基于MATLAB的步進電機自動化測試系統(tǒng)

肖東岳，李英堂，周 強，陳居現(xiàn)

（1.南陽理工學院，南陽 473004；2.中國科學院 近代物理研究所，蘭州 730000；3.山東省勝利油田 勝利發(fā)電廠，東營 257087）

0 引言

應用于工程領域的設備必須先經(jīng)過較長時間的各種工作模式的測試，以便及早發(fā)現(xiàn)設備故障，避免造成工程中的重大損失，本文針對將應用于工程領域的多臺一體化步進電機，需要設計在實驗室環(huán)境下的自動化測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)需要滿足多設備、多模式、長時間、自動化的測試要求。

MATLAB軟件具有文本編程模式和GUI圖形化編程模式，編程方便，功能強大，雖然在矩陣計算和系統(tǒng)仿真中使用普遍，但在設備測試領域卻鮮有應用，該軟件所具有的強大測試功能并未得到充分認識和發(fā)掘，本文嘗試將MATLAB軟件應用于步進電機的測試系統(tǒng)中，構建相應的自動化測試系統(tǒng)，完成測試任務。

1 步進電機測試系統(tǒng)方案

步進電機作為一種重要的運動執(zhí)行機構逐漸出現(xiàn)了與編碼器和控制器融合為一體化的形式，如圖1所示。其中，控制器為基于DSP的嵌入式控制裝置，通過串口控制，該一體化系統(tǒng)自身構成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。隨著系統(tǒng)的復雜化，出現(xiàn)故障的環(huán)節(jié)增加，所以測試工作變得更為重要。本文所測試的一體化步進電機，電機型號為FL110STH99-5504A，控制器型號為UIM24108,編碼器型號為HKT2510-201。

該一體化步進電機可以實現(xiàn)準確的位置控制功能，接口為RS232串行口，操作命令為簡潔的ASCII碼指令，使用方便。

圖1 一體化步進電機外形圖

為了構建可同時測試4臺一體化步進電機的測試系統(tǒng)，采用串口服務器E8008將4臺一體化步進電機連接到測試計算機上，見圖2所示。與測試計算機的接口為以太網(wǎng)，在計算機中通過驅動軟件的映射，將出現(xiàn)4個新加入的串口，分別對應于4臺一體化步進電機的驅動串口，可以發(fā)送命令和讀入電機的狀態(tài)信息。

串口服務器是一種將RS-232/422/485串行接口轉換為以太網(wǎng)接口的設備，它一端帶有8個串行口，可接RS-232或RS422或RS485，另外一端的以太網(wǎng)接口可以連接電腦等以太網(wǎng)設備，實現(xiàn)串行設備和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)互相傳輸。

圖2 步進電機測試系統(tǒng)框圖

2 測試軟件與界面設計[3～5]

串行接口應用廣泛，MATLAB也提供了一組用于串行通信的函數(shù)[5]，能夠方便地與計算機外部的設備通過串行設備交換數(shù)據(jù)，本項目正是采用串行通信的方式實現(xiàn)對步進電機的測試的。主要使用了MATLAB相關函數(shù)功能，通過串行通信實現(xiàn)對一體化步進電機的實時操作，一體化步進電機有一套完整的操作指令集可供使用。

圖3 測試軟件流程圖

MATLAB的編程方式由文本方式（Command Mode）和圖形用戶接口方式（Graphical User Interface:GUI）兩種主要的模式，前者編程快捷，后者操作直觀，本項目分別使用了這兩種方式開發(fā)了測試軟件。文本方式下的軟件流程圖如圖3所示，GUI方式下開發(fā)的操作界面如圖4所示。

本測試軟件根據(jù)設定的參數(shù)操作步進電機，使其按規(guī)定的方式運動，直到完成所設定的操作次數(shù)為止，如圖3所示的流程圖。

圖4 測試軟件的GUI界面

3 系統(tǒng)設計中的若干需要問題

串口的一旦打開之后就一直被占用，在完成測試退出時必須關閉，否則下次不能打開。在MATLAB中有2個函數(shù)實現(xiàn)串口的關閉和刪除功能，分別是是fclose()和delete()函數(shù)，在程序結束時最好先后調(diào)用這2個函數(shù)關閉并刪除相應串口。

在MATLAB中還有時鐘函數(shù)clock，可以根據(jù)功能需要使用。

4 結論

本文基于MATLAB構建了針對多臺步進電機的測試系統(tǒng)，完成了測試任務，相應工程經(jīng)驗表明基于MATLAB本測試系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：

1）本測試系統(tǒng)整體方案簡潔，構建靈活，快速。

2）本測試系統(tǒng)能對多臺設備進行長時間自動化測試，工作效率高。

3）基于MATLAB的測試系統(tǒng)具有文本編程方式和圖形化編程方式，便于滿足多種測試場合。

[1] 王益全, 張炳義.電機測試技術[M], 科學出版社, 2008.

[2] 武建文, 李德成.電機現(xiàn)代測試技術[M], 機械工業(yè)出版社, 2006.

[3] 施曉紅, 周佳.精通GUI圖形界面編程[M], 北京大學出版社, 2003.

[4] 王玲, 王正林, 毛濤濤, 等.精通MATLAB GUI設計(第2版) [M], 電子工業(yè)出版社, 2011.

[5] 趙云鵬.MATLAB串口通信在數(shù)據(jù)采集中的應用[J], 微計算機信息, 2006, 22(1).

[6] 周黎, 楊世洪, 高曉東.步進電機控制系統(tǒng)建模及運行曲線仿真[J], 電機與控制學報.2011, 15(1).

[7] 李英堂, 顧逸東, 王連澤.旋成體飛艇艇體的MATLAB輔助設計工具箱[J], 科學技術與工程, 2010, (6).

[8] Rusu, C.Model based design controller for the stepper motor[C], IEEE International Conference on Automation,Quality and Testing, Robotics, 2008.AQTR 2008.May22-252008.Volume: 2: 175-179.

[9] Singh, P.LabVIEW-based cost effective Multi-Axis Motion Control System [C], 2011 Annual IEEE India Conference, Dec.16-182011: 1-5

[10] Sheng Yang.Position control system design based on LabVIEW[C], International Conference on Electric Information and Control Engineering (ICEICE), 2011.April 15-172011: 602 - 604