基于圆度和圆柱度测量虚拟仪器的步进电机控制系统-毕业论文外文翻译

英文原文ControlsystemofsteppermotorbasedonroundnessandcylindricitymeasuringvirtualinstrumentQIFa-Quna，JINGXue-Dongb，HEKAIc,a*aSchoolofMechanicalandElectronicEngineering，ShaanXiUniversityofscienceandtechnology，Xi’an,710021,ChinabShanghaiInstituteofTechnology,shanghai,201418,ChinacWESTERNMETALMATERIALSCO.,LTD，baoji,721014,ChinaAbstractThecontrolsystemusesLABVIEWasthesoftwaredevelopmentplatform.ThesystemincludesADLINKmotioncontrolcardPCI-8134,LEETROsteppermotordriversDMD402A,andtableswithLEETRODM4240Asteppermotors.ThesystemusesADLINKPCI-8134tosendsteppingpulsesignalPULanddirectionlevelsignalDIRtocontrolthesteppermotor’srotationangleanddirection,achievingthemotor’positiveandnegativerotation,acceleration,constantspeedanddeceleration,thenachievingtheradialmotionoftable’sZ-axisslideralongthesurfaceofthemeasuredpart,theaxialmotionofX-axisslideralongthesurfaceofthemeasuredpartandthespindlerotationforthemeasurementofroundnessandcylindricity.©2011PublishedbyElsevierLtd.Selectionand/orpeer-reviewunderresponsibilityof[CEIS2011]Keywords:Steppermotorcontrol;LABVIEW;VirtualInstrumentIntroductionThesteppermotorismainlyusedinopen-loopcontrolsystem.Becauseofitssimplestructure,reliability,wellcontrolled,anti-interferenceability,noaccumulatederroranddirectdigitalcontrol,thesteppermotoriswidelyusedinautomaticcontrolsystems.Inthedesignofsteppermotorcontrolsystem,thetraditionalmethodistouselogiccircuitsorsinglechiptocontrolsteppermotor,conditioningtheinputanalogsignalsandconvertingthesignalsintodigitalsignalsbytheA/D,thenamicroprocessorinaccordancewiththefunctionrequirementdoesnecessaryanalysisandprocessingonthecollecteddata,andthentheprocesseddataisstoredanddisplayedoroutputtheanalogsignalsconvertedbyD/A.Butthetraditionalsystemhasproblemssuchasslowsamplingrate,lowcontrolprecision,longdevelopmentcycleandPoorportability.TheuseofvirtualinstrumentgraphicalprogrammingsoftwareLABVIEWtocontrolsteppermotorhasadvantagessuchassimplehardwarestructure,simpleprogramming,friendlyinterface,theportableprogram.InthispaperLABVIEWisusedtodevelopathree-axissteppermotorcontrolsystem.SotheDM4240Atwo-phasehybridsteppingmotorandDMD402AsteppermotordriverproducedbyLEETROareselectedinthisproject.Steppermotorcontrolsystem2.1.HardwarecomponentsSteppermotorcontrolsystemhardware,showninfig.1,consistsofcomputers(withLABVIEW8.6applications),ADLINK8134motioncontrolcard(32位PCIbus,cancontrolupto4axis),LEETRODMD402Asteppermotordriver(withchoppingfrequencyof20KH,drivecurrentrangeof0.25A~2A),LEETRODM4240Asteppermotor(withsteppingangleof1.8ｏ,phasecurrentof0.85A,statictorqueof16N.cm,momentofinertiaof57g.cm2,weightof240g)andself-mademini-tablebody.Becauseonlythreeaxesontheworkbenchisneededtobecontrolled,soonlythreepinsofmotioncontrolcardisused,showninfig.1.Fig.1.Schematicofsteppermotorcontrolsystem2.2.ConnectionMethodInthedevice,thesteppermotoriscontrolledbysingle-endedconnection.ItshouldbeawareofasfollowingwhenthemotorislinkedtothemotioncontrolcardADLINKPCI-8134bydirection,pulseandgroundcontrolEtc.WiringmethodShowninfig.2Fig.2.WiringMethodsJumpersofPCI-8134motioncontrolcard:Motioncontrolcard’sj1-j8connecttothe2-3terminals.Motordriver’sresistanceshouldnotbelessthan4.7KΩ.Becausethecurrentthroughthemotioncontrolcardmustnotbemorethan20mA,soa4.7KΩresistorshouldbeinseries.2.3.SoftwareDevelopmentToolsThesystemsoftwareisdevelopedbyLABVIEW8.6.TheprogrampreparedbyLABVIEWplatformknownastheVI,eachofwhichincludesthefrontpanelandrearpanel.Thefrontpanel,whichisthehuman-computerinteractioninterface,providesalargenumberofgraphicaldisplaycontrolsanddatainputcontrols,mainlytocompletetheinitialdatainputandresultsdisplay.Blockprogramofrearpanelconsistsofports,node,frameandconnection.Portsareusedtotransmitdata.Thenodesareusedtoachievethefunctionsandcallthefunction.Theframeisusedtoimplementstructuredprogrammingcontrol.Connectionpresentsstreamofdataduringtheprogramexecution.2.4.SteppermotorspeedandpositioncontrolAsADLINKPCI-8134motioncontrolcardcannotdirectlymatchLABVIEWsoftware,themotionfunctionsprovidedbymanufacturerscanbecalledonlyafteritisimportedintotheuserlibrary.Motionfunctionlibrarycontainsawealthofmotionfunctions,inthepaperweselecttheStart-tas-move()movementmoduletocontrolthemotor’sspeedandposition.Thefrontpanelshowninfig.4Fig.3.Frontpanelofmotor’sspeedandpositioncontrolThenumberunderaxisisthenumberoftheaxiswhichisundercontrolled.Therelationshipofaxisnumberwiththeaxisontheworkbenchisdeterminedbythespecificconnection.ExistCardsmeanstheexistnumbers.max-velmeansthemaximumrunningrateofthemotor.tr-velmeanstheinitialrateofmotor.Tsaccmeansmotor’sacceleratingtimeinthecurvesegment.Tsdecmeansthemotor’sdeceleratingtimeinthecurvesegment.Tlaccmeansthemotor‘sacceleratingtimeinthestraightline.Tldecmeansthemotor’sdeceleratingtimeinthestraightline.posmeansthemotor’srunningdistance.Errormeanserrorsofmotorshownduringrunning.ErrorOutmeanstheinitializationstateoftheboard.ThereasonfortheStart-tas-move()movementmoduleisselectedtocontrolthemotor’sspeedandpositionisthatthemovementmodulecangivetheS-curvemotionprofiletomotorasitsspeedcurve,showninFigure4,whichcanreducetheimpactofthemotorandextendtheservicelifeofthemotor.Fig.4.steppermotorspeed-timecurveParametersinfig.4meanings:max-velisthemaximumrate;tr-velistheinitialrateofmotor;Tsaccismotor’sacceleratingtimeinthecurvesegment;Tsdecisthemotor’sdeceleratingtimeinthecurvesegment;Tlaccisthemotor‘sacceleratingtimeinthestraightline;Tldecisthemotor’sdeceleratingtime.Therelationshipbetweenthem,suchasthefollowingformula:max_vel=str_vel+accel*(Tlacc+Tsacc)⎫str_vel=max_vel+decel*(Tldec+Tsdec)⎬⎭Intheformula,accelanddecelrepresenttheaccelerationanddeceleration.Parametersaresetonthesoftwarefrontpanelaccordingtotherelationshipbetweentherateandtime,implementingthemotorbyopen-loopcontrol.2.5.steppermotor’sforwardandreversecontrolForwardandreverseofthesteppermotorarecontrolledbytheBooleancontrolvariable,switchedtotheforwardposition,theforwardsignalisoutputtedorswitchedtoreverseposition,reversesignalisoutputted.Fig.5.programdiagramofthesteppermotor’sforwardandreverse.TherightoneInthefig.5,ExistCardsmeanstheexistcard’snumber,axisisthenumberoftheaxiswhichisundercontrolled.Tr-velmeanstheinitialrateofmotor,max-velmeansthemaximumrunningrateofthemotor,posmeansthemotor’srunningdistanceandErrorOutmeanstheinitializationstateoftheboard.CorrespondingprogramdiagramshowninFigure5,thedesignstepsareasfollows:Initializethecardnumberandaxisnumber;Feedbackinitializationerror;Displaythemotor’sstate;Determinetheforwardandreversesignal;Settheinitialrate,maximumrateanddistanceofmotormovement;Movementbacktotheoriginofcoordinateswhenthemovementisfinished;Displaytheerrors;ExperimentalconclusionsInthispaper,thesteppermotor’scontrolsystemisfunctionalunitoftheroundnessandcylindricitymeasuringvirtualinstrument.Bycalculatingtherelationshipbetweenthesensor’sacquisitionrateandthesteppermotor’sspeed,achievingthesteppermotor’sopen-loopcontrol,finallygettingthecollectionofthereliabledataandreliableoperationofsubsystems,ensuringtheimplementationofthesystemfunction.Thecontrolprogramofthemotoriseasytobemodifiedandexpanded,portabletotheothertestsystembasedontheLABVIEWsoftwaredevelopmentplatform.AstheLABVIEWisusedtodevelopthesteppermotorcontrolsystem,wehavealotofadvantages,suchasthesoftwareprogrammingissimple,man-machineinterfaceisfriendlyandeasyusercontrol.CopyrightAllauthorsmustsigntheTransferofCopyrightagreementbeforethearticlecanbepublished.ThistransferagreementenablesElseviertoprotectthecopyrightedmaterialfortheauthors,butdoesnotrelinquishtheauthors'proprietaryrights.Thecopyrighttransfercoverstheexclusiverightstoreproduceanddistributethearticle,includingreprints,photographicreproductions,microfilmoranyotherreproductionsofsimilarnatureandtranslations.Authorsareresponsibleforobtainingfromthecopyrightholderpermissiontoreproduceanyfiguresforwhichcopyrightexists.ReferencesZONGWANG,GUOZhen-ming.MotorLearning[M].HarbinEngineeringUniversityPress(FifthEdition),2005,p.226-247JINGXue-dong,XUBin-shi,WANGChen-taoEtc.Virtualinstrumenttechnologyanditsapplications[J].JOURNALOFSHAANXIUNIVERSITYOFSCIENCE&TECHNOLOGY,2007:25（2）,P.128-132MAOJi-qing,YUNNai-peng,MENGXUANEtc.LABVIEW-quicklybuiltweaponofsteppermotorcontrolsystem[J].ElectricMachines&ControlApplication,2009:36（1）,p.31-52XUXiao-dong,ZHENDui-yuan,XIAOWU.LABVIEW8.5commonfeaturesandprogrammingexamplesearnestly[M].ElectronicIndustryPress,2009.WANGHong-yu.IntroductionofStepperMotor’sControlTechnology[M].TONGJIUNIVERSITYPRESS,1990.LIUJun-hua,GUOHui-jun.DesignofVirtualinstrumentbasedonLABVIEW[M].ElectronicIndustryPress,2003,P.12-113CHENFang-quan,LIJian-zhou,MAShi-wenEtc.Steppermotordriver’sdesignanditsapplicationbasedonLABVIEW[J].JOURNALOFSHANGHAIUNIVERSITY,2006:12(1),P.89-92.

