基于LabVIEW的步進電機控制系統研究

賀煉滔

【摘 要】目前，步進電機在工業生產、科研領域得到了越來越廣泛的應用，而對步進電機控制系統的研究也逐步深入。本文闡述了LabVIEW的特點及虛擬儀器系統的結構，并介紹了步進電機及控制原理，最后采用虛擬儀器開發軟件LabVIEW進行開發，設計了步進電機控制系統，取得了較好的效果，可供業界人士參考。

【關鍵詞】LabVIEW；虛擬儀器系統；步進電機；控制模型

【中圖分類號】TU85【文獻標識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）07-0395-01

近幾年來，步進電機在工業生產、科研領域得到了越來越廣泛的應用，它可以快速完成啟動、轉動（正、反轉）和制動一系列動作。傳統上控制步進電機的方法通常是用單片機或邏輯電路來實現。但是這些方法都有著先天的不足—繁瑣的線路、可改性不強而且編程語言比較復雜。因此，將虛擬儀器技術應用于步進電機的控制，初步了解和掌握虛擬儀器軟件平臺LabVIEW的編程方法，有著重要的現實意義。

1 LabVIEW的特點及虛擬儀器系統的結構

1.1 LabVIEW語言

LabVIEW采用軟件領域較為流行的面向對象的可視化編程方法，使用這些軟件開發系統可使系統開發人員將精力集中在系統的設計中，而不是軟件的設計細節上。

LabVIEW是美國NI公司利用虛擬儀器技術開發的32位，主要面向計算機測控領域的虛擬儀器軟件開發平臺。LabVIEW同時也是一種功能強大的圖形編程語言，但它與傳統的文本編程語言（如C語言）不同，采用了一種基于流程圖的圖形化編程形式，因此也被稱為G語言（graphical language）。使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖，在進行原理研究、設計、測試并實現系統時，這種圖形化的編程形式，方便了非軟件專業的工程師快速編制程序，可以大大提高工作效率。LabVIEW也不同于傳統文本式的編程語言的順序執行方式，而是采用了數據流的執行方式，這種方式要求程序僅在各節點已獲得它的全部數據后才執行。

1.2 虛擬儀器系統的結構

虛擬儀器通常是由計算機、一定的硬件和應用軟件三部分構成。虛擬儀器的基本構成由硬件和軟件兩大部分組成，如圖1所示。

在系統設計中，采用DAQ（數據采集卡）作為數據采集系統，通過LabVIEW虛擬儀器軟件在計算機上編寫程序對數據信號進行采集，采集的數據可通過文件的形式保存起來，便于以后進行數據分析處理。

2 步進電機及其控制

步進電機是一種將脈沖信號轉換為相應角位移或直線位移的電磁機械裝置，步進電機因具有轉子慣量低、定位精確度高、無積累誤差、控制簡單等特點，在現代工業中得到廣泛的應用。步進電機已成為機電一體化和運動控制領域的主要執行元件之一。由于受脈沖的控制，其轉子的角位移量和速度嚴格地與輸入脈沖的數量和脈沖頻率成正比。改變通電順序可改變步進電機的旋轉方向；改變通電頻率可改變步進電機的轉速。

2.1 步進電機的控制模型

三相步進電機可以工作在單三拍、雙三拍或六拍狀態，但出于對運行平穩性、減小步距角和噪音等方面的考慮，三相式步進電機通常采用的是三相六拍的工作方式，即通電方式為A-AB-B-BC-C-CA-A的形式。根據以上步進電機的工作原理，結合實際應用中對步進電機的控制，其具體的控制要求如下。

（1）正反轉控制

要求在停機狀態時，能夠實現步進電機的正轉或反轉起動；在運行過程中可以實現步進電機的正反轉切換。

（2）運行速度調節

通過對步進電機輸入脈沖頻率的調節來實現：在停機狀態時，能夠實現步進電機的高速起動或低速起動，降速過程是升速過程的逆過程；在運行過程中可以實時改變步進電機的旋轉速度。

（3）操作方式可選

出于對實際工作環境復雜多變的考慮，在設計此控制系統時，對步進電機提出了更高的要求，它能夠提供手動控制和自動運行兩種工作方式。①手動控制方式：即實現步進電機的點動運行，操作人員通過按脈沖輸出按鈕，來控制步進電機的旋轉速度和轉動位置。在運轉的過程中可以靈活控制步進電機的旋轉方向。②自動運行方式：步進電機按照起動前設定的運行頻率和旋轉方向自動運行，在運行過程中可以隨時改變運行頻率和旋轉方向，也能夠暫停步進電機運行，通過停止按鈕可以結束整個運行。

（4）實現定步旋轉

操作人員可設定一個角度，當步進電機旋轉到這個位置時就自動停轉，并且在運行過程中可以隨時設定停轉位置，在電機停轉后，可以再次起動運行，從上次停止的位置繼續旋轉。

（5）自動保護功能

若長時間內無人操作，系統能夠自動停止。節約電能，防止意外事故發生。

2.2 控制方式的數學模型

由上述三相反應式步進電機的工作原理可知，步進電機采用三相六拍的工作方式時，若按照A-AB-B-BC-C-CA-A的通電順序給A、B、C三相提供輸入脈沖，步進電機就沿逆時針方向旋轉，每步轉過的角度是1.5度。如果實現步進電機反向旋轉，只需要按照改變步進電機的通電相序即可。

3 基于Labview的步進電機控制程序設計與仿真

根據對步進電機的具體控制要求，結合程序設計的一般方法。系統分為六個功能模塊：正反轉控制模塊；運行頻率設置模塊；手動控制模塊；自動運行模塊；定步旋轉模塊；輸出顯示模塊。然后根據各模塊的功能設計子VI。并通過主程序調用各個子VI，完成整個系統的設計，最后通過仿真調試，完善控制要求。

根據系統的軟件流程圖及其功能，設計控制系統的前面板如圖2。前面板分為輸入控制和輸出控制部分。輸入控制部分設置有兩組布爾量指示燈控件，分別用來顯示正反轉時三相輸出控制序列；兩個選擇開關控件用來選擇工作方式手動運行或自動運行；數值輸入控件用來設置和更改步進電機運行時的頻率值；五個按鈕開關控件，用來控制步進電機的運行動作。

輸出控制部分用來顯示被控制步進電機的運行參數。數字波形顯示圖控件，用來顯示一個周期（即六拍）內A、B、C三相的輸出波形；數值顯示框控件，用來反饋步進電機當前的旋轉步數和角度；布爾指示燈用來顯示A、B、C三相的電流通斷情況；圓盤形數字指示器控件，用來模擬步進電機轉軸的旋轉方向和轉動位置；同時還可通過輸入控件設置定旋轉角度的數值，通過控制步進電機的運行角度控制步進電機的位置。

步進電機控制系統的程序框如圖3。

其編程的具體實現步驟見圖4。

4 結束語

虛擬儀器技術為我們提供了一種全新的設計思路，實踐證明，通過LabVIEW編程可以很方便的實現對步進電機的驅動控制，并且人機交互性強，界面友好。經過仿真運行，該系統在精度上能滿足控制要求，同時還可以使得步進電機更穩定運行。

參考文獻

[1] 李光提；李淑君；李汝莘.步進電機的虛擬儀器控制系統[J].山東農業大學學報（自然科學版），2009年01期

[2] 高波；孫聞；張旋.步進電機原理與控制簡介[J].科技致富向導， 2011年20期