基于LabVIEW的步进电动机性能测试系统设计——开题报告陈盖

1、毕业设计（论文）开题报告理工类题 目:基于LabVIEW的步进电动机性能测试系统设计 学 院： 电子工程学院 专业班级： 测控技术与仪器 测控111 学生姓名： 陈盖 学 号： 2011120943 指导教师： 宋永献 2014年4月1 日淮海工学院毕业设计（论文）开题报告1.课题研究的意义，国内外研究现状、水平和发展趋势要求学生： 研究意义： 虚拟仪器技术自20世纪80年代由美国国家仪器公司（National Instrument Corp.，简称NI）提出后，由于其良好的性能及众多的优势被广泛应用于航空航天、智能交通、汽车、医疗、教育等领域1。步进电机是广泛应用于现代自动化装置的一种微控制

2、电机，尤其是在精确的位置控制领域有着突出的优势。步进电机具有转子惯量低、定位精确度高、无积累误差、控制简单等特点，在现代工业中应用十分广泛。因此将虚拟仪器技术应用于步进电机的控制，初步了解和掌握虚拟仪器软件平台LabVIEW的编程方法，有着十分重要的意义。 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.在非超载的情况下, 电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数, 因此广泛应用于机械、电子等精密控制.步进电机并不像普通的直流电机在常规下使用.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.传统的方法是用逻辑电路或单片机实现步进电机控制, 虽然此方法可行, 但

3、由于线路复杂而且制成后不易调整, 存在一定的局限性.在某些需要对电机转动的参数进行实时修改的场合也不适用。 随着现代航空航天技术的发展,大型卫星的结构和功能日益复杂,人们对卫星系统的可靠性提出了新的要求1卫星在太空环境下通过太阳能电池阵获取能源,以步进电机为核心的驱动机构控制太阳能电池阵的转动,实现对太阳的定向跟踪,其运行稳定性直接影响卫星的性能2,3。步进电机可以将脉冲控制信号转化为对应的机械位移,没有累积误差。在一定的负载能力范围内,脉冲信号的频率决定了电机的转速,脉冲信号的数量决定了电机总的位移量。这种对应关系不会因为外界给定条件的变化而发生改变,可以在无速度传感器的系统中实现精确的开环

4、状态定位或同步运行控制4。为了延长卫星驱动系统寿命、提高驱动系统可靠性以及复杂太空环境下完成多项功能的要求,需要研发专业的电机性能测试系统5。因此,基于虚拟仪器技术LabVIEW开发平台,结合先进的传感器技术和信号处理技术,设计一套功能齐全,.性能稳定,操作灵活,交互友好并且易于二次扩展的步进电机性能测试系统,完成对卫星驱动机构中使用的高精度步进电机的全面性能测试具有十分重要的研究音 V 6,7。 针对电机性能的自动化测量技术出现已久,并经历了快速的发展。虽然针对电机性能的自动化测量技术发展迅速,但是由于一些技术性和经济性的原因,在航天军工领域的应用仍满足不了实际的生产要求。近年来随着我国航空

5、航天领域的快速崛起,电机的自动化测量领域有所进步,尤其是以LabVIEW为代表的虚拟仪器技术的出现以后8,以其快速灵活,高效准确的优势逐渐成为电机性能测试技术的主流。 转变,在测量精度和数据处理能力等方面进步显著,但是仍然存在软硬件发周期长,成高昂等缺点。近来,随着虚拟技术的快速发展,出现了基于虚拟仪器技术的新一代电机性能测试系统,尤其以美国国家仪器公司(NI,National Instrument)最为著名9。虚拟仪器技术整合了计算机资源与传统的仪器仪表技术,系统化地搭建性能测试系统,重新配置测试系统资源,将测控和管理结合在一起,缩短了开发周期。同时将原来由测量仪器厂家所定义的仪器功能转变为

6、由用户自定义来实现的测试系统,用户可以根据自身的实际测试需要自由开发更加专业的测试仪器系统。虚拟仪器的核心思想是“软件即仪器”的理念,国内外研究者基于此而设计出一系列先进的电机性能测试系统10,11。例如,中国科学技术大学的尚幕晶等人基于LabVIEW平台针对汽车仪表步进电机开发的性能测试系统12。浙江大学的姚立海等人基于虚拟仪器的DAQ模块开发的感应电机性能测试系统13。哈尔滨工业大学的程廷海等人基于LabVIEW平台开发的超声电机测试系统14等。 早期的电机测试多使用指针式仪表,人工处理数据,测试功能单一,精度较差。后来,伴随着计算机技术和数字化技术的发展,电机测试开始向自动化测试。虚拟仪

7、器的发展现状：1、 虚拟仪器(Virtual Instrument)是以计算机技术和信号处理技术为基础,结合了高效的模块化硬件和灵活的自定义软件而构成的测试系统。虚拟仪器充分利用了计算机资源,拥有极大的灵活性,有效地缩短了仪器的开发周期。虚拟仪器技术的发展已经进入了大规模实际应用阶段。美国NI公司的LabVIEW 发平台使用图形化的编程语言,通过数据流驱动的编程方式,开发灵活高效的定制化测控仪器。随着虚拟仪器技术的快速发展,惠普(HP)公司、泰克(Tektronix)公司、雷卡(Racal)公司等全球著名的仪器厂商陆续推出了多种形式的虚拟仪器设备,虚拟仪器正在逐渐替代传统仪器设备,成为测控领域

