虛擬儀器通過串行接口控制步進電機的設計

蔣 敬，吳本科，高 健，袁自鈞

(合肥工業大學電子科學與應用物理學院，安徽合肥 230009)

虛擬儀器通過串行接口控制步進電機的設計

蔣 敬，吳本科，高 健，袁自鈞

(合肥工業大學電子科學與應用物理學院，安徽合肥 230009)

為了便于為步進電機驅動控制系統提供驅動信號和控制步進電機精確定位。通過對PC機的串行接口設備中各個信號線的傳輸特點的分析，利用虛擬儀器LabVIEW開發平臺、編程控制PC機的RS－232C串行接口、TxD數據發送信號線和RTS流控制信號線，提供了步進電機驅動器控制信號精確控制步進電機的步進運行。該設計避免了復雜的文本式編程語言、簡化了程序設計過程、并已成功應用于HB型兩相步進電機的定位控制，且運行控制效果良好。

LabVIEW;虛擬儀器;串行接口;步進電機

隨著控制電機在動力應用機械加工、精密儀器控制領域的廣泛應用，其控制設計也在不斷優化。尤其是步進電機這種不使用反饋回路，就能進行速度控制和定位控制的電機［1］，對其進行優化設計尤為重要。以往對步進電機的控制多采用C/C++、VC++、匯編等編程［3－11］，而利用 LabVIEW 虛擬儀器平臺編程較少。文中運用LabVIEW編程技術對PC機串行接口控制，為步進電機驅動器發送行進脈沖和正反轉的控制信號，從而達到對步進電機的靈活控制。在虛擬儀器編程過程中，運用LabVIEW平臺內的VISA串口配置、VISA寫入、屬性節點等控件，采用圖形化編程方式進行編程，避免復雜的文本式語言編程過程。此方法靈活，且編程簡單，有利于促進步進電機控制系統的廣泛應用。該步進電機的控制方法可應用于精密切割、精密焊接、云臺定位等控制系統領域。

1 步進電機控制的可行性分析

采用LabVIEW平臺設計對RS－232C串行接口的傳輸信號線進行設置，實現對步進電機的行進控制。關鍵涉及到如何按照控制系統和步進電機類型的硬件要求發送脈沖信號和控制信號［2－3］。

串行接口有多個標準，實驗采用RS－232C標準，規定邏輯1的電平為－3～－15 V，邏輯0的電平為3～15 V，RS－232C串行接口設備通常情況下僅使用數據發送端TxD、數據接收端RxD和信號地GND進行串行通信，串口剩余的引腳在通訊過程中進行流控制與檢測MODEM信號，也可作為I/O端口使用。

通過分析串行接口通信過程可知，從TxD端所發出的脈沖能夠滿足步進電機的控制需要［6］，改變RTS信號線電平輸出可以控制步進電機的方向［6］。具體應用設置方法:

(1)改變發送的字節數及所發送的字節內容，在TxD端產生一定數量的脈沖，可用TXD發送脈沖信號(Pulse)作為控制步進電機行進信號。

(2)改變波特率可動態改變發送脈沖的頻率，從而改變步進電機行進速度。

(3)以 RTS作為方向控制信號(Dir)，通過LabVIEW中VISA的屬性節點來控制RTS信號的高低電平輸出，控制步進電機的步進方向。

因此在VISA中寫入控件控制TxD脈沖輸出數量和RTS高低電平輸出便可控制步進電機的運轉。

2 控制系統和軟件硬件設計

步進電機控制中的數據自動采集處理和驅動控制系統由軟件和硬件兩部分組成。硬件部分提供驅動細分設置，使步進電機精確平穩運行。軟件部分提供步進電機控制的行進控制信號和處理系統的運行平臺，完成對虛擬儀器的構建和數據獲取與處理。下面分別對設計的硬件及軟件進行說明。

2.1 硬件設計

如圖1所示是硬件控制系統，串口設備為RS－232C串行接口，SM為步進電機。數據采集設備采集數據通過串口設備送到PC機，PC機對采集到的數據進行處理轉換成脈沖信號，與其正反轉信號并通過串口設備送入驅動器，以完成根據數據采集信號的要求轉換成相應數量的脈沖信號和對應的正方轉控制信號對步進電機行進進行控制。步進電機驅動器的接線端子CP+、CW+、CP－、CW －分別與串口的 GND、GND、TxD、RTS端連接，TxD提供步進電機行進脈沖信號，而RTS提供步進電機行進方向信號。

圖1 步進電機驅動硬件連接示意圖

系統選取的步進電機是42BYG系列HB型兩相步進電機，其定子相數P=2，主極mP=4，m=2，n=6，轉子極對數Nr=25，步距角θs由式θs=(360°/mP)－(360°n/Nr)進行計算，將上述數據代入后得步距角θs=3.6°，步距 0.04 mm/步。

