基于LabVIEW的汽车仪表步进电机测试系统

1、虚拟仪器技术电 子 测 量 技 术第33卷第12期基于LabVIEW的汽车仪表步进电机测试系统尚磊磊 顾永刚 翟 超 金 熠(中国科学技术大学工程学院精密机械与精密仪器 合肥 230027)摘 要:汽车仪表指针大多采用步进电机驱动。为了确保生产的电机质量,需要一套性能良好的测试设备。为此,设计了一套步进电机测试系统。针对汽车仪表步进电机测试的要求,引入了基于LabVIEW的虚拟仪器技术。在LabVIEW平台下开发的系统具有开发周期短、功能灵活、维护费用低等优势。本系统实现了对步进电机多种模式的控制,能够实时采集、存储电机绕组的电压和电流信号,并对数据分析处理以判断电机运转状态。实验结果表明该系

2、统性能良好,可以用于步进电机测试。关键词:步进电机;虚拟仪器;LabVIEW;数据采集;数模转换中图分类号:TM383.6 文献标识码:ATestingsystemforsteppermotoronautometerbasedonLabVIEWShangLeileiGuYonggangZhaiChaoJinYi(DepartmentofPrecisionMachineryandPrecisionInstrumentation,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230027)Abstract:AutoMeterpointersaremost

3、lydrivenbythesteppermotor.Afunctionalsuitoftestingequipmentisneededtoensurethequalityofmotorproduction.Tothisend,thispaperdesignsasuitofsteppermotortestingsystem.Tomeetthetestingrequirementsofsteppermotor,LabVIEW basedvirtualinstrumenttechnologyisintroduced.SystemsdevelopedintheLabVIEWplatformhaveab

4、unchofadvantages,suchasshortdevelopmentcycle,flexiblefunctions,lowmaintenancecost.Controllingthesteppermotorinmultimodeisimplemented.Thissystemcouldalsoprocessreal timedataacquisitionanddatastorageforanalyzingthestateofthesteppermotor.Experimentalresultsshowthatthissystemhasgoodperformanceandcouldbe

5、appliedtosteppermotortesting.Keywords:steppermotor;virtualinstrument;LabVIEW;dataacquisition;DAC0 引 言步进电机是将电脉冲信号转化为机械角位移的执行机构。一个电脉冲信号可以驱动步进电机按给定的方向转动一个固定的角度,通过控制脉冲个数来控制角位移量,可以达到准确定位的目的;同时控制脉冲频率可以控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。由于步进电机具有精度高、惯性小、工作可靠、能实现高精度快速开环控制的特点2,因而步进电机广泛应用于汽车仪表指针的控制,生产步进汽车仪表步进电机的厂家也越来越多,要

6、保证电机质量,就需要一套电机测试系统。汽车仪表步进电机测试系统要求较多:驱动电压可调节、运转频率可调节、连续运转、固定角度运转、固定角度来回运转及反转回零。驱动的模式又要求有整步驱动和细分驱动。另外,若电机以较高的速度直接启动、停止,可能会出现失步或过冲现象。为了克服失步和过冲现象,在启停时进行加减速控制,以保证电机高速运行时的定位精度。若所有的控制信息采用硬件输入3,势必增加硬件开1支。为了解决这一问题,引入基于LabVIEW的虚拟仪器技术,即:将仪器装入计算机,以通用的计算机硬件及操作系统为依托,实现仪器的各种功能4。1 硬件设计1.1 电机驱动电路设计电机驱动电路框图如图1所示。如前所述

7、,步进电机的运动取决于控制脉冲的个数和频率。选用FREESCALE公司的MC9S08GT系列单片机来产生脉冲序列。该单片机片内集成的SCI(serialcommunicationsinterface串行通信接口)模块可通过RS232串口与上位机通信;定时器模块可用来定时,以产生一定频率的PWM波形。图1 电机驱动电路单片机直接输出的信号功率较小,因此,在信号到达电机前,需要经过功率放大。步进电机测试要求的驱动方式有整步驱动和细分驱动。细分驱动时将绕组中电压细分,由常规的矩形波供电改为阶梯波供电。普通的电机驱动芯片无法产生多个阶梯的电压信号,因此选用TEXASINSTRUMENTS公司的D/A转

