基于LabVIEW的步进电机控制系统研究

贺炼滔

【摘 要】目前，步进电机在工业生产、科研领域得到了越来越广泛的应用，而对步进电机控制系统的研究也逐步深入。本文阐述了LabVIEW的特点及虚拟仪器系统的结构，并介绍了步进电机及控制原理，最后采用虚拟仪器开发软件LabVIEW进行开发，设计了步进电机控制系统，取得了较好的效果，可供业界人士参考。

【关键词】LabVIEW；虚拟仪器系统；步进电机；控制模型

【中图分类号】TU85【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）07-0395-01

近几年来，步进电机在工业生产、科研领域得到了越来越广泛的应用，它可以快速完成启动、转动（正、反转）和制动一系列动作。传统上控制步进电机的方法通常是用单片机或逻辑电路来实现。但是这些方法都有着先天的不足—繁琐的线路、可改性不强而且编程语言比较复杂。因此，将虚拟仪器技术应用于步进电机的控制，初步了解和掌握虚拟仪器软件平台LabVIEW的编程方法，有着重要的现实意义。

1 LabVIEW的特点及虚拟仪器系统的结构

1.1 LabVIEW语言

LabVIEW采用软件领域较为流行的面向对象的可视化编程方法，使用这些软件开发系统可使系统开发人员将精力集中在系统的设计中，而不是软件的设计细节上。

LabVIEW是美国NI公司利用虚拟仪器技术开发的32位，主要面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发平台。LabVIEW同时也是一种功能强大的图形编程语言，但它与传统的文本编程语言（如C语言）不同，采用了一种基于流程图的图形化编程形式，因此也被称为G语言（graphical language）。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图，在进行原理研究、设计、测试并实现系统时，这种图形化的编程形式，方便了非软件专业的工程师快速编制程序，可以大大提高工作效率。LabVIEW也不同于传统文本式的编程语言的顺序执行方式，而是采用了数据流的执行方式，这种方式要求程序仅在各节点已获得它的全部数据后才执行。

1.2 虚拟仪器系统的结构

虚拟仪器通常是由计算机、一定的硬件和应用软件三部分构成。虚拟仪器的基本构成由硬件和软件两大部分组成，如图1所示。

在系统设计中，采用DAQ（数据采集卡）作为数据采集系统，通过LabVIEW虚拟仪器软件在计算机上编写程序对数据信号进行采集，采集的数据可通过文件的形式保存起来，便于以后进行数据分析处理。

2 步进电机及其控制

步进电机是一种将脉冲信号转换为相应角位移或直线位移的电磁机械装置，步进电机因具有转子惯量低、定位精确度高、无积累误差、控制简单等特点，在现代工业中得到广泛的应用。步进电机已成为机电一体化和运动控制领域的主要执行元件之一。由于受脉冲的控制，其转子的角位移量和速度严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比。改变通电顺序可改变步进电机的旋转方向；改变通电频率可改变步进电机的转速。

2.1 步进电机的控制模型

三相步进电机可以工作在单三拍、双三拍或六拍状态，但出于对运行平稳性、减小步距角和噪音等方面的考虑，三相式步进电机通常采用的是三相六拍的工作方式，即通电方式为A-AB-B-BC-C-CA-A的形式。根据以上步进电机的工作原理，结合实际应用中对步进电机的控制，其具体的控制要求如下。

（1）正反转控制

要求在停机状态时，能够实现步进电机的正转或反转起动；在运行过程中可以实现步进电机的正反转切换。

（2）运行速度调节

通过对步进电机输入脉冲频率的调节来实现：在停机状态时，能够实现步进电机的高速起动或低速起动，降速过程是升速过程的逆过程；在运行过程中可以实时改变步进电机的旋转速度。

（3）操作方式可选

出于对实际工作环境复杂多变的考虑，在设计此控制系统时，对步进电机提出了更高的要求，它能够提供手动控制和自动运行两种工作方式。①手动控制方式：即实现步进电机的点动运行，操作人员通过按脉冲输出按钮，来控制步进电机的旋转速度和转动位置。在运转的过程中可以灵活控制步进电机的旋转方向。②自动运行方式：步进电机按照起动前设定的运行频率和旋转方向自动运行，在运行过程中可以随时改变运行频率和旋转方向，也能够暂停步进电机运行，通过停止按钮可以结束整个运行。

（4）实现定步旋转

操作人员可设定一个角度，当步进电机旋转到这个位置时就自动停转，并且在运行过程中可以随时设定停转位置，在电机停转后，可以再次起动运行，从上次停止的位置继续旋转。

（5）自动保护功能

若长时间内无人操作，系统能够自动停止。节约电能，防止意外事故发生。

2.2 控制方式的数学模型

由上述三相反应式步进电机的工作原理可知，步进电机采用三相六拍的工作方式时，若按照A-AB-B-BC-C-CA-A的通电顺序给A、B、C三相提供输入脉冲，步进电机就沿逆时针方向旋转，每步转过的角度是1.5度。如果实现步进电机反向旋转，只需要按照改变步进电机的通电相序即可。

3 基于Labview的步进电机控制程序设计与仿真

根据对步进电机的具体控制要求，结合程序设计的一般方法。系统分为六个功能模块：正反转控制模块；运行频率设置模块；手动控制模块；自动运行模块；定步旋转模块；输出显示模块。然后根据各模块的功能设计子VI。并通过主程序调用各个子VI，完成整个系统的设计，最后通过仿真调试，完善控制要求。

根据系统的软件流程图及其功能，设计控制系统的前面板如图2。前面板分为输入控制和输出控制部分。输入控制部分设置有两组布尔量指示灯控件，分别用来显示正反转时三相输出控制序列；两个选择开关控件用来选择工作方式手动运行或自动运行；数值输入控件用来设置和更改步进电机运行时的频率值；五个按钮开关控件，用来控制步进电机的运行动作。

输出控制部分用来显示被控制步进电机的运行参数。数字波形显示图控件，用来显示一个周期（即六拍）内A、B、C三相的输出波形；数值显示框控件，用来反馈步进电机当前的旋转步数和角度；布尔指示灯用来显示A、B、C三相的电流通断情况；圆盘形数字指示器控件，用来模拟步进电机转轴的旋转方向和转动位置；同时还可通过输入控件设置定旋转角度的数值，通过控制步进电机的运行角度控制步进电机的位置。

步进电机控制系统的程序框如图3。

其编程的具体实现步骤见图4。

4 结束语

虚拟仪器技术为我们提供了一种全新的设计思路，实践证明，通过LabVIEW编程可以很方便的实现对步进电机的驱动控制，并且人机交互性强，界面友好。经过仿真运行，该系统在精度上能满足控制要求，同时还可以使得步进电机更稳定运行。

参考文献

[1] 李光提；李淑君；李汝莘.步进电机的虚拟仪器控制系统[J].山东农业大学学报（自然科学版），2009年01期

[2] 高波；孙闻；张旋.步进电机原理与控制简介[J].科技致富向导， 2011年20期