8、的主流15。虚拟仪器之所以具有如此大的优势主要归功于其通用硬件平台和灵活应用软件的特殊组成方式。2、 虚拟仪器的硬件系统虚拟仪器的硬件平台是构成虚拟仪器的基础,用来实现计算处理、数据存储、连接通讯、人机交互等功能。根据不同的虚拟仪器组成可以使用工控机、嵌入式控制器、手持式移动设备等。针对不同的硬件平台设备和釆集模块设备,还需要专门的硬件接口设备来实现两者的信息传递。以美国NI公司的硬件平台为例,根据不同的硬件采集设备和信号处理设备,需要提供不同的信号接口设备来完成对测量信号的处理和传输。根据使用总线类型的区别,主要分为:GHB系统、DAQ系统、PXI 系统、串口系统等。其中 PXI (PCI

9、Extensions for Instrumentation,面向仪器系统的PCI扩展)虚拟仪器测试系统凭借其优异的性能得到广泛的应用16。1、虚拟仪器的软件系统软件系统是虚拟仪器的灵魂,通过 发灵活高效的软件系统,实现虚拟仪器软件即是仪器的核心思想。虚拟仪器的软件系统主要有三部分组成:(1)VISA 库:VISA (Virtual Instrumentation Software Architecture,虚拟仪器软件结构)库实质就是标准I/O函数库以及与其相关规范的总称。虚拟仪器的硬件平台通过VISA库实现与高性能仪器之间的软件层连接,以此来实现对仪器设备的控制。(2)仪器驱动程序:仪器驱

10、动程序由厂家提供,用户调用仪器驱动程序,完成对特定仪器设备的通信和控制。(3)应用软件:应用软件为用户提供人机交互良好的操作界面和高效的数据分析处理功能,完成实际应用过程中的测试功能17。参考文献：1李彦锋,黄洪钟,刘宇,等.基于贝叶斯网络的卫星太阳翼驱动机构系统可靠性建模与评估J.中国科技论文,2012,7(8): 583-588.2斯祝华,刘一武.帆板驱动影响下的卫星姿态高精度高稳定度控制J.宇航学报,2010,31(12): 2697-2703.3袁家军.卫星结构设计与分析M.中国宇航出版社,2004.4王宗培.步进电动机J.电气技术发展综述,2004.5Matsuoka A, Mats

11、umura K,Kubota A, et al. Residual magnetization measurements of a motor to be used in satellites: ICMIT 2009: Mechatronics and Information Technology, 2009C.International Society for Optics and Photonics.6马兴瑞,于登云,孙京,等.空间飞行器展开与驱动机构研究进展J.宇航学报,2006,27(6): 1123-1131.7高星,王友平?太阳帆板驱动机构的现状和近期发展方向J.控制工程(北京),

12、2004(5):54-68.8Elliott C,Vijayakumar V,Zink W, et al. National instruments Lab VIEW: a programmingenvironment for laboratory automation and measurementJ. Journal of the Association for Laboratory Automation, 2007,12(1):17-24.9熊华维.基于LabVIEW的电机测试智能调压系统及其数据存储P.浙江大学,2010.10Singh P, Singh C,Singh R R. La

13、bVIEW-based cost effective multi-axis motion control system:India Conference (INDICON), 2011 Annual IEEE,2011 C. IEEE.11Kumar K V,Kumar S S. LabVIEW based condition monitoring of induction machinesJ.International Journal of Intelligent Systems and Applications (IJISA), 2012,4(3):56.12尚磊嘉,顾永刚,翟超,等.基于

14、LabVIEW的汽车仪表步进电机测试系统fl.电子测量技术,2011(12): 60-63.13姚立海,姚立敏,黄进.基于DAQ的电机测试系统J.电机电器技术,2002,3: 47-49.14程廷海,黄鹞,包钢,等.基于LabVIEW的超声电机测试系统J.传感器与微系统,2011,30(4): 114-116.15Teng J, Chan S,Lee J, et al. A LabVIEW based virtual instrument for power analyzers: Power System Technology, 2000. Proceedings. PowerCon 2000

15、. International Conference on, 2000C. IEEE.16张毅刚.虚拟仪器技术介绍J.国外电子测量技术,2006,25(6):1-6.17Manual L U. April 2003 Edition; National Instruments CorpJ. Austin, Texas,2002. 淮海工学院毕业设计（论文）开题报告2.课题的基本内容，可能遇到的困难，提出解决问题的方法和措施课题的基本内容：根据测试系统研制技术要求，查阅大量的技术资料，进行深入的调研分析后，针对卫星驱动机构使用的一个系列型号的精密步进电机研制一套基于虚拟仪器技术LabVlEW平台的

