虚拟仪器课程设计-步进电机角位移转为直线位移的位置测量与控制系统设计.docx

中南大学虚拟仪器课程设计报告设计题目 步进电机角位移转为直线位移 的位置测量与控制系统设计（DAQ） 指导老师 吴* 设计者 000 专业班级 测控14级0*班*号 设计日期 2017年5月 目 录第一章 系统设计的目的及要求11.1 设计目的11.2 系统设计要求11.3 总体设计方案1第二章 系统硬件构成2 2.1 硬件设计总述2 2.2 硬件模块简介2第三章 系统软件设计43.1 软件设计概述43.2 LabVIEW设计总体介绍43.3 主要功能模块设计4第四章 系统调试与总结9 4.1 遇到的问题及解决办法9 4.2 缺陷说明9 4.3 总结10参考文献11第1章 系统设计的目的及要求1.1 设计目的在学习和了解虚拟仪器及总线技术与LabVIEW开发平台的基本原理和方法的基础上，将理论与实践相结合，深入了解虚拟仪器技术及LabVIEW编程技术在工程常见领域的测量与分析的应用，提高将虚拟仪器、测试技术和电子、机械、通讯等多学科的综合应用能力和实际动手能力。1.2 系统设计要求设计一个利用DAQ卡进行数据读写的步进电动机角位移转为直线位移的位置测量与控制系统。 应用DAQ卡的DI口及AI口采集直线位移的位置信号，通过DAQ卡的DO及AO输出口控制步进电动机速度与方向；根据位置反馈信号，来调节步进电动机的运行速度与方向，实现步进电动机的角位移转为直线位移的位置测量与控制。控制精度为1mm。具体要求如下： 1. 手动控制：可通过实验箱上的按钮来调节指针的位置； 2. 自动控制：输入位置的设定值，可以自动调节步进电机的转速和方向， 使得指针停靠在刻度尺上的给定值；3. 显示：波形图表、显示控件实时显示当前位置、采样电压、转动方向和校正值。1.3 总体设计方案 本设计结合步进电机控制技术、数据采集技术和虚拟仪器技术开发了一种基于LabVIEW的步进电机角位移转为直线位移的位置测控系统,该系统采用普通PC机为主机，利用图形化可视测试软件LabVIEW为软件开发平台,将步进电机的角位移转换为刻度尺上的直线位移进行数据采集，实时进行处理、显示。并用以控制步进电机的速度和方向。 本系统通过传感器得到反映位置信息的模拟电压信号后，经DAQ采集卡送入电脑进行数字滤波处理，在进行标度变换和非线性校正之后进行显示和控制。 系统数据及其运算通过while循环进行不断采集、更新与运算；时间显示由“格式化时间/日期字符串”在while中不断刷新实现；第2章 系统硬件构成2.1 硬件设计总述2.1.1 整体结构总述本系统主要由机电实验平台（包括步进电机控制接口、位置传感器等）、DAQ数据采集卡和计算机组成,原理框图如图2.1所示。图2.1 系统整体结构框图2.1.2 硬件接线要求 1. 机电一体化模块(1) A、B、C、D端分别连接DAQ的DIO0、DIO1、DIO2、DIO3；(2) PI0、PI1端分别连接DAQ的DIO4、DIO5；(3) IN0、GND端分别连接DAQ的电源和地端； 2. DAQ调试打开NI MAX，点击 我的系统-设备和接口-NI PCI-6024E”Dev2”-测试面板-数字I/O，进行调试，点击开始，DAQ对应口的指示灯亮或灭，说明 DAQ 连接正确可以正常使用。2.2 硬件模块简介2.2.1 传感器 当步进电动机运转时，通过传动部分，带动机电平台上的电位器旋转，电位器输出模拟量，通过A/D转换采集数据。电位器输出模拟量与指针位置成近似线性关系，也就是说，A/D采集的数字量，就反应出指针所指示的位置。