8、换芯片TLC7528,以产生需要的波形5。TLC7528输出电压均为正,而实际使用时需要正电压和负电压,故使用运放对输出信号进行处理,以输出所需电压。运放的另一功能是功率放大。1.2 检测系统设计检测系统由信号调理电路、ADLINK公司的数据采11 18集卡PCI 9111DG及工控机组成,其框图如图2所示。检测系统的主要功能是对步进电机的电流、电压信号进行调理,采集信号、显示波形并分析处理数据,以判断电机运转状态。第12期ADLINK公司提供了和LabVIEW的接口函数,使用LabVIEW通过调用相应的函数即可进行数据采集。LabVIEW封装了大量分析程序,可以非常方便的对采集到的数据进行分

9、析、处理7。上位机的程序比较复杂,在开发过程中多次进行优化,具体程序流程图如图3所示。图2 检测系统调理电路作用是对电机的电流、电压信号进行处理,供数据采集卡采集。由于绕组电流较小且包含较大噪声,在信号进入数据采集卡之前需要经过仪用放大器放大,因为仪用放大器具有精度高、增益范围大、性能优良等特点。数据采集卡只能采集电压信号,若要采集电流信号,需在回路中串联精密的采样电阻,通过采集采用电阻两端的差分电压信号来反映绕组电流信号。数据采集卡选用ADLINK公司的PCI 9111DG,它具有16路单端12位的模拟输入通道,采样率为110kS/s,足以用于步进电机的信号采集。另外,该公司还提供了和Lab

10、VIEW的接口函数,进行数据采集非常方便。图3 上位机程序流程2 软件设计本节将详细介绍系统软件设计。软件包括两部分:使用LabVIEW开编写的上位机软件、驱动板单片机程序,下面分别介绍。2.1 上位机软件上位机软件是在LabVIEW8.2.1环境下开发的。LabVIEW是一种基于图形化语言编程的开发环境,具有6强大的界面编辑功能,进行界面开发非常方便。上位机软件主要功能有:电机控制参数设置;通过串口发送并接收指令;数据采集并在前面板显示波形、数据处理并显示结果。在前面板设置电机控制参数后,数据被存储到缓冲区中,并通过串口发送给单片机,实现上位机和单片机的通信。使用LabVIEW的VISA进行

11、串口操作十分方便。2.2 单片机程序2.2.1 驱动方式常用的步进电机驱动方式有整步驱动和细分驱动,本系统成功实现了这两种驱动方式。整步驱动实现较为简单,控制D/A芯片输出高低电平即可。细分驱动可以提高步进精度并减少低频振荡,但实现起来较为复杂。两相步进电机输入的电流相位应相差90 ,若步进电机两相电流按式(1)变化, =n为细分n数,s为步数:图4 细分驱动电压波形第33卷(1)两相绕组的电流、电压波形如图6所示。图6中两绕组相位变化是由于电机换向造成的。从波形中可以看出,测试系统的驱动电路能够稳定的工作,输出的驱动信号满足要求,未出现毛刺、畸变等现象。电机在细分驱动模式下运转时,电流波形近

12、似为正弦波形,且电机运转十分平稳、噪声小。由于系统在电机启停时加了加减速控制,电机不易出现失步、过冲等现象。Ia=Imcos Ib=Imsin/2式中:则合成电流为I=Ia+Ibe-j =Ime-j ,这是一个以Im为幅值。 为幅角的矢量。当 变化时,合成矢量转过一定角度,且幅值不变,实现了恒力矩、均匀步距角细分驱动。可以使用FPGA实现电流细分控制8,本文做了简化,使用电压细分,单片机通过计算并存储数据到数组,再调用数组数据从而实现细分控制。其波形如图4所示。2.2.2 加减速曲线步进电机启动频率越高,启动转矩越小,带动负载能力越差,启动时会造成失步,而在停止时又会发生过冲。为此,在电机启停

13、时加上加减速控制。对于步进电机来说,要想得到最快的加减速过程,就要在每个频率下输出相应的最大转矩,即以电机最大加速度运行。由步进电机的动力学方程和矩频特性曲线,在忽略阻尼转矩的情况下,可推导出如下方程:-t/tf=fm(1-e)上式表明驱动频率应随时间按指数规律上升,这样可以在较短的时间内上升至目标速度,也就是说理想的步进电机加减速曲线是按指数规律变化的9。但是指数规律是非线性的,在单片机中运算较困难,本文采用直线来近似。单片机控制电机加减速过程中,可以采用离散方法逼近直线。频率不是连续变化,而是等间隔的逐渐增加到最大频率。当然加速过程中每一台阶要给以足够运行时间,否则电机运行不稳会产生振动。

