控件及“S”字符串。

4 系統(tǒng)工作調(diào)試

計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和絲桿步進(jìn)電機(jī)等設(shè)備組裝完整系統(tǒng)，以AVR單片機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)及LabVIEW狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)完成后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行工作調(diào)試。運(yùn)行程序后，點(diǎn)擊上升控件則步進(jìn)電機(jī)以每步螺桿螺距相對(duì)運(yùn)動(dòng)0.025mm的速度正轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，點(diǎn)擊下降控件則以相同速度反轉(zhuǎn)，當(dāng)前狀態(tài)顯示控件能夠顯示當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，點(diǎn)擊讀取步數(shù)控件能夠顯示當(dāng)前運(yùn)動(dòng)的步數(shù)，而點(diǎn)擊寫入步數(shù)控件并給定步數(shù)值后電機(jī)也會(huì)工作相應(yīng)狀態(tài)，選擇停止控件電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)。程序運(yùn)行過(guò)程中通訊指示燈都會(huì)處于點(diǎn)亮狀態(tài)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的一種基于AVR單片機(jī)和LabVIEW的絲桿步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，以AVR單片機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)結(jié)合電機(jī)驅(qū)動(dòng)器完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的硬件控制，LabVIEW創(chuàng)建的虛擬儀器系統(tǒng)通過(guò)和嵌入式系統(tǒng)間的串口通信完成對(duì)絲桿步進(jìn)電機(jī)的直接控制，且LabVIEW操作界面交互性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單。此系統(tǒng)是絲桿步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的基本操作系統(tǒng)，因此具有很強(qiáng)的移植性，可直接應(yīng)用于基于絲杠步進(jìn)電機(jī)的工件檢測(cè)臺(tái)等裝置或其他相關(guān)研究領(lǐng)域。

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