2.2.2 数据采集将得到的电压送到数据采集卡中进行数据采集，再将数据送入计算机，由计算机利用软件平台(LabVIEW)进行控制和处理。数据采集卡（DAQ）主要由多路开关、放大器、采样保持器和A/D转换器等组成，它们与定时/计数器、总线接口电路等做在一块印刷电路板上,完成对被测信号的采集、放大和模/数转换任务。数据采集（DAQ）是指从传感器和其他待测设备等模拟或数字单元中自动采集信息的过程。数据采集系统是结合基于计算机的测量软件硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。一个完整的DAQ系统包括传感器或交换器、信号调理设备、数据采集和分析硬件、计算机、驱动程序和应用软件等。当然，很多设备制造商已经把传感器、信号调理甚至DAQ卡即成为标准的设备，这种情况下用户不再需要考虑传感器、信号调理和DAQ卡，而只需要考虑如何与硬件设备通信以及如何开发上层应用程序。2.2.3 步进电机控制步进电动机是用电脉冲进行控制的电机，改变脉冲输入频率，就可以改变电机的速度；改变通电顺序，即改变定子磁场旋转的方向，就可以达到控制步进电动机正反转目的。 1.运行速度的控制从图2.2可以看出，当改变电脉冲的周期，ABCD四相绕组高低电平的宽度将发生变化。这就导致通电和断电的变化率发生变化，使电机转速改变，所以调节电脉冲的周期就可以控制步进电机的运转速度。 2.运转方向的控制从图2.2仍可看出，步进电机以四相单四拍方式工作时，按ABCDA次序通电时，为正转；如按ADCBA次序通电时，为反转。图2.2 步进电机四相单四拍控制时序第3章 系统软件设计3.1 软件设计概述Labview能把复杂、繁琐、费时的语言编程简化成“用图表提示的方法选择功能块、用线条将各种功能块连接起来”的编程方式。用户利用Labview编程就好像在“绘制”程序流程图。正式由于Labview面向的是广大普通工程师而非编程专家，因而其已成为目前应用最广、发展最快、功能最强、最流行的虚拟仪器开发平台。3.2 LabVIEW设计总体介绍利用DAQ卡的模拟量输入通道将机电一体化平台的位置传感器所产生的相应电压值进行采集，进行中值滤波即得本设计最关键的位置电压信号，接下来就是通过对电压信号的一系列运算，得出实验所需参数及其相关显示。系统数据及其运算由while循环进行不断采集、更新与运算；时间显示由“格式化时间/日期字符串”在while中不断刷新实现；内容输入由前面板输入控件及条件结构等实现。3.3 主要功能模块设计3.3.1 用户登录模块 用户登录子vi（log in.vi）用以对用户身份进行认证，其人机交互采用弹窗式对话结构，用户点击运行箭头后，根据提示输入用户名和密码，输错弹出对话框，可以选择继续输入或者退出系统，正确则直接进入并且运行步进电机控制vi（main.vi）。登录子vi前面板和程序框图如图3.1所示。图3.1 登录子vi前面板和程序框图用户名：gl 密码：0904；登录对话框如图3.2所示，如输错用户名或密码会有提示信息。图3.2 登录对话框和密码输错提示3.3.2 数据采集与显示模块 硬件平台的连接决定了输入输出通道为Dev2/ai0。图3.3 数据采集程序框图采集得到的电压值经过中值滤波器（逐点）进行数字滤波，标度变换（40mm/V）之后，送至数值显示控件和波形图表。数字滤波程序如图3.5所示。图3.4 中值滤波器（逐点）的帮助信息图3.5 数据滤波及显示程序3.3.3 控制输出模块 根据步进电机四相单四拍时序控制的要求，由采样所得的实际位置与设定位置进行比较，得出正反转的控制信号，图3.6给出了反转（刻度尺左行）的程序框图。右行同理。