基于LabVIEW的步进电机状态控制

随着机电在工业、农业等领域的广泛应用，步进机电也越来越到多地运用到众多领域。

步进机电是一种将电脉冲信号转换为角位移的机电元件，与其它类型机电相比具有易于精确控制、无积累误差等优点, 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. 步进电动机必须和驱动控制器配合使用，而不能直接接到交直流电源上工作, 步进机电的控制以数字I／O接口卡作为硬件基础，采用软件程序来实现步进机电的同步精确运动控制。

这种控制方法的关键是软件程序，软件程序的好坏将决定是否能实现步进机电的控制。

本设计采用PC机控制，通过PXI总线与步进机电相连， PC 上的操作界面采用LabVIEW 编写，文中简要概述虚拟仪器技术LabVIEW软件的特点，通过运用LabVIEW 图形编程语言设计步进机电的简单控制系统，介绍虚拟仪器编程的普通过程和方法。

这种用LabVIEW设计的系统具有控制灵便、人机交互性强、界面友好、操作方便等特点。

本系统的设计为虚拟仪器的设计寻觅了一种普遍的方法。

步进机电， LabVIEW，PXI总线
步进机电又称为脉冲电动机或者阶跃电动机，它是基于最基本的电磁感应作用，将电脉冲信号转变为角位移或者线位移的开环控制元件。

单片机控制的步进机电
广泛地应用于工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机，大型望远镜，卫星天线定位系统等等。

随着经济的发展，技术的进步
和电子技术的发展，步进机电的应用领域更加广阔，同时也对步进机电的运行
性能提出了更高的要求。

传统的步进机电控制系统用PLC或者单片机来控制步进机电,不仅电路复杂,
控制精度不高,硬件连接后不易调整、灵便性差,不能实时地满足用户对控制系
统的要求。

而且编程也比较难，非专业技术人员不易掌握。

因此，传统的步进
机电系统具有很大的局限性，已经不能满足时代发展的需求。

现在的步进机电系统多数选用LabVIEW软件对步进机电进行控制。

LabVIEW
(Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench)是一种图形化的编程语言的开辟环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个
标准的数据采集和仪器控制软件。

LabVIEW是一种程序开辟环境，由美国国家仪器(NI)公司研制开辟。

开辟环境类似于C语言的开辟环境。

使用这种语言编程时，基本上不用写程序代码，取而代之的是流程图或者框图。

它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的
术语、图标和概念，有一个完成任何编程任务的通用的庞大函数库。

因此LabVIEW是一个面向最终用户的工具。

用户可以基于对LabVIEW软件比较熟悉的前提下根据自己的需要设计相应的程序以实现相应的功能，以达到设计自己需要的仪器的目的，本系统方案拟用LabVIEW软件对步进机电进行正反转的控制，并且
将数据实时显示，以取得良好的控制效果。

以此了解虚拟仪器的开辟过程，为
以后虚拟仪器的设计打下一定的基础。

步进机电的系统介绍
步进机电是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进机电按设定的方向转动一个固定的角度 (及步进角)。

我们可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时我们也可以通过控制脉冲频率来控制机电转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

在非超载的情况下，机电的转速、住手的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给机电加一个脉冲信号，机电则转过一个步距角。

这一线性关系的存在，加之步进机电惟独周期性的误差而无积累误差等特点。

使得在速度、位置等控制领域用步进机电来控制变的非常的简单。

图 2.1 机电内部结构图
图2.2 步进机电的外观图
2.1.1
现在比较常用的步进机电包括反应式步进机电(VR) 、永磁式步进机电(PM) 、 混合式步进机电(HB)和单相式步进机电等。

1. 反应式步进机电：普通为三相，可实现大转矩输出，步进角普通为 1.5 度，
但噪声和振动都很大。

反应式步进机电的转子磁路由软磁材料制成，定子上 有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

2. 永磁式步进机电：普通为两相，转矩和体积较小，步进角普通为 7.5 度 或者
15 度；
3. 混合式步进机电： 是指混合了永磁式和反应式的优点。

它又分为两相和五相：
两相步进角普通为 1.8 度而五相步进角普通为 0.72 度。

这种步进机电的应
用最为广泛，性能最好。

反应式步进机电(Variable Reluctance) 永磁式步进机电(Permanent Magnet) 混合式步进机电(Hybrid)
VR 型
PM 型
HB 型 旋转机电
直线机电
图2.3 步进机电
如图 2.3 所示，步进机电分为转子和定子两部份：
1. 定子：由硅钢片叠成的，定子上有 6 大磁极，每 2 个相对的磁极(N， S)
组成一对，共有 3 对。

