基于虚拟仪器技术的步进电机的控制系统

张庆功 张威

摘 要：随着电机在工业、农业等领域的广泛应用，步进电机也越来越受到各领域的关注。步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移的电机元件，具有精确控制、无累积误差等优点，它可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等。正是由于LabVIEW设计的系统具有控制灵活、人机交互性强、界面友好和操作方便等特点，本系统的设计为虚拟仪器的设计提供了一种有效的方法。

关键词：步进电机；LabVIEW；PXI总线

LabVIEW是一种程序开发环境，使用这种语言编程时，基本上不用写代码，取而代之的是流程图或框图。此外，LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、数据显示及数据存储等。它还是传统程序调试的工具，如设置断点、单步执行等，LabVIEW凭借其功能上的优越性，最终成为了面向用户的工具。

本系统方案拟用LabVIEW软件对步进电机进行正反转的控制，并且将数据实时显示，以取得良好的控制效果。

1 步进电机的工作原理

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

2 系统的总体设计

LabVIEW通过应用程序将计算机与功能化硬件结合起来，从而实现传统仪器功能的软件化与模块化，来实现仪器相应的功能。本设计的步进电机控制系统也是虚拟仪器系统的一种。虚拟仪器系统一般分为通用仪器的硬件和应用软件两大部分。虚拟仪器系统的硬件一般又包括计算机硬件平台和接口设备。计算机硬件平台虚拟仪器的硬件平台可以是各种类型的计算机。计算机管理着虚拟仪器的软、硬件资源，是虚拟仪器的硬件基础。

3 主程序的设计

步进电机的控制和显示是通过信号来完成的。本设计方案选用四相步进电机，四相状态显示电机相的高低电平，0表示低电平，1表示高电平[1]。前面板主要负责放置控件，像曲轴转速、进气管压力、两个圆形电机正反转显示按钮等控件，通过作用于主程序程序框图，进而在前面板上显示出电机的运行状态。

主程序的程序框图如下图所示：

程序框图中通过PXI-7833和PXI-6723板卡和相应的框图程序共同对模拟信号进行输入和输出。由于框图中PXI-7833R VI和汽车进气管压力控制部分是在实验室中选用的由中国汽车研究所提供的研究汽车发动机的函数模块，比较复杂，这里不做详细介绍，主要功能是改变步进电机的四相状态。再通过PCI-6514采集数据接入DAQmx函数，创建一个虚拟通道，选用端口1，2-5线，然后开始任务，进行一个大的while循环，进入DAQmx读函数，显示四相状态，将布尔数组的采集值转换为数值进行步进状态子VI的操作，并送至移位寄存器[2]。具体的工作由两个子VI完成（后面会有相应介绍），程序1毫秒运行一次，只有数据通道采集数据进行读操作出错时或点击程序终止按钮时才停止程序，while循环外面的DAQmx函数是对任务进行清除，如果出现错误，则显示含有警告和需要确定按钮的对话框。

4 步进状态程序的设计

在步进状态子VI中由DAQmx读函数将采集值输入，由于选用的步进电机是四相，而且有公共接线端，接线柱上有A和 ，且由高低电平控制，所以步进电机的四相状态由两个0、1和1、0组合起来就只有5、6、9、10四种情况。且运行正转的状态值顺序为9-10-6-5。步进状态子VI的前面板如下：采集值、采集值2、正转采集和反转采集分别由前面输入，采集值是当前的步进状态值，采集值2是上一次的步进状态值，正反转采集分别是上一次的正反转采集值。正反转采集2分别送入移位寄存器进入下一个循环，正反转采集2分别是当前的正反转采集值[3]。步进状态子VI的程序框图为一个条件结构，以前面DAQmx的采集值接条件构的选择端口，当其值为5、6、9、10时分别进行其相应的算法。

5 小结

本设计方案是通过控制转速来改变步进电机的四相状态，再实现数据的采集和显示，在控制方面还比较薄弱，有待在以后的工作中进一步完善。

[参考文献]

[1]吕宗枢.电机学[M].高等教育出版社.2008年.

[2]于海宝.LabVIEW虚拟仪器设计与应用[M].西南交大出版社.2005年.

[3]肖珍芳，李浩锋，康东.LabVIEW构建位移测试系统[J].成都理工大学应用核技术与自动化工程学院，2009，22（4）：17-18.