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LabVIEW控制步进电机自动升降速 |
| 摘 要：步进电机在开环控制系统中作为控制用电机和驱动用电机得到广泛使用，为防止失步和过冲，使用步进电机高速运行时必须有升降速过程。本文在分析比较几种常用的升降速控制曲线基础上，利用LabVIEW通过PCI-1780卡实现了步进电机自动升降速的软件控制。
关键词：步进电机,自动升降速,LabVIEW,软件控制
一、前言
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，在办公室自动化（OA）、工厂自动化（FA）和计算机外部设备等领域作为控制用电机和驱动用电机得到广泛使用。在各类高校机电、数控、自动化等专业的教学中，步进电机是学生必须掌握的内容。
使用步进电机的开环控制系统必须在高速运行前有一个逐渐升速的过程，否则步进电机将会失步，临到终点前必须有一个减速过程，否则会造成过冲，使定位不准，这种升降速必须在短时间内自动完成。若用硬件方法实现，将增加硬件结构的复杂性从而增加系统故障的出现次数;用软件实现将增加计算机硬件实时计算工作量，有可能影响速度的提高，但随着计算机硬件性能的提高，CPU的更快的运算速度为自动升降速的软件实现提供了硬件保障。而LabVIEW（Laboratory of virtual instruments engineering workbench）是美国NI公司利用虚拟仪器技术开发的32位、面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发平台[1，2]。该软件具有十分强大的功能,包括数值函数运算、数据采集、信号处理、输入/输出控制、信号生成、图像的获取、处理和传输等,提供了编写仪器测试程序与建立数据采集系统的便捷途径。采用旋钮、开关、波形图等构造用户界面,人机交互界面友好。利用LabVIEW编程可以摆脱繁琐的底层命令,直接选用相关图标节点进行连线即可,容易实现程序的控制。
二、常用的步进电机自动升降速控制曲线
常用的控制曲线有以下几种
1.速度时间曲线是梯形的运动（图1）
电机做梯形运动时，其运动过程是首先以一定的加速度加速运动，当速度达到指定的速度时，开始匀速运动。减速时，以一定的加速度减速运动到指定的速度后匀速运动或停下来。这种升降速控制方法计算简单，节省机时，但因为加速、匀速和减速过程不能光滑过渡，即加速度对时间的函数a（t）=dv（t）/dt不是连续函数，而存在阶跃现象。这将影响电机和机械系统的使用寿命，所以适用于控制系统处理速度较慢且对升降速过程要求不高的场合。
图1 梯形v-t曲线
2.速度时间曲线是S型的运动（图2）
图2 S型v-t曲线
图2中M-B为加加速运动阶段，B-C为加速运动阶段，C-D为减加速运动阶段，D-E为匀速运动阶段，减速时情况类似，E-F为加减速运动阶段，F-S为减速运动阶段，S-H为减减速运动阶段。速度是时间的连续函数，从启动到加速过程的光滑过渡以及到匀速运动的过渡使电机和机械系统的使用寿命提高，但计算量大，适用于控制系统处理速度较快且对升降速过程要求较高的场合。
3.速度时间曲线是直线加抛物线型的运动（图3）
图3 直线加抛物线型v-t曲线
在对步进电机的控制中，工程上一般认为步进电机无需经过加速就直接阶跃到启动频率所对应的速度，也可在启动频率所对应的速度直接停止[3]。因此上述直线加抛物线运动规律就演变为抛物线运动规律，由于步进电机的转矩是其速度的减函数，在高速状态下，易于产生振荡，而使用抛物线型曲线的控制方法可提高步进电机的允许上限速度，而且可以保证系统尽快由启动状态上升到高频运行状态，或尽快由运动状态停止。所以这里我们通过编程实现近似抛物线运动规律。
三、LabVIEW软件控制的实现
根据步进电机控制电压的特点，我们选用了PCI-1780卡，这是一款基于PCI总线的8路定时/计数卡，使用了AM9513芯片，提供8个16位计数器通道，8路数字量TTL输出和8路数字量TTL输入， 它的应用包括：事件计数、触发式输出、可编程频率输出、频率测量、脉宽测量、PWM输出、产生周期性中断和延时功能等。
我们利用PCI-1780输出所用脉冲，通过改变脉冲的输出频率来控制步进电机的转速;通过控制输出脉冲数量的方法控制步进电机转动一定的角度;利用数字输出功能控制其方向;利用软件编程的强大功能实现步进电机的自动加减速控制。流程如图4，步进电机控制的前面板如图5所示：
图4 自动升降速控制流程图
图5 步进电机控制前面板
四、小结
基于图形化的编程语言，基于数据流的运行方式为我们开辟了步进电机控制的新领域。本文作者创新有以下几点：
1、采用旋钮、开关等构造用户界面,人机交互界面友好。
2、将步进电机升降速的控制不但自动化，而且充分利用LabVIEW的优势将控制量和显示量实时显示出来。
3、利用计算机快速的运算速度实现了自动升降速的控制，减少了硬件的配置，使整个系统简化。
实践证明这种控制方式可以加深对步进电机及其控制的理解和掌握。
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发表于 2009-3-17 09:38:57
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