定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线挨次分别与转子齿轴线错开。

0、1/3π、2/3π,(相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以π表示)，即A 与齿 1 相对齐，B 与齿2 向右错开1/3π，C 与齿3 向右错开2/3π，A'与齿 5 相对齐， (A'就是 A，齿 5 就是齿 1)。

2. 转子：由软磁材料制成，其外表面也均匀地分布着小齿,与定子上的小齿相
同，并且小齿的大小相同，间距相同。

一. 对齿和错齿
图2.4 步进机电转子展开图
反应式步进机电的动力来源于电磁力，惟独机电存在错齿现象才干转动。

在电磁力的作用下，转子被推动到最大磁导率的位置，定子小齿与转子小齿对齐的位置，并处于平衡状态，如图 2.2 中的 A 相位置，这种现象被称为对齿。

而对于
三相步进机电来说，当某一相得磁极处于最大磁导位置时，此外两相必须处于非最大磁导位置，即定子和转子不对齐位置，这种现象被称为错齿。

步进机电的工作原理
图2.5 步进机电三相接线图
如图 2.5 所示， U1、V1、W1 接电源，分别有三个开关控制， U2、V2、W2 分别
如果给处于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下，将向磁导率最大(即最小磁阻位置)位置转动，即向趋于对齿的状态转动。

步进机电是一种感应机电，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成份时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进机电供电，步进机电才干正常工作，驱动器就是为步进机电分时供电的，多相时序控制器。

以反应式步进电机为例：
如 A 相通电， B，C 相不通电时，由于磁场作用，齿 1 与 A 对齐， (转子不受任何力以下均同) 。

如 B 相通电， A，C 相不通电时，齿 2 应与 B 对齐，此时转子向右移过1/3π，此时齿 3 与 C 偏移为1/3π，齿 4 与 A 偏移(π -1/3π) =2/3π。

如 C 相通电， A，B 相不通电，齿 3 应与C 对齐，此时转子又向右移过1/3π，此时齿 4 与 A 偏移为1/3π 对齐。

如 A 相通电， B，C 相不通电，齿 4 与 A 对齐，转子又向右移过1/3π 这样经过 A、B、C、A 分别通电状态，齿 4 (即齿 1 前一齿) 移到 A 相，机电转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步(每脉冲)1/3π,向右旋转。

如按 A，C，B，A……通电，机电就反转。

由此可见：机电的位置和速度由导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。

而方向由导电顺序决定。

无非，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。

往往采用 A-AB-B-BC－C-CA-A 这种导电状态，这样将原来每步1/3π 改变为
1/6π。

甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3π 变为1/12π，1/24π，这就是机电细分驱动的基本理论依据。

不难推出：机电定子上有 m 相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。

并且导电按一定的相序机电就能正反转被控制——这是旋转的物理条件。

工作方式(三相)：
1. 单三拍：通电顺序为 A B C ；
2. 双三拍：通电顺序为 AB BC CA ；
3. 三相六拍：通电顺序为 A AB B BC C CA
一．步进机电的驱动：
步进机电与其它的机电不同，在使用控制过程中，步进机电必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统控制。

