LabVIEW在步进电机测控系统中的应用

2016-01-20李雪丽靳继勇张素香

中原工学院学报 2015年1期

关键词：步进电机数据采集

李雪丽，靳继勇，张素香

(中原工学院，郑州 450007)

LabVIEW在步进电机测控系统中的应用

李雪丽，靳继勇，张素香

(中原工学院，郑州 450007)

摘要：采用虚拟仪器技术，以光电编码器为传感器，设计了硬件基于USB接口数据采集卡、软件基于LabVIEW多通道同步数据采集和数据处理的步进电机测控系统。该系统实现了步进电机转速的测量和显示，而且可通过步进电机驱动脉冲频率实现对步进电机转速的控制。经运行，该系统工作稳定，硬件电路简单，成本低，能够实现对数据的存储和读取，适用于精密测控的广泛领域。

关键词：LabVIEW；步进电机；数据采集；测控系统

步进电机是将电脉冲信号转换为角位移或线位移的机电元件.在非超载的情况下，通过控制步进电机驱动器信号输入端的脉冲和频率，可实现对步进电机转速和启停位置的精密控制，无需反馈信号即可实现开环控制[1]。与闭环控制相比，开环控制在速度和位置精密控制方面具有电路简单、无累积误差、响应快、成本低等优点。因此，步进电机被越来越多地用于机械、电子、纺织等有定位要求、响应快、启动频繁、整机成本低的精密控制场合，如线切割的工作台拖动、刻字机、电脑绣花机等。随着虚拟仪器技术的发展，人们对控制的要求也越来越高。基于PLC或单片机的步进电机测控系统由于其电路复杂、灵活性差、编程不易掌握、不能实时满足用户对控制系统的要求，因此逐渐被基于LabVIEW虚拟仪器技术的步进电机测控系统所取代。

LabVIEW是基于PC机软、硬件的虚拟仪器开发软件，可根据实际需求设计虚拟仪器功能并用PC机建立虚拟仪器面板，与功能化模块硬件结合起来，通过图形化编程完成被测信号的采集、处理和显示等功能[2]。本文采用LabVIEW虚拟技术设计了以光电编码器为传感器的测控系统，可实现被测步进电机转速的实时监测，并为分析和处理测量数据构建一个灵活可扩展的测控系统。

1步进电机测控系统总体设计

步进电机转速大小和停止位置只取决于脉冲信号频率和脉冲数，即给步进电机一个脉冲信号，它就转过一个步距角，再发一个脉冲，它会再转一步，两个脉冲间隔越短，步进电机转速就越快。根据步进电机的工作原理，本文设计的步进电机和步进电机驱动器的电源均为24 V直流电源(见图1)。采用脉冲驱动程序产生的脉冲来控制步进电机驱动器进而控制步进电机转速。用LabVIEW编写该脉冲驱动程序。光电编码器产生的计数脉冲由数据采集卡进行采集，用于测量电机的转速。

图1　步进电机测控系统原理框图

1.1系统硬件构成

该系统硬件部分主要包括步进电机驱动器、步进电机、光电编码器、直流电源和数据采集卡。系统硬件连接如图2所示。本系统选用步进电机的型号为57HS22，它属两相混合式步进电机，其工作方式为二相四拍，步距角为1.8°。步进电机驱动器采用的型号为2M656，它是等角度恒力矩细分型驱动器，适用于直流电压24～50 V，电流1.3～5.6 A，可驱动外径为57～86 mm的各种型号二相混合式步进电机。光电编码器选用型号为GDZ38-100ABZ0G，它属于增量式光电编码器，可通过光电转换将电机输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲信号[3]。编码器接线时，红线和黑线接DC 5 V电源的正极和负极，绿线和黄线分别接数据采集卡设定的接线端口。数据采集卡选用美国NI公司的USB-6251。它是一款基于USB总线的高速M系列多功能数据采集模块，在高采样率下也能保持高精度，完全能满足系统要求。

图2　步进电机测控系统硬件连接图

1.2测控系统软件控制部分

采用LabVIEW 8.60图形化编程软件，根据模块化编程思想对步进电机测控系统进行设计，主要包括用户界面(前面板)和框图程序两部分。前面板是测控系统的重要组成部分，用于设置各类参数、观察输出测试结果及波形等。前面板主要包括5 V电源通道、速度测量通道、驱动脉冲通道、波形采集通道、驱动占空比、速度上限、速度显示、超速警示、频率控制旋钮、脉冲波形图、文件读取显示图和各种启停控制按钮。前面板的具体布局如图3所示。用户可根据需要设置空载或负载时的转速参数,并将测量结果显示出来。