中文译文基于圆度和圆柱度测量虚拟仪器的步进电机控制系统作者：齐发群，景学东，何凯机械电子工程，陕西科技大学，西安，710021，中国B.中国上海科技研究所，上海，201418，中国C.西部金属材料有限公司，宝鸡，721014，中国摘要基于圆度和圆柱度测量虚拟仪器的步进电机控制系统是采用LABVIEW作为软件开发平台的。该系统主要由三部分组成，即凌华运动控制卡PCI-8134、乐创步进电机驱动器DMD402A以及与乐创DM4240A配套的步进电机。该系统采用凌华科技PCI-8134发送步进脉冲信号PUL和方向电平信号DIR来控制步进电机的旋转角度和方向，从而实现电机的正转、反转、加速、恒速和减速的功能，然后完成沿被测工件表面上的Z轴滑动件的径向运动，最后依据被测工件的表面和主轴的旋转圆度以及圆柱度来完成测量X轴的滑动件的轴向运动的任务。引言通常来讲，步进电机主要是用在开环控制的系统中。由于具有结构简单，可靠性高，易于控制，抗干扰能力强，无积累误差并且可以实现直接数字控制等优点，步进电机被广泛应用于自动控制系统。在步进电机控制系统的设计中，传统的方法是使用逻辑电路或单个芯片来控制步进电机，调节所输入的模拟信号，再通过A/D转换将该信号转换成数字信号，然后利用微处理器按照功能的需求对所得数字信号进行必要的分析，处理所收集的数据，最后将处理后的数据进行存储和显示或者将转换的D/A中的模拟信号进行输出。但是众所周知，传统的系统存在很多的问题，如采样频率慢，控制精度低，开发周期长和可移植性差等。利用虚拟仪器图形化编程软件LABVIEW在控制步进电机时则具有很多传统系统不具有的优点，如简单的硬件结构，简单的编程，友好的界面，可移植的程序等。本文中的LABVIEW主要用于开发一个三轴步进电机控制系统，所以在我们在这个项目中选择使用由乐创生产的DM4240A两相混合式步进电机和相应的DMD402A步进电机驱动器。步进电机控制系统步进电机控制系统的硬件，如图1所示，由计算机（使用LABVIEW8.6的应用程序）、凌华运动控制卡PCI-8134（32位PCI总线，最多可以控制4轴）、乐创DMD402A步进电机驱动器（斩波频率为20KH，驱动电流范围为0.25〜2A），乐创DM4240A步进电机（1.8度的步距角，0.85A的相电流，16N·cm的静力矩，转动惯量为57g·cm2，重为240g）以及自制的微型表体组成。因为本实验在工作台上只有三个轴需要进行控制，所以选择使用只有三个引脚的运动控制卡，即PCI-8134。具体原理如下图1所示。图1步进电机控制系统的原理图2.2.连接方法在该装置中，我们可以看出步进电机是被单端连接所控制的。实验中，当电动机通过方向、脉冲和地面控制等被连接到凌华科技生产的运动控制卡PCI-8134时，应当加以注意。下面的图2为实验的接线方法。PCI-8134MOTIONCONTROLDMD402AMOTORDRIVERCARDTERMINALSTERMINALSDUT—------------PALSEDIR—------------DIRDRG------------DRGGND------------GND图2接线方法运动控制卡的跳线：运动控制卡的J1-J8连接到端子2-3，电机驱动器的电阻应不小于4.7KΩ。由于电流通过运动控制卡PCI-8134时不得超过20毫安，所以至少应当串联这样一个4.7kΩ大的电阻。2.3.软件开发工具该系统软件是由LABVIEW8.6开发的。其中程序通过被称为VI的LABVIEW平台编写，它的每个VI都包括一个前面板和一个后面板。在前面板上，具有一个人机交互界面，它提供了大量的图形显示控件和数据输入控件，主要完成初始数据的输入和结果的显示。后面板的块程序由端口，节点，框架和连接组成。它们的作用分别如下：端口是用来传输数据的；节点被用于实现调用函数的功能；框架则是用来实现结构化编程控制的；在程序执行过程中连接所呈现的数据流，连接则将各独立部分连接起来。2.4.步进电机的速度和位置控制由于凌华科技PCI-8134运动控制卡不能直接匹配我们所说的LABVIEW软件，所以只有把制造商提供的运动功能导入到用户库后系统才可以调用并实现所提功能。运动函数库包含了丰富的运动功能，在本文中我们选择Start-tas-move()移动模块来控制电机的速度和位置。