李雪麗， 靳繼勇， 張素香

(中原工學(xué)院， 鄭州 450007)

LabVIEW在步進(jìn)電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

李雪麗， 靳繼勇， 張素香

(中原工學(xué)院， 鄭州 450007)

摘要：采用虛擬儀器技術(shù)，以光電編碼器為傳感器，設(shè)計(jì)了硬件基于USB接口數(shù)據(jù)采集卡、軟件基于LabVIEW多通道同步數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的步進(jìn)電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量和顯示，而且可通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。經(jīng)運(yùn)行，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，硬件電路簡(jiǎn)單，成本低，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取，適用于精密測(cè)控的廣泛領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；步進(jìn)電機(jī)；數(shù)據(jù)采集；測(cè)控系統(tǒng)

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或線位移的機(jī)電元件.在非超載的情況下，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器信號(hào)輸入端的脈沖和頻率，可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和啟停位置的精密控制，無(wú)需反饋信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)控制[1]。與閉環(huán)控制相比，開(kāi)環(huán)控制在速度和位置精密控制方面具有電路簡(jiǎn)單、無(wú)累積誤差、響應(yīng)快、成本低等優(yōu)點(diǎn)。因此，步進(jìn)電機(jī)被越來(lái)越多地用于機(jī)械、電子、紡織等有定位要求、響應(yīng)快、啟動(dòng)頻繁、整機(jī)成本低的精密控制場(chǎng)合，如線切割的工作臺(tái)拖動(dòng)、刻字機(jī)、電腦繡花機(jī)等。隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)控制的要求也越來(lái)越高?；赑LC或單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)由于其電路復(fù)雜、靈活性差、編程不易掌握、不能實(shí)時(shí)滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)控制系統(tǒng)的要求，因此逐漸被基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)的步進(jìn)電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)所取代。

LabVIEW是基于PC機(jī)軟、硬件的虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件，可根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)虛擬儀器功能并用PC機(jī)建立虛擬儀器面板，與功能化模塊硬件結(jié)合起來(lái)，通過(guò)圖形化編程完成被測(cè)信號(hào)的采集、處理和顯示等功能[2]。本文采用LabVIEW虛擬技術(shù)設(shè)計(jì)了以光電編碼器為傳感器的測(cè)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)被測(cè)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并為分析和處理測(cè)量數(shù)據(jù)構(gòu)建一個(gè)靈活可擴(kuò)展的測(cè)控系統(tǒng)。

1步進(jìn)電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速大小和停止位置只取決于脈沖信號(hào)頻率和脈沖數(shù)，即給步進(jìn)電機(jī)一個(gè)脈沖信號(hào)，它就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步，兩個(gè)脈沖間隔越短，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速就越快。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理，本文設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電源均為24 V直流電源(見(jiàn)圖1)。采用脈沖驅(qū)動(dòng)程序產(chǎn)生的脈沖來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速。用LabVIEW編寫(xiě)該脈沖驅(qū)動(dòng)程序。光電編碼器產(chǎn)生的計(jì)數(shù)脈沖由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，用于測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖1　步進(jìn)電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)原理框圖

1.1系統(tǒng)硬件構(gòu)成

該系統(tǒng)硬件部分主要包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、光電編碼器、直流電源和數(shù)據(jù)采集卡。系統(tǒng)硬件連接如圖2所示。本系統(tǒng)選用步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為57HS22，它屬兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，其工作方式為二相四拍，步距角為1.8°。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用的型號(hào)為2M656，它是等角度恒力矩細(xì)分型驅(qū)動(dòng)器，適用于直流電壓24～50 V，電流1.3～5.6 A，可驅(qū)動(dòng)外徑為57～86 mm的各種型號(hào)二相混合式步進(jìn)電機(jī)。光電編碼器選用型號(hào)為GDZ38-100ABZ0G，它屬于增量式光電編碼器，可通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將電機(jī)輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)[3]。編碼器接線時(shí)，紅線和黑線接DC 5 V電源的正極和負(fù)極，綠線和黃線分別接數(shù)據(jù)采集卡設(shè)定的接線端口。數(shù)據(jù)采集卡選用美國(guó)NI公司的USB-6251。它是一款基于USB總線的高速M(fèi)系列多功能數(shù)據(jù)采集模塊，在高采樣率下也能保持高精度，完全能滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

圖2　步進(jìn)電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)硬件連接圖

1.2測(cè)控系統(tǒng)軟件控制部分

采用LabVIEW 8.60圖形化編程軟件，根據(jù)模塊化編程思想對(duì)步進(jìn)電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括用戶(hù)界面(前面板)和框圖程序兩部分。前面板是測(cè)控系統(tǒng)的重要組成部分，用于設(shè)置各類(lèi)參數(shù)、觀察輸出測(cè)試結(jié)果及波形等。前面板主要包括5 V電源通道、速度測(cè)量通道、驅(qū)動(dòng)脈沖通道、波形采集通道、驅(qū)動(dòng)占空比、速度上限、速度顯示、超速警示、頻率控制旋鈕、脈沖波形圖、文件讀取顯示圖和各種啟?？刂瓢粹o。前面板的具體布局如圖3所示。用戶(hù)可根據(jù)需要設(shè)置空載或負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速參數(shù),并將測(cè)量結(jié)果顯示出來(lái)。