所用的驅動器為HB202M型，其能將步進電機步距角θs作進一步細分，從而使轉子運行效果光滑，保證步進電機平穩運行。驅動器CP+和CW+接線端子為正輸入端，CP－和CW－接線端子為負輸入端。細分設置有2細分、4細分、…、64細分。文中使用4細分，即400脈沖數/圈，此細分模式下步距角可達到θs=0.9°，步進電機行進定位更精確。

2.2 軟件設計

軟件設計部分包括數據獲取、數據處理和數據發送3個模塊:數據獲取模塊是從數據采集設備獲得原始數據并簡單處理;數據處理模塊是對原始數據處理得到脈沖數量和正反轉信號;數據發送模塊是通過串口設備將脈沖和正反轉信號發送到細分驅動器。下面對各模塊進行詳細說明:

(1)數據獲取模塊。如圖2所示，由數據獲取控件從指定路徑獲得原始數據，然后經過轉換從數據輸出端發出。

圖2 數據獲取模塊

(2)數據處理模塊。如圖3所示，數據讀入控件從前面模塊讀入數據，經過處理送入“減”控件得到差值，該值一方面送入“＞0?”控件比較得到正反轉信號由“方向數據輸出端”發出，另一方面經過計算處理得到步進電機需要轉動的脈沖數量，然后送入“脈沖轉換.vi”得到脈沖由脈沖輸出端輸出。

圖3 數據處理模塊

表1 實驗數據

(3)數據發送模塊。如圖4所示。由數據處理模塊得到的脈沖通過VISA寫入控件發送到TxD端，并用脈沖計數控件記下發送脈沖數量并和轉換得到的脈沖數量進行比較，判斷轉換得到的脈沖數量與發送的數量是否一致。同時由方向數據輸入得到的方向信號對RTS狀態進行相應設置并發送至RTS信號線上。

圖4 數據發送模塊

以上程序設置完成后，需要再對前面板的顯示控件適當調整，以方便觀察。

2.3 實驗結果及分析

在實驗過程中提取以下數據:原數據、處理數據、理論脈沖數、發送脈沖數和RTS State的10組數據，如表1所示。表中的原數據是數據采集設備得到的位置數據，其是數據獲得模塊的數據輸出端數據;處理數據是在數據處理模塊中“減”控件輸出端輸出的位置差值;理論脈沖數是步進電機行進到確定位置需要的步進脈沖，是數據處理模塊中脈沖轉換輸出的由“位置差值”轉換得到的數據(理論脈沖數=|位置差值|/步距);發送脈沖數是串行接口實際發送的脈沖數，是由脈沖計數控件得到;RTS State是數據發送模塊中對應方向數據輸入信號設置的RTS狀態，Asserted狀態正轉、Unasserted狀態反轉。

由表1可知，實驗數據和實際觀察步進電機行進情況得到的實際運行結果和實際數據在誤差范圍內吻合。實驗結果表明這種控制的步進電機的方法切實可行。

3 結束語

使用虛擬儀器開發平臺編程實現計算機RS－232C串行接口提供控制信號，對步進電機的控制是可行的。圖形化模塊的編程，特別是VISA屬性節點控制RTS信號線的運用，從而無需用CLF調用dll文件借用其他文本式編程文件調用Windows API設置RTS控制線信號，可避免復雜的文本式編程語言的編程，節約編程時間，有利于提高研究人員的工作效率。該控制系統設計已成功控制HB型兩相步進電機運行，控制效果良好。

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［11］QUY N L，JAE －WOOK J.Neural－network－based Low －speed－damping controller for stepper motor with an FPGA［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57(9):197－205.

Design of Stepper Motor Control by Virtual Instrumentation via Serial Interface

JIANG Jing，WU Benke，GAO Jian，YUAN Zijun
(School of Electronics and Applied Physics，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)

For convenient supply of driving signal to driving and controlling system of stepper motor and accurate positioning of controlling stepper motor，the paper analyses the signal line of a personal computer serial interface equipment special conveying，using Virtual Instrumentation LabVIEW Development Platform to program control the signal line of TxD and RTS supplying signal of PC serial interface RS-232C This method avoids complicated text programing language，thus simplifying the process of devising program.The design of control system has been used in controlling fixed position of Hybrid two phrase stepper motor with good performance.

LabVIEW;virtual instrumentation;serial interface;stepper motor

TP273

A

1007－7820(2012)08－046－03

2012-02-10

安徽省科技廳基金資助項目(08－111)

蔣敬(1985—)，男，碩士研究生。研究方向:激光技術應用。吳本科(1961—)，男，副教授，碩士。研究方向:物理學，計算物理學，激光技術應用。高健(1987—)，男，碩士研究生。研究方向:激光應用。袁自均(1963—)，男，講師，碩士。研究方向:電子科學。