基于LabVIEW的步進電機運行特性測試軟件開發(fā)

諶娟娟，巨 輝，劉 鵬

（成都信息工程學院，四川 成都 610225）

步進電機是一種能夠快速啟動、可正反轉(zhuǎn)和制動的執(zhí)行元件，具有驅(qū)動簡單、控制精度較高、成本低廉等優(yōu)點，被廣泛應用于生產(chǎn)和生活的各個場合。通常步進電機在使用之前應先了解其準確的運行特性。目前工業(yè)中步進電機的運行特性測試常采用以PLC為控制系統(tǒng)核心的方案，這種方案能自動實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、顯示和處理[1]，但它的成本較高。工業(yè)中需要一款成本較低、使用方便、操作簡單的運行測試系統(tǒng)。

LabVIEW是美國NI公司研發(fā)的一款用于測控領域的軟件，它允許使用圖形方式編程，摒棄了晦澀難懂的文本代碼，其在硬件驅(qū)動、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示方面有著優(yōu)越的表現(xiàn)，使之廣泛的應用于工業(yè)自動化、測試測量、運動控制、圖像處理等領域[2-3]。利用LabVIEW結(jié)合運動控制卡實現(xiàn)步進電機的運行特性測試且也能自動實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和顯示。LabVIEW結(jié)合運動控制卡的方案與以PLC為控制系統(tǒng)核心的方案相比成本低、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析及顯示簡單，且LabVIEW編程比PLC編程方便、直觀、具有良好的人機交互界面。

1 實現(xiàn)方法

1.1 系統(tǒng)組成

步進電機測試系統(tǒng)硬件結(jié)構框圖如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構框圖

測試平臺中步進電機為被測對象，磁粉制動器利用磁滯原理，通過控制勵磁電流的輸入產(chǎn)生一定的力矩來模擬電機的加載裝置，扭矩傳感器用于測試電機特性時采集電機的模擬轉(zhuǎn)矩大小。LabVIEW作為系統(tǒng)的核心，調(diào)用運動控制卡中的多個函數(shù)來控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向及采集編碼器反饋的實際位置值，并將采集到數(shù)據(jù)進行快速處理和顯示。

1.2 測試軟件的關鍵技術

在運動控制卡函數(shù)庫中主要包括的函數(shù)有：控制卡和軸設置函數(shù)、運動指令函數(shù)、制動函數(shù)、位置和狀態(tài)設置函數(shù)、位置和狀態(tài)查詢函數(shù)、I/O口操作函數(shù)和一些其他函數(shù)[4]。LabVIEW能否正確的調(diào)用并設置這些函數(shù)是整個測試系統(tǒng)軟件設計的關鍵部分。

LabVIEW可以通過調(diào)用函數(shù)庫節(jié)點（CLN）來調(diào)用運動控制卡中的動態(tài)鏈接庫（DDL）中的函數(shù)。調(diào)用步驟為：在程序后面板選擇“函數(shù)”→“互連接口”→“庫與可執(zhí)行程序”→“調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點”。雙擊庫函數(shù)節(jié)點，在函數(shù)選項卡中輸入庫名及選擇所需的函數(shù)，在參數(shù)選項卡中設置和增加對應函數(shù)的參數(shù)。參數(shù)的設置直接關系到應用程序接口（API）函數(shù)調(diào)用的成敗。如果API函數(shù)中參數(shù)原型為基本數(shù)據(jù)類型，LabVIEW參數(shù)的設置則非常簡單，即選擇對應的數(shù)據(jù)類型后將參數(shù)的傳遞方式設置為“數(shù)值”。

通常LabVIEW中使用的數(shù)據(jù)類型與API函數(shù)中使用的數(shù)據(jù)類型不一致。而錯誤數(shù)據(jù)類型的使用有時會造成LabVIEW運行崩潰，所以正確理解API函數(shù)的數(shù)據(jù)類型與LabVIEW的數(shù)據(jù)類型對程序正常運行具有重要意義。表1所示為幾種常用的API函數(shù)數(shù)據(jù)類型與LabVIEW數(shù)據(jù)類型的對應關系。

