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基于虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2022-06-20

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件。它在在工業(yè)自動(dòng)化控制、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，經(jīng)常有需要利用步進(jìn)電機(jī)對(duì)一些旋鈕、位置等進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。本文設(shè)計(jì)了基于虛擬儀器技術(shù)的步進(jìn)電機(jī)控制方案。該方案采用虛擬儀器控制步進(jìn)電機(jī)，編程簡(jiǎn)單，界面友好，易于更改程序功能，控制靈活性得到了提高。 1、步進(jìn)電機(jī)工作原理 步進(jìn)電機(jī)按其力矩產(chǎn)生原理可以分為反應(yīng)式、永磁式和混合式幾種。本文采用的是反應(yīng)式二相四線步進(jìn)電機(jī)，定子有兩個(gè)線圈繞組，設(shè)其中一個(gè)線圈繞組為A相，另一個(gè)線圈繞組為B相。當(dāng)給A相繞組通電時(shí)，該繞組即產(chǎn)生磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子齒與A相繞組各齒對(duì)齊；當(dāng)給B相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子齒將與B相繞組各齒對(duì)齊，這樣，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度。依次給A相、B相繞組通電，就可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，改變通電的順序（即先給B相繞組通電，再給A相繞組通電）就可以改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向。另外，由于步進(jìn)電機(jī)是由脈沖信號(hào)進(jìn)行控制的，給電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。 2、步進(jìn)電機(jī)控制硬件電路 2．1 串行接口電路 串行接口電路由RS 232串行接口、MAX232芯片和AT89S51單片機(jī)三部分構(gòu)成。其中，RS 232串行接口用于連接PC的RS 232串行接口，MAX 232芯片用于銜接RS 232串行接口與AT89S51單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)輸入／輸出的串口信息到PC的串行接口信息的轉(zhuǎn)換，即AT89S51單片機(jī)信號(hào)的TTL電平到RS 232電平的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)二者之間電氣特性上的兼容。具體串行接口硬件電路如圖1所示。 2．2 驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路有多種方案，本文采用芯片L298N進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。該芯片是專用驅(qū)動(dòng)集成電路，輸出電流大，輸出功率強(qiáng)。其輸出電流為2 A，最高電流4 A，最高工作電壓50 V，可以驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載，如大功率直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、電磁閥等，特別是其輸入端可以與單片機(jī)直接相連，從而很方便地受單片機(jī)控制。 采用L298N芯片可以直接控制步進(jìn)電機(jī)，并可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)此功能只需改變輸入端的邏輯電平。同時(shí)，為了避免電機(jī)對(duì)單片機(jī)的干擾，在驅(qū)動(dòng)電路中加入光耦TPL-521，進(jìn)行光電隔離，從而使系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠的工作。具體驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。 3 、步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì) 3．1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì) 單片機(jī)接口程序采用C51語(yǔ)言編寫。程序中，定義了數(shù)組table1和table2，用來(lái)存儲(chǔ)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)；并定義了一個(gè)控制轉(zhuǎn)向的指針control mode，為該指針賦予不同的值，電機(jī)便實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)功能。另外，程序中還定義一個(gè)速度控制變量mode，通過(guò)PC機(jī)發(fā)送命令字改變速度控制變量的值便可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制。在main函數(shù)部分，先調(diào)用“串口初始化程序”，再調(diào)用“控制命令字判斷程序”以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)向控制。main函數(shù)的最后部分將單片機(jī)收到的命令字返回給PC機(jī)，方便觀察者查看通信的情況。下面給出main函數(shù)及控制變量的程序段。 3．2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì) 單片機(jī)PC的通信是通過(guò)單片機(jī)的串口和PC串口之間的硬件連接實(shí)現(xiàn)的。由于LabVIEW軟件簡(jiǎn)潔直觀，功能強(qiáng)大靈活，該設(shè)計(jì)采用LabVIEW編寫上位機(jī)的控制程序。程序編寫涉及VISA，它的實(shí)質(zhì)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的I／O函數(shù)庫(kù)。這些庫(kù)函數(shù)用于編寫儀器的驅(qū)動(dòng)程序，完成計(jì)算機(jī)與儀器間的命令和數(shù)據(jù)傳輸，以實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的程控。 在LabVIEW里使用VISA，必須安裝NI-VISA程序包，安裝后，與串口通信相關(guān)的VISA函數(shù)位于FuncTIons→ALL FuncTIons→Instrurnent I／O→Serial子模板上，其中，VISA配置串口函數(shù)用于設(shè)定一些參數(shù)，并將指定的串口按特定設(shè)置初始化；VISA寫入函數(shù)將“寫入緩沖區(qū)”的數(shù)據(jù)寫入指定的串口；VISA讀取函數(shù)從指定的串口中讀取指定字節(jié)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)返回至“讀取緩沖區(qū)”；VISA關(guān)閉函數(shù)關(guān)閉指定串口的會(huì)話句柄或事件對(duì)象。 本文設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制程序采用上述的通信函數(shù)結(jié)合事件結(jié)構(gòu)進(jìn)行編寫，并通過(guò)程序調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速控制。程序前面板與程序框圖分別如圖3和圖4所示。 4 、結(jié)語(yǔ) 本文利用圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW編寫程序?qū)崿F(xiàn)了PC與單片機(jī)的串口通信，并結(jié)合單片機(jī)外圍電路對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制。實(shí)驗(yàn)證明采用LabvIEW編寫的程序?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制具有人機(jī)交互界面友好、編程簡(jiǎn)單、效率高等特點(diǎn)，并且采用LabVIEW編寫的控制程序移植性較強(qiáng)，可以很方便地被其他程序凋用以構(gòu)成功能更齊全的程序。 責(zé)任編輯：gt

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