16、高精度、智能化步进电机性能测试系统。完成了测试系统的结构设计和电气设计，构建了基于LabVIEW虚拟仪器技术的采集控制系统。实现了对待测电机的驱动与控制，力矩负载和惯量负载的程控加载，完成待测参数的自动数据采集、处理、显示以及防误操作保护功能，满足研制技术要求，提高电机性能测试的准确性和测量效率。可能遇到的问题：上位机用户界面的程序的设计，下位机DSP的程序的设计提出解决问题的方法和措施： 步进电机的控制是由计算机来实现的，计算机控制步进电机的系统原理框图如图1 所示。 LabVIEW 结合单片机实现对步进电机的控制, 能直接在LabVIEW 上实现对步进电机转速及转角的控制.与传统的单片机控

17、制或LabVIEW 加运动采集卡控制相比, 具有成本低、编程简单、方便控制等优点.本系统中控制的对象为四相五线制步进电机, 但该方法也同样适用于其他类型步进电机。本文主要从以下几个方面展开研究工作:(1)电机性能测试系统的方案设计。在现有的电机性能测试系统的基础上,深入分析驱动机构电机性能测试系统的测试对象,建立测试对象步进电机的数学模型,对测试对象的结构特点、运行原理和运行特性进行分析研究。根据测试系统的测试功能和技术指标要求,针对各项性能参数的不同测量方法进行分析论证,完成了传感器和采集设备选型,明确测试原理和测试方法,在此基础上确立本文最终的电机性能测试系统的结构和方案。(2)电机性能测

18、试系统的平台搭建。根据确定的测试系统研制方案,以测试系统研制要求和制订的测试方案为基础,设计电机性能测试系统的硬件平台,主要包括测试系统的机械结构设计和电气控制设计,完成电机性能测试设备的平台搭建。(3)电机性能测试平台的控制系统设计。本文的控制系统设计主要包括硬件设计和软件设计两个部分。硬件设计主要完成了基于FPGA的底层控制电路设计,传感器的信号调理模块以及总线接口模块设计。软件设计主要完成了基于LabVIEW的测试系统控制流程和程序设计,开发了通讯接口程序,上位机人机界面程序和测试应用程序,涵盖了数据通讯,分析处理和显示保存等功能。(4)性能测试试验和数据分析。使用研制完成的电机性能测试

19、系统进行各项性能测试试验,对测试数据结果进行处理分析,评估测试电机的性能指标。步进电机的主要参数步进电机的主要参数包括:步距角、启动频率、运行频率、驱动力矩和静态力矩等(1)步距角步距角氏表示步进电机转子在每个驱动脉冲作用下所转过的角位移,通常使用机械角度来表示。对于机械结构确定的步进电机,它的步距角是固定不变的,由于步进电机的机械结构特点、加工工艺和加工精度等因素的影响,会造成实际的步距角相对于计算的步距角理论值之间存在一定的偏差,即为步进电机的静态步距角误差。(2)启动频率启动频率是指步进电机在空载状态下能够正常起动而不发生失步或者堵转的最大驱动脉冲频率。实际使用过程中,步进电机的空载启动

20、频率会伴随着转矩负载和惯量负载的增加而有所下降,此外步进电机的空载启动频率还与步距角的大小有关,步距角越小,电机的空载启动频率就越高。在一定的转动惯量负载条件下,如果电机的启动频率过高,转子的转速可能无法跟上,会引起电机的失步或振荡。歩进电机的惯频特性被用来描述转动惯量负载与步进电机启动频率之间的这种影响关系。(3)运行频率运行频率又被称为电机的连续工作频率,它表示了步进电机正常启动后,保持稳定运行状态而不发生失步或堵转时的脉冲驱动频率的最大值。通常情况下,步进电机的运行频率要远高于它的启动频率,造成这种现象的原因是电机转动惯量负载的存在,使得电机在启动过程中要比其正常运行时克服更大的转矩阻力

21、。(4) 驱动力矩(5) 驱动力矩又被称为最大转矩,表示步进电机在动态稳定运行,不发生失步或堵转时的最大输出转矩。通过对步进电机的矩频特性曲线和动态稳定区域的分析可知,为了保证步进电机的动态稳定运行,电机所能负担的转矩负载存在相应的限制,负载转矩不能超过相邻两相电机矩角特性曲线交点处的电磁转矩值。(5)静态力矩静态力矩又被称为保持转矩,表示步进电机定子绕组通电保持条件下,电机转子不转时所能输出的最大电磁转矩。通过对步进电机的矩角特性曲线和静态稳定运行区域的分析可知,静态力矩为步进电机矩角特性曲线中最大的静态电磁转拓。3.课题拟采用的研究手段（途径）和可行性分析 电机性能测试系统的方案设计。在现有的电机性能测试系统的基础上,深入分析驱动机构电机性能测试系统的测试对象,建立测试对象步进电机的数学模型,对测试对象的结构特点、运行原理和运行特性进行分析研究。根据测试系统的测试功能和技术指标要求,针对各项性能参数的不同测量方法进行分析论证,完成了传感器和采集设备选型,明确测试原理和测试方法,在此基础上