它的工作原理是利用电子电路，用环形分配
器等为步进机电提供多相时序控制电流，用这种电流为步进机电供电。

如图
1.6 所示(放大器个数可根据步进机电相数而定)。

图2.6 步进机电驱动图
接口部份主要是将各种功能部件相互连接起来，并提供传送信息的公共
通信干线。

通常采用一些标准的接口总线连接。

其中 I/ 0 接口加接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换。

不同的总线有其相应的 I/0 接口硬件设备。

随着虚拟仪器技术的发展，总线标准也有了很大的变动，从早期的GPIB总线，PCI总线标准串口，到现在的VXI，PXI， IEEl394。

总线标准总是沿着高速化，高兼容性，大功率电源，良好的冷却、抗电磁干扰的方向发展。

目前使用较多的I／O接口总线标准有PCI总线和PXI总线。

下面对这两种总线标准作简要的介绍。

PCI总线(外设互联总线)与传统的总线标准ISA总线(工业标准结构总线)相比，具有更高的传输率(132MB／s)、支持32位处理器、支持DMA、即插即用等优势。

这使之成为目前台式计算机的事实I／0总线标准。

对于基于计算机的测试仪器，PCI总线满足了在插卡和系统存储器中高速传输数据的要求，这为将计算机应用到新的测试仪器提供了很好的途径。

PXI 总线是 PCI 总线在仪器领域的扩展(PCI Extenslons for InstrumentatlOn)，目前尚未成为国际标准。

其最主要的电气规范由 PCI 总线发展而来，同时对电源、空气冷却装置、抗电磁干扰和恶劣环境的结构等做了规范，
在底板上定义了多种仪器专用线，包括用于多板同步的触发总线和 10MHz 参考时钟、用于进行精确定时的星形触发总线以及用于相邻模块间高速通讯的局部总线，从而满足测试用户的更高需求
步进机电的正反转控制显得比较简单，只需将步进机电的通电顺序颠倒即可。

由前面介绍的步进机电的工作原理可知，现以三相六拍的机电的工作方式为例，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，步进机电就沿逆时针方向旋转，每步转过的角度是 1．5 度。

如果想实现步进机电的反向旋转，只需要按照 A—CA—C—BC—B—AB—A 顺序通电即可，这时机电顺时针旋转，从而实现了对机电的正反转控制。

我国步进机电的研究及创造起始于本世界 50 年代后期，从 50 年代后期到60 年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或者开辟少量产品。

我国在文化大革命中开始大量生产和应用步进机电，例如江苏、浙江、北京、南京、四川等各地都有投入生产，而且都在各行业使用，其中的驱动电路所有半导体器件都是彻底国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。

中等耐压的大功率半导体器件也完全国产化。

70 年代初期，步进机电的生产和研究都有所突破，除反映在驱动器设计方面的长足进步以外，对反应式步进机电本体的设计研究发展到一个较高的水平。

70 年代中期至 80 年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电动机不断被开发。

至 80 年代中期以来，由于步进机电精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进机电及驱动器作为产品广泛利用。

目前,生产步进机电的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开辟，研制的厂家却非常少，大部份的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。

仅仅处于一种盲目的仿制阶段。

这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。

虽然步进机电已被广泛地应用，但步进机电并不能象普通的直流机电，交流机电在常规下使用。

它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

因此用好步进机电却非易事，它涉及到机械、机电、电子及计算机等许多专业知识。

的语言编程思想
随着计算机技术的高度发展, 传统仪器开始向计算机化方向发展。

以计算机为核心, 计算机软件技术与测试系统的有机结合, 产生了新的仪器概念即虚拟仪器。

本文在介绍 LabVIEW 虚拟仪器软件的基础上, 分析了虚拟仪器的基本概念、特点、组成及构建方法。

虚拟仪器技术旧事根据用户的要求有软件定义通用测量硬件的要求。

虚拟仪器是依靠 VXI、PXI 等标准总线采用驱动器使计算机有控制物理仪器设备的能力。

虚拟仪器代表着从传统硬件为主的测试系统到以软件为中心的测试系统的根本性转变。

计算机在测试和自动化领域中的应用，导致了仪器“驱动器”概念的诞生，驱动器又称驱动程序。

仪器驱动器是介于计算机与仪器硬件设备之间的软件中间层，由函数库、实用程序、工具套件等组成，是一系列软件代码模块的统称。

它驻留在计算机中，是连接计算机和仪器的桥梁和纽带。

虚拟仪器的介绍
虚拟仪器(VI)是指通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来, 用户可通过友好的图形界面来操作这台计算机, 就像在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样, 从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等。

显然虚拟仪器突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式, 使用者在操作具有测试软件的计算机进行测量时, 宛如操作一台虚拟的电子仪器, 虚拟仪器也因此而得名。

与传统仪器一样, 虚拟仪器同样划分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能模块, 如图 3-1 所示。