圖3　步進(jìn)電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)前面板布局圖

框圖程序設(shè)計(jì)主要分為驅(qū)動(dòng)脈沖和轉(zhuǎn)速控制模塊、波形采集和轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊、波形存儲(chǔ)與讀取模塊以及5 V電源模塊。該測(cè)控系統(tǒng)的程序流程如圖4所示。脈沖驅(qū)動(dòng)模塊為DAQmx(NI公司的第三代數(shù)據(jù)采集硬件驅(qū)動(dòng)程序)[4]，利用數(shù)據(jù)采集模塊的計(jì)數(shù)器產(chǎn)生PWM(脈沖寬度調(diào)制Pulse Width Modulation)波，并輸送給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，以此來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。由于步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率與轉(zhuǎn)速成正比，故可通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的頻率來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在轉(zhuǎn)速控制模塊中，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速=f×60/(360/T×x)(f為頻率，x為細(xì)分倍數(shù)，T為步距角)[5]，將步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率，實(shí)現(xiàn)直接通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖頻率來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速。圖5為驅(qū)動(dòng)脈沖和轉(zhuǎn)速控制的框圖程序。波形采集和轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊利用數(shù)據(jù)采集卡采集光電編碼器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速并顯示在前面板上。圖6為波形采集和轉(zhuǎn)速測(cè)量框圖程序。

圖4　測(cè)控系統(tǒng)主程序流程圖

圖5　驅(qū)動(dòng)脈沖和轉(zhuǎn)速控制的框圖程序

圖6　波形采集和轉(zhuǎn)速測(cè)量的框圖程序

為了將采集的波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到磁盤(pán)或?qū)⑹孪却鎯?chǔ)的數(shù)據(jù)加載到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，本系統(tǒng)采用TDMS文件(Technical Data Management Streaming，NI公司主推的一種二進(jìn)制記錄文件，它兼顧高速、易存取等多種優(yōu)點(diǎn))格式設(shè)計(jì)了波形存儲(chǔ)與讀取模塊，主要包括文件的打開(kāi)、寫(xiě)入、讀取、關(guān)閉和顯示等。5 V電源模塊利用數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出產(chǎn)生一個(gè)5 V的電源信號(hào)，為光電編碼器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的一些信號(hào)提供5 V電源。

2系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

在速度上限為50 r/min、占空比為50%、步進(jìn)電機(jī)空載的情況下，系統(tǒng)經(jīng)運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)頻率分別為2 000 Hz、4 000 Hz、8 000 Hz、16 000 Hz時(shí)的轉(zhuǎn)速測(cè)量結(jié)果如圖7所示。

圖7　不同脈沖驅(qū)動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速

系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量和調(diào)速控制，而且運(yùn)行效果良好，波形穩(wěn)定，并可把測(cè)量結(jié)果以虛擬儀表的形式顯示在前面板上。點(diǎn)擊前面板的存儲(chǔ)文件或讀取文件控件，可實(shí)現(xiàn)波形的存儲(chǔ)或讀取，方便以后對(duì)文件的隨時(shí)讀取和分析。該測(cè)控系統(tǒng)采用模塊化編程，利用NI公司的DAQmx硬件驅(qū)動(dòng)程序，不僅避免了傳統(tǒng)DAQ驅(qū)動(dòng)存在的問(wèn)題，而且使采集系統(tǒng)硬件調(diào)用程序的設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化。NI公司的USB-6251數(shù)據(jù)采集卡即插即用的安裝優(yōu)點(diǎn)最大程度地降低了配置和設(shè)置時(shí)間。該系統(tǒng)不僅可以節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間，而且設(shè)計(jì)思路靈活，硬件電路簡(jiǎn)單。模塊編程為程序的擴(kuò)展和以后添加新功能模塊提供了方便。

3結(jié)語(yǔ)

從該系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行結(jié)果可知，硬件基于NI公司的USB-6251數(shù)據(jù)采集卡、軟件基于LabVIEW的步進(jìn)電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，不僅可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量和顯示，而且實(shí)現(xiàn)了通過(guò)直接設(shè)定驅(qū)動(dòng)脈沖頻率對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)控。將USB接口數(shù)據(jù)采集卡和利用LabVIEW虛擬儀器開(kāi)發(fā)的軟件結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成多通道同步數(shù)據(jù)采集和控制處理系統(tǒng)，不僅可將處理結(jié)果以虛擬儀表的形式顯示在屏幕上，而且速度快，精度高。與傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)相比，其硬件電路簡(jiǎn)單、成本低、可靠性強(qiáng)，將越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于精密測(cè)控領(lǐng)域。在實(shí)際應(yīng)用中，還可通過(guò)適當(dāng)增加測(cè)量時(shí)間或者使用分辨率更高的光電編碼器，來(lái)進(jìn)一步提高測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)控性能。

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(責(zé)任編輯：王長(zhǎng)通)

The Application of LabVIEW in Stepper Motor and Control System

LI Xue-li, JIN Ji-yong, ZHANG Su-xiang

(Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007， China)

Abstract:Hardware has been designed by data acquisition card USB interface, software has also been designed by LabVIEW multi-channel synchronous data acquisition and data processing motor control system. The system not only achieves the measurement and the stepper motor speed display, but also realizes directly controlling the stepper motor drive pulse frequency to control the speed of the stepper motor. It provides a convenient and flexible way for the design of stepper motor control system. The system has been verified that the system is stable, high accuracy, simple, low cost, and can achieve store and read files.It can be applied to more sophisticated monitoring and control fields.

Key words:LabVIEW; stepping motor; data acquisition; measurement and control system

文章編號(hào)：1671-6906(2015)01-0035-04

作者簡(jiǎn)介：朱正鋒(1957-)，男，河南三門(mén)峽人，教授，主要研究方向?yàn)楣δ苄约徔椕媪系难芯颗c開(kāi)發(fā)。

基金項(xiàng)目：河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(112102210315)

收稿日期：2014-12-01

中圖分類(lèi)號(hào)：TP29

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2015.01.008