图3所示为前面板。图3控制电机速度和位置的前面板下轴的数量是指它在控制轴的数量。而轴数与工作台轴线的关系是由特定的连接决定的。存在卡的数量即意味着存在数。MAX-VEL表示电动机的最大运行速度。TR-VEL表示电机的初始速率。Tsacc表示在曲线段电机的加速时间。Tsdec表示在曲线段的电机的减速时间。Tlacc表示在直线电机的加速时间。Tldec表示在直线电机的减速时间。POS则意味着电机的运行距离。错误是指在运行过程中显示的电动机错误。错误输出是指电路板的初始化状态。Start-tas-move()这一移动组件之所以被选择用来控制电机的速度和位置的原因是由于运动模块可以给电动机提供S型曲线运动轮廓，以作为电动机的速度曲线，如图4所示。这可以大大减少对电动机的影响，从而延长电动机的使用寿命。图4步进电机的速度-时间曲线图4中各参数的含义：max-vel表示指最大速率;TR-VEL表示电机初始速率;Tsacc表示在曲线段电机的加速时间;Tsdec表示在曲线段电机的减速时间;Tlacc表示电机的加速时间在直线上;Tldec表示电机的减速时间。各变量之间存在相互联系，它们的关系如下列公式所示：Max_vel=str_vel+accel*(Tlacc+Tsacc)str_vel=max_vel+decel*(Tldec+Tsdec)该式中的acc和dec是加速和减速全称的缩写。参数在软件前面板上的设置是根据速度和时间之间的关系确定的，以实施电动机的开环控制。2.5步进电机的正转和反转控制步进电机的正转和反转是由布尔控制变量控制的，即切换到前进位置时，正向信号被输出，如果转换到反向位置，则反向信号被输出。图5步进电机前面板的正向和反向控制。左图所示。在图5中的ExistCards上，TR-VEL表示电机的初始速率，max-vel意味着电机的最高运行速度，pos意味着电机的运行距离和错误输出是指电路板的初始化状态。存在卡上的号码，轴数是指它的受控制的轴的数量。对应于图5中所示的程序框图，该设计步骤如下所示：初始化卡号和轴号；反馈初始化错误；显示电动机的状态；判断前向和反向信号；设置初始速率，最大速率和电机的运动距离等参数；运动完成后移回原点；显示执行中存在的错误。3.实验结论在本文中，步进电机的控制系统是由圆度和圆柱度测量虚拟仪器的功能单元所组成的。通过计算传感器的采集速率和步进电机的速度之间的关系，来实现步进电机的开环控制，最终获得可靠数据和可靠子系统的操作集合，保证了系统功能的正常执行。电机的控制程序可以很容易地被修改和扩展，也可移植到基于LABVIEW软件开发平台的其他测试系统中。由于LABVIEW是用于开发步进电机控制的系统，它具有很多的优点，如简单的硬件结构，简单的软件编程，友好的人机界面以及可移植的程序等。版权所有作者必须在文章发表之前签署版权的转让协议。该转让协议使ElsevierScience可以保护作者的版权材料，但不会放弃对作者的专有权利。版权转让协议需要涵盖可以复制和分发文章的独家代理权，包括重印、照相复制品、缩微胶片或类似性质和翻译的任何其他复制品。作者负责从著作权人那里获得许可，以及获得复制现存的有版权的任何数据等。5.参考文献[1]宗王，郭珍明。电机学[M]。哈尔滨工程大学出版社（第五版），2005年，第226页—247页[2]景学东，徐滨士，王辰涛，等。虚拟仪器技术及其应用[J]。陕西理工学院科技学报（自然科学版），2007：25（2），第128页-132页[3]毛继清，云乃鹏，孟玄，等。LABVIEW-快速构建步进电机控制系统的利器[J]，电机与控制应用，2009：36（1），第31页-第52页[4]许晓东，甄兑元，小吴。LABVIEW8.5的共同特点和编程实例[M]。电子工业出版社，2009[5]王红雨，步进电机的控制技术的引言[M]。同济大学出版社，1990[6]刘钧华，郭晖军。基于LABVIEW的虚拟仪器设计[M]。电子工业出版社，2003，第12页-113页[7]陈方全，李建周，马世文，等。基于LABVIEW的步进电机驱动器的设计与应用[J]。上海大学学报，2006:12（1），第89页-92页基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实