虚拟仪器以透明方式把计算机资源和仪器硬件的测试能力结合, 实现仪器的功能运作。

虚拟仪器技术已成为测试、工业 I/O 和控制和产品设计的主流技术，随着虚拟仪器技术的功能和性能已被不断地提高，如今在许多应用中它已成为传统仪器的主要替代方式。

随着PC、半导体和软件功能的进一步更新，未来虚拟仪器技术的发展将为测试系统的设计提供一个极佳的模式，并且使工程师们在测量和控制方面得到强大功能和灵便性。

一
1、性能高
虚拟仪器技术是在 PC 技术的基础上发展起来的，所以彻底“继承”了以现成即用的PC 技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。

此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。

2、扩展性强
NI 的软硬件工具使得工程师和科学家们再也不圈囿于当前的技术中。

得益
于NI 软件的灵便性，只需更新您的计算机或者测量硬件，就能以至少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进您的整个系统。

在利用最新科技的时候，您可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。

3、开辟时间少
在驱动和应用两个层面上， NI 高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。

NI 设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵便性和强大的功能，使您轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。

4、无缝集成
虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。

随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。

NI 的虚拟仪器软件平台为所有的
I/O 设备提供了标准的接口，匡助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。

与传统仪器相比, 虚拟仪器具有如下优势
1. 不同的设备实现统一功能 ;
一个测试项目根据不同的应用场合可以采用不同的设备，却可以采用相同的程序代码，若是实验室验证，则可以应用台式机上PCI总线，使用LabVIEW和数据采集设备。

2. 一台设备实现不同应用 ;
假设有两台不同的应用，一个是利用DAQ设备和积分编码器来测量机电位置的项目，此外一个是监视和记录这个点击的功率。

即使是两个彻底不同的任务，也可以重复使用同一个DAQ设备。

3. 硬件性能;
虚拟仪器技术即使趋势虚拟仪器软件和硬件设备加速的策略。

4. 兼容性;
虚拟仪器可和传统仪器彻底兼容，无一例外。

虚拟仪器软件通常提供了与常用普通仪器总线(如GPIB,串行总线及以太网)相连接的数据库。

3.2.1 什么是 LabVIEW
LabVIEW ( laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench, 实验室虚拟仪器工程平台)是美国NI公司推出的一种基于G 语言(Graphics Language ，图形化编程语言) 的虚拟仪器软件开辟工具。

用LabVIEW 设计的虚拟仪器可脱离LabVIEW开辟环境, 最终用户看见的是和实际的硬件仪器相似的操作
面板。

LabVIEW 为虚拟仪器设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境。

利用它, 设计者可以像搭积木一样,轻松组建一个测量系统和构造自己的仪器面板, 而无需
进行任何繁琐的计算机代码的编写。

3.2.2 LabVIEW的特点
LabVIEW 软件工具的特点可归纳为：
1. 图形化的编程方式, 设计者无需写任何文本格式的代码, 是真正的工程师
的语言；
2. 提供了丰富的数据采集、分析及存储的库函数；
3. 包括了DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS –232/485在内的各种仪器通信总线标准
的所有功能函数, 使得不懂总线标准的开辟者也能够驱动不同总线标准的
接口设备与仪器；
4. 提供了大量与外部代码或者软件进行连接的机制, 诸如DLLs(动态链接库)、
DDE(共享库)、ActiveX等强大的Internet功能, 支持常用网络协议, 方便网络、远程测控仪器的开辟；
3.2.3 LabVIEW 的数据采集系统
数据采集(DAQ)是指传感器和其他待测设备等摹拟或者数字被测单原中在哦
东采集信息的过程。

