LabVIEW的步進電機控制系統設計

摘 要 在步進電機控制系統中，最常見的方法是用PLC或單片機實現步進電機控制，都是非常成熟的技術，但是電路復雜不穩定，而且編程比較復雜。本文步進電機控制系統采用LabVIEW作為開發環境，LabVIEW是一款圖形化編程語言軟件，編寫步進電機控制程序則更加簡單，提供了豐富的數據采集和庫函數，調試方便等諸多優點，相對比傳統的VB或者VC語言更具有優勢。本文將虛擬儀器應用于步進電機的速度控制和轉動方向控制，對步進電機的應用控制領域具有重大的意義。

【關鍵詞】LabVIEW 步進電機 控制系統

1 硬件系統設計以及工作原理

步進電機是將電脈沖信號轉換為角位移的機電設備，通過改變脈沖頻率來實現能夠快速啟動、反轉和制動的執行元件，因此一般步進電機控制系統是指PLC或者單片機產生來脈沖電路，然后產生與轉速相對應的步進脈沖，分配給步進電機的各相繞組，以實現步進電機的控制。一般來講，脈沖一般由微機或者一些輔助電路來產生步進電機的啟動信號。

所以，本文的設計方案是使用LabVIEW完成產生頻率可調的脈沖信號和布爾信號的程序，經過硬件連接，通過DAQ板卡將脈沖信號輸送至驅動器，分別連接至步進電機的各個輸入端，即可實現對步進電機的控制，如圖1所示。

故本次設計選用的板卡為PXI-7833R，PXI-7833R多功能RIO模塊提供的可編程FPGA芯片，用戶根據 LabVIEW中的FPGA模塊實現模擬和數字功能信號的輸入、輸出和PWM信號的輸出。接口部分采用PXI-7833加上相應的軟件對輸入的脈沖信號進行寫操作，將信號加到步進電機驅動器上，實現對步進電機的控制。

2 系統軟件設計

LabVIEW的編程環境分為前面板和程序框圖。前面板，是圖形化的人機界面，通過操作前面板可以控制調試程序。圖2是后面板，表示前面板各個控件之間的邏輯關系。

2.1 “連續運行”VI的編程

根據步進電機工作原理，該控制系統應該實現連續運轉運行和角度運轉，所以程序用case結構用來選擇不同的運行狀態。這兩個運行狀態利用LabVIEW的FPGA模塊來完成，，在“FPGA Target”目錄下創建“連續運行”VI和“指定角度運行”VI，如圖2所示。

如圖3所示，利用FPGA模塊中自帶的方波發生函數產生一個脈沖，這一個脈沖信號首先從FPGA板卡的模擬輸出通道1輸出出來，然后送到步進電機驅動器。

由于指定的轉速單位是r/s，而方波發生函數的控制量是頻率，步進電機的轉速可以用頻率來控制，因此，需要將轉速轉化為頻率計算，根據公式步進電機轉速=頻率*60/（（360/固有步進角）*細分倍數），計算出步進電機的控制頻率，則可以實現直接控制脈沖頻率來控制步進電機的轉速。另外，圖3中將方波信號加一個5V的偏移量，以為了確保低電平是0。波形圖表用來顯示方波發生函數發生的脈沖信號。另外，還需要編寫另外一個VI來控制步進電機轉動方向。

2.2 “指定角度”VI的編程

步進電機的轉動角度是由輸入的脈沖數決定的，所以該VI的編程可以實現指定角度運轉。因此，無非就是計算輸入脈沖個數，一般采取計時法和計數法，對比這兩種方案，本次設計采用了對脈沖計數的方法，因為步進電機啟動或者停止時有一段加速和減速的過程，使用計時方法就有可能出現誤差的現象。解決方案如下：首先，計算步進電機轉動到特定的角度需要的脈沖個數。其次，所需要的脈沖個數等于計數器計算出來脈沖個數，程序必須停止運行。所以，根據編程思路，如圖4所示，應將計數的布爾值與“停止”按鈕的布爾值進行“或”運算，只要邏輯運算結果出現1，電機應該停止運行，最后將結果連接至While循環的“循環條件”端。

2.3 主程序的編程

在“連續運轉”狀態下，電機啟動時只需要調整脈沖信號就可以，可以忽略計時或計數，主程序的功能是控制步進電機分別在兩種不同的狀態下運轉，使用case結構來實現運動狀態的選擇，本文的設計思路采用六段直線式遞增，運行過程當中，每隔1秒，轉速增加六分之一，六秒后達到額定轉速。程序如圖5所示。

步進電機的角度轉動設計思路是通過對脈沖進行計數的方式來實現，當脈沖周期數達到指定個數時，程序停止。因此電機啟動和停止階段，不能失步或者過沖，為了要保證實現這個功能，在啟動階段要設計一個加速運行，同理在停止階段也要設計一個減速運行。所以在本次設計中要引入“順序局部變量”和“局部變量”。當一按啟動按鈕時，電機馬上進入加速狀態，從加速到平穩，當達到指定角度的五分之四時，進入減速階段直到停止運行。加速過程程序圖見圖6，這里只附出加速過程第一幀，其他減速和穩定階段的程序圖類此。

3 前面板的設計

前面板操作流程的設計思路如圖7所示，首先設計運動狀態和轉動方向，然后輸入轉速。前面板應當具備轉速控制、轉動方式、轉動方法等按鈕，并且良好的人機操作界面，易于操控。

4 系統運行結果

本設計的主要功能是產生脈沖信號和布爾量，所以按照圖1所示的硬件連線方式進行連線。系統運行實驗結果表明，該系統不僅可準確實現轉速測量和調速控制，而且運行效果良好，通過LabVIEW產生頻率可調的脈沖信號和布爾信號的程序，經編譯后下載到PXI-7833R板卡，實現了步進電機控制脈沖及方向信號的生成。

5 結論

從系統運行結果分析，本系統采用基于labview步進電機測控系統，完成了該系統的軟件設計部分，包括前面板設計、連續運行和角度運轉程序的編寫，實現了可以通過FPGA模塊中設置計算驅動脈沖頻率，產生頻率可調的脈沖信號和布爾信號的程序，經編譯下載到PXI-7833R板卡，對步進電機進行連續運行和指定角度運轉，該系統將數據采集和控制處理緊密結合在一起，將結果在labview前面板顯示出來，速度快和精度高，與傳統的PLC或單片機步進電機控制系統相比，其成本和可維護性、操作性更強更簡單，該系統已經在實際測量系統中得到了應用。

參考文獻

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作者簡介

譚偉超（1986-），碩士研究生學歷。任職于江門職業技術學院。研究方向為機電一體化。

作者單位

江門職業技術學院 廣東省江門市 529000