表1 數(shù)據(jù)類型對應表

如果API函數(shù)中參數(shù)原型為指針類型，LabVIEW則有兩種傳遞方式。一種方式是選擇參數(shù)類型為“數(shù)組”，數(shù)組格式為“數(shù)組數(shù)據(jù)指針”。此種方式的輸入方式為數(shù)組，數(shù)組的長度可以根據(jù)其需要指定[3]。另一種方式是選擇參數(shù)類型為“數(shù)值”，傳遞方式為“指針”。此種方式不需要輸入任何參數(shù)，只需要在調(diào)用API函數(shù)后通過一個數(shù)字拆分函數(shù)將測試過程中反饋回來的數(shù)據(jù)讀取。例如：讀取編碼器反饋的實際位置值函數(shù)（get_encoder），其語法為 int get_encoder（int ch，long*en_pos），其中 ch 為軸號，en_pos為一個指向?qū)嶋H位置的長整型指針。Lab-VIEW中函數(shù)選項卡設置如圖2所示，參數(shù)選項卡設置如圖3所示。

圖2 函數(shù)設置

圖3 參數(shù)設置

1.3 數(shù)據(jù)采集

步進電機運行特性測試程序開發(fā)的過程中除了正確調(diào)用運動控制卡函數(shù)外，編碼器反饋信號的采集也尤為重要。

程序在執(zhí)行過程中需不斷地讀取編碼器反饋值，并在電機停止后自動地將測試值進行處理并顯示出來。運動控制卡中get_encoder函數(shù)專門用于讀取編碼器的反饋值，為了實現(xiàn)不斷讀取編碼器反饋值，則將get_encoder函數(shù)放入for循環(huán)結(jié)構中。雖然控制卡中寄存器的更新速度為1/32 M，但for循環(huán)中的采集程序執(zhí)行速度遠遠低于1/32 M且速度未知，則考慮在for循環(huán)中加入定時結(jié)構且定時時間必須大于程序執(zhí)行時間。經(jīng)多次試驗，假如系統(tǒng)以電機轉(zhuǎn)速0.01 r/s為最低轉(zhuǎn)速，則將定時時間設置為10 ms。又因為LabVIEW中for循環(huán)結(jié)構的循環(huán)次數(shù)是固定的，為了實現(xiàn)電機停止后程序能自動及時地將測試結(jié)果顯示出來，則根據(jù)采集到數(shù)據(jù)在for循環(huán)外做判斷以停止采集程序和處理結(jié)果并顯示。數(shù)據(jù)采集程序如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集程序

2 程序示例

本文以步進電機任意加減速曲線測試為例，展示了LabVIEW調(diào)用運動控制卡函數(shù)控制步進電機及采集編碼器反饋值的過程。程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序設計流程圖

圖6 程序后面板

圖7 程序前面板

程序在調(diào)用初始化函數(shù)init_board后默認的將軸的最大速度設置為板卡允許的最大速度80 000 r/s。因為控制卡的輸出脈沖頻率=脈沖分辨率×倍率，所以為了獲得比較好的速度精度程序初始化之后應先調(diào)用set_maxspeed函數(shù)來設置需要達到的最大輸出脈沖頻率，設置后脈沖分辨率將重新設置。程序在調(diào)用讀取軸反饋信息函數(shù)get_encoder前應先調(diào)用set-getpos_mode函數(shù)和set_encoder_mode函數(shù)來設置編碼器反饋信號的模式及get_encoder函數(shù)獲取的位置值的來源。以步進電機任意加減速曲線測試為例的程序后面板如圖6所示，前面板如圖7所示。

綜上所述，依托于LabVIEW函數(shù)庫調(diào)用技術以及運動控制卡可以實現(xiàn)步進電機的運動控制及運行特性的測試，系統(tǒng)人機交互界面良好，可準確地對采集數(shù)據(jù)進行計算處理、顯示及存儲，且各項運行參數(shù)方便可調(diào)。本文對步進電機的運動控制及運行特性測試系統(tǒng)而言，具有成本低、使用方便、操作簡單等特點。

[1]蔡祖光，史鐵林.步進電動機矩頻特性測試方法研究[J].電子器件，2012（2）：190-193.

[2]楊樂平，李海濤.LabVIEW程序設計與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[3]陳樹學，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[4]周志明.基于運動控制卡的步進電機控制系統(tǒng)[J].煤礦機械，2004（3）：95-97.