图3.6 步进电机A-B-C-D-A时序的控制程序框图改变时间延迟可以改变步进电机转动的快慢，经过实际实验之后，将步进电机转速分为四个等级。由位置的偏差调整转速。偏差大于20mm转速较快，偏差在10-20mm，转速适中，偏差小于10mm转速稍慢，偏差小于5mm转速最低。图3.7 根据偏差分级调速的程序框图3.3.4 非线性校正模块电位器输出的采样电压为0-4V，理想情况下线性地对应刻度尺上的位置为0-160mm。标定时发现不同的位置区间存在不同的非线性误差，因此需要进行校正。如图所示。图3.8 双行程的标定曲线针对不同的位置段，其非线性校正值有所不同。图3.9 非线性校正程序框图3.3.5 前面板设计前面板设计时力求在功能丰富使用的基础上兼具简洁朴素的风格。因此对一些控件进行了修饰。前面板如图3.10。图3.10 前面板第四章 系统调试与总结4.1 遇到的问题及解决办法 1.在设定位置处频繁调节理想情况下，刻度尺的指针到达设定位置后应停止调节。然而，受到采样电压波动等影响，实际位置会在设定位置附近有微小的波动，进而造成频繁的调节。为了解决这个问题，设置了一个允许的误差范围（控制死区），经过不断的调试，发现将允许误差设置为0.7比较合适。2. 无扰切换的问题从前面板可以看到有自动/手动的选项卡。为了在从手动切换到自动的过程中实现无扰动运行，在程序中增加了手动状态时将实际位置赋值给设定位置的部分，可以解决这个问题。3. 波形图表的显示刷新太快难以观察 在初期的版本中，未对波形图表进行任何设置，因而刷新很快。后来在老师和同学的帮助下，对波形图表添加了网格，并且进行了相关设置，不仅使得问题得到解决，更增加了前面板的美观性。4.2 缺陷说明1.根据位置偏差调速，然而未对转速进行显示本次课程设计中，步进电机的调速通过调节控制脉冲的频率进行调节，然而未测量具体频率下的转速值，只对转速给出了一个定性的描述。可以通过固定固定位置测时间的方法进行转速测量，以进行改进。2. 登录的用户名和密码无法更改由于本次设计的系统登录子vi的用户名和密码由字符串常量的形式嵌入在程序框图中，未设计相关的修改用户名和密码的vi，因此用户名和密码一经确定不能更改。3. 控制方式单一 对于步进电机的控制，不仅有四相单四拍，还有四相双四拍、四相八拍等可以选择，本次设计未对其他控制方式进行探索，所以控制方式单一。在改进时可以加入其他的控制方式以供选择。4.3 总结 本设计是基于虚拟仪器的步进电机位置测控系统的软件设计部分，与硬件设计部分结合而成的一个整体。根据功能要求，先将整个软件系统模块化，按照不同功能划分为四大基本模块：登录模块、数据采集与显示模块、校正模块和控制输出模块。在每个功能模块设计完成后，将它们组合在一个主程序中，并对程序进行了一些必要的处理，如采集数据的滤波，增强程序的抗干扰能力等，最终基本实现了完整的程序系统设计。 对于虚拟仪器的系统设计，前面板上各个组件的排版与美化是非常重要的，应该在清晰直观的前提下将整体风格进行美化，以给用户一个舒适的使用过程。 本次课设从界面设置到程序框图，都由我亲自动手完成，在这个过程中也遇到了很多困难，比如找不到一些组件或者窗口显示不正常等等，但最终一一克服。这使我们感觉到课上所学的知识还远远满足不了实际需要，这就要通过具体的实例，逐步加深labview更深层次组件的学习和理解，从实践中积累经验，从而掌握更好的技能。也从这一点让我们感觉到虚拟仪器的功能还有很多很多不为我们所知的地方，从而发现自己的不足，在将来的实践中应努力学习，做到真正掌握这门实用的语言。 每一个课程设计都是动手锻炼和检验所学知识的最好手段，因此我们应该紧紧抓住这些机会，从中学到一些