图3　步进电机测控系统前面板布局图

框图程序设计主要分为驱动脉冲和转速控制模块、波形采集和转速测量模块、波形存储与读取模块以及5 V电源模块。该测控系统的程序流程如图4所示。脉冲驱动模块为DAQmx(NI公司的第三代数据采集硬件驱动程序)[4]，利用数据采集模块的计数器产生PWM(脉冲宽度调制Pulse Width Modulation)波，并输送给步进电机驱动器，以此来驱动步进电机。由于步进电机的运行频率与转速成正比，故可通过控制步进电机的频率来控制步进电机的转速。在转速控制模块中，根据步进电机转速=f×60/(360/T×x)(f为频率，x为细分倍数，T为步距角)[5]，将步进电机转速转换成步进电机驱动脉冲的频率，实现直接通过控制步进电机驱动脉冲频率来控制步进电机转速。图5为驱动脉冲和转速控制的框图程序。波形采集和转速测量模块利用数据采集卡采集光电编码器产生的脉冲信号，并对采集的数据进行处理，得到步进电机的转速并显示在前面板上。图6为波形采集和转速测量框图程序。

图4　测控系统主程序流程图

图5　驱动脉冲和转速控制的框图程序

图6　波形采集和转速测量的框图程序

为了将采集的波形数据存储到磁盘或将事先存储的数据加载到数据采集系统中，本系统采用TDMS文件(Technical Data Management Streaming，NI公司主推的一种二进制记录文件，它兼顾高速、易存取等多种优点)格式设计了波形存储与读取模块，主要包括文件的打开、写入、读取、关闭和显示等。5 V电源模块利用数据采集卡的模拟输出产生一个5 V的电源信号，为光电编码器和步进电机驱动器中的一些信号提供5 V电源。

2系统运行结果

在速度上限为50 r/min、占空比为50%、步进电机空载的情况下，系统经运行，驱动频率分别为2 000 Hz、4 000 Hz、8 000 Hz、16 000 Hz时的转速测量结果如图7所示。

图7　不同脉冲驱动频率对应步进电机转速

系统运行实验结果表明，该系统不仅可准确实现转速测量和调速控制，而且运行效果良好，波形稳定，并可把测量结果以虚拟仪表的形式显示在前面板上。点击前面板的存储文件或读取文件控件，可实现波形的存储或读取，方便以后对文件的随时读取和分析。该测控系统采用模块化编程，利用NI公司的DAQmx硬件驱动程序，不仅避免了传统DAQ驱动存在的问题，而且使采集系统硬件调用程序的设计大大简化。NI公司的USB-6251数据采集卡即插即用的安装优点最大程度地降低了配置和设置时间。该系统不仅可以节省开发时间，而且设计思路灵活，硬件电路简单。模块编程为程序的扩展和以后添加新功能模块提供了方便。

3结语

从该系统设计和运行结果可知，硬件基于NI公司的USB-6251数据采集卡、软件基于LabVIEW的步进电机测控系统，不仅可实现步进电机转速的测量和显示，而且实现了通过直接设定驱动脉冲频率对步进电机转速的调控。将USB接口数据采集卡和利用LabVIEW虚拟仪器开发的软件结合起来，构成多通道同步数据采集和控制处理系统，不仅可将处理结果以虚拟仪表的形式显示在屏幕上，而且速度快，精度高。与传统的步进电机测控系统相比，其硬件电路简单、成本低、可靠性强，将越来越广泛地应用于精密测控领域。在实际应用中，还可通过适当增加测量时间或者使用分辨率更高的光电编码器，来进一步提高测控系统的测控性能。

参考文献：

[1]陈柯,翟超,邢晓正．基于虚拟仪器技术的步进电机检测系统[J]．微电机,2006,39(2): 78-82．

[2]林君,谢宣松．虚拟仪器原理及应用[M]．北京:科学出版社，2006．

[3]张力．基于Labview的旋转编码器转角及转速测量仪的设计[J]．三峡大学学报(自然科学版),2008,30(3):67-69．

[4]张荣．基于DAQmx驱动与LabVIEW的数据采集系统设计[J]．计算机应用与软件,2011,28(3):180-181,226．

[5]王颖,章蔚中．基于LabVIEW的电机测控系统设计[J]．微计算机信息,2008,24(10):114-115．

(责任编辑：王长通)

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