14、为了简单控制,减速采用与加速过程对称的曲线。单片机程序流程图如图5所示。图6 电机检测时电压、电流波形若生产的电机质量不合格,可能会出现在某一较低的频率下无法启动、运转的现象,或者虽然可以运转,但是运转不稳定,抖动较大。此时,检测到的电流波形会发生相应的变化。通过观察电流波形可以判断电机运转状态,结合设计要求,可以判断电机是否合格。为了能够更加准确的判断电机运转状态,需要在测试过程中将采集到的绕组电流、电压信号存储。在测试完成后,对数据进行频域分析。实验表明,电机在不同运转状态下,绕组电流频谱特征差别较大。实验证明:驱动板和上位机间能够正常通讯,且接收到指令后能够正确地对指令进行解析,并准确的

15、输出相应的控制信号。在上位机可以实时显示电流、电压波形,并实时存储数据。系统工作性能良好。还可以对存储的数据进行进一步处理。通过对检测图5 单片机程序流程3 测试结果使用细分驱动模式驱动步进电机,电机正常运转时,到的电流信号的频率进行分析处理,可以得到电机的速度曲线;对速度曲线进行微分可得到电机的加速度曲线;对电流信号进行数值积分,可以得到电机的功率曲线。由此,可以为电机的设计、改进,驱动电路的设计,发热量分析等问题的研究提供参考。第12期4 结 论在LabVIEW平台下开发的系统具有成本和维护费用低、开发周期短及功能灵活等优点,是那些功能固定的传统仪器所无法比拟的10。本文使用LabVIEW

16、开发的汽车仪表步进电机测试系统,满足了测试的要求,而且能实时显示步进电机的运行状态和电压、电流波形。另外,系统操作起来也十分简单。本套系统可以用于汽车仪表步进电机测试。参考文献1 2 3廖建斌.步进电机式汽车仪表控制技术J.汽车电器,2008(6):5 6.李晓菲,胡泓,王炜,等.步进电机加减速控制规律J.机电产品开发与创新,2006,19(1):122 123.MENGTX,YULL.ThedesignofmicrocomputercontrolsystemforstepmotorC.ISCID2009 2009InternationalSymposiumonComputationalInt

17、elligenceandDesign,Piscataway,NJ:IEEEComputerSocietyPress,2009(1):446 449.4 5侯国屏,王珅,叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计M.北京:清华大学出版社,2005:1 20.吴春艳,何颖,刘少学.基于P87LPC764的步进电机细分驱动电路硬件设计J.仪器仪表学报,2006,276 7(6):2514 2516.龙华伟,顾永刚.LabVIEW8.2.1与DAQ数据采集M.北京:清华大学出版社,2008:339 353.龙华伟,翟超,刘小威,等.步进电动机及其驱动电路检测系统J.电机与控制学报,2006,10(

18、6):555 556.8 9安立宇,赵曙光,杜丘.基于FPGA的两相步进电机细分驱动设计J.仪表技术,2009(1):30 31.黄楚芳,陈鸿.步进电机加减速控制器的设计J.山西电子技术,2009(1):30 31.10 翟超,龙华伟.在LabVIEW平台下实现步进电机系统的多通道监测J.中国科学技术大学学报,2007,37(6):636 640.11 何创新,李彦明,刘成良.工程机械远程状态信息采集方法研究与应用J.仪器仪表学报,2009,30(4):728 732.12 杨胜,房建成.基于双DSP的POS数据采集与处理系统的设计与实现J.仪器仪表学报,2008,29(9):1822 1826.13 孙骏,陈彦夫.汽车ABS轮速传感器性能测试系统的实现J.电子测量与仪器学报,2009,23(3):105 109.14 褚杰,赵强,丁国良.基于虚拟仪器的差分功耗分析攻击平台J.电子测量与仪器学报,2008,22(5):123 126.15 张重雄,周敏.基于虚拟仪器技术的汽车制动性能检测系统J.电子测量技术,2008,31(10