在计算机广泛使用的今天，数据采集的重要性是十分显著的，他是计算机与外部物理量世界连接的桥梁。

图3.1 数据采集系统结构
一个完整的数据采集系统通常包括传感器或者变送器、信号调理设备、数据采集和分析硬件、计算机和驱动程序软件等。

一．数据采集卡的功能：
1. 摹拟量输入
摹拟量输入是采集最基本的功能。

它普通由多路开关(MUX)、放大器、采样保持电路以及A/D转换器来实现，通过这些部份，一个摹拟信号可以转化位数字信号。

A/D转换器的性能直接影响这摹拟量输入的质量，要根据实际的需要精度来选择合适的A/D转换器。

摹拟量输出
摹拟量输出通常是为了采集系统提供激励。

输出信号受数模(D/A)转换器的建立时间、转换率、分辨率等因素影响。

建立时间和转换率决定了输出信号幅值改变的快慢。

建立时间短、转换率高的D/A转换器可以提供一个叫高频率的信号。

如果用D/A转换器输出信号去驱动一个加热器，就不需要使用一个速度很快耳朵D/A 转换器，因为加热器本身就不能很快的跟踪电压变化。

应该根据实际需要的参数指标选择D/A转换器。

数字I/O
数字I/O通常用来控制过程、产生测试信号、与外设通信等。

它的重要参数包
括：数字口路器、接受率、驱动能力。

此外一些数字口为了同步通信的需要还要
有“握手”线。

路数、数据转换率、“握手”能力都是应该理解的重要参数，应
该一句具体的应用场合选择参数合适的数字I/O。

触发采集
许多数据采集的应用过程需要基于一个外部时间启动或者住手一个数据采集
的工作。

触发涉及初始化、终止以及同步采集时间的任何方法。

触发器通常是
一个数字或者摹拟量信号，其状态可确定动作的发生。

定时计数器
许多场合都要用到计数器，如定时，产生方波等。

计数器包括三个重要信号：
门限信号、技术信号、输出。

门限信号世纪是触发信号——使计数器工作或者部
工作；计数信号也称信号源，它提供了计数器操作的时间基准；输出实在输出线
上产生脉冲或者方波。

计数器最重要的参数是分辨率和时钟频率，高分辨率意味
着计数器可以计更多的数，始终频率决定了技术的快慢，频率越高，技术速度就
越快。

3.2.4 LabVIEW的接口及板卡选择
接口选择
接口部份采用NI公司设计的PXI-7833和PXI-6723板卡加之相应的软件对输入的脉冲信号进行写操作，通过接口部份把信号加到步进机电单元上，从而改变步进机电的状态，从而实现对步进机电的控制。

(1)插卡式数据采集设备它是一种典型的虚拟仪器硬件结构，将前端仪器(如传感器等)传来的摹拟信号采集到计算机，直接经过ISA总线或者PC嘱部总线，由CPU 进行分析、处理，再通过显示器显示。

微处理器可以即将访问这些数据。

即数据由微处理器和数据采集板共享。

通常在计算机外面根据需要配备某种信号调理设备，这种硬件容易购买配置，可以满足普通测试要求，价格能够为大多数用户所接受. 插卡型仪器多数没有抗混滤波器且分时采样，特殊要注意混叠现象和通道间相位差。

同时，这种方式受PC机机箱和总线限制，且存在电源功率不足、机箱内部的噪声电平较高、插槽数目不多、机箱内无屏蔽等缺点。

(2)VXI或者PXI虚拟仪器硬件结构：在某些特殊的场合和测试要求非常高时选择 VXI或者PCI虚拟仪器硬件结构， VXI是VME总线的仪器的扩展.结构形式是将信号采集、信号调理等各种模块装入标准机箱，机箱通过插入计算机的卡与计算机通讯。

合用于组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。

然而，组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高，其推广应用受到一定限制，主要应用集中在航空、航天等国防军工领域。

PXI总线结构形式与VXI 基本相同，区别在于总线不同和价格更容易接受。

(3)GPIB通用接口总线为了有效的利用现有的技术资源和发挥传统仪器的某
些优势，还可以采用GPIB通用接口总线，是计算机与传统仪器的接口，将GPIB通讯卡插入计算机，在通过GPIB电缆，实现计算机对多台传统仪器的控制和访问，由于GPIB系统在PC浮现的初期问世，所以有一定的局限性。

如其数据线惟独8根，用位并行、字节串行的方式传输数据，传输速度最高1MBy/S,传输距离20m(加驱动器能达500m)。

板卡选择
系统的显示是通过PXI-6514数字I/O卡对加给步进机电的脉冲信号进行采集，再通过PXI总线传输，最终通过软件控制，以采集的数据为依据，实现对步进机电状态、正反转和步数的显示。