基于LabVIEW 步进电机PID控制系统的设计

　　陈东，姚成法

　　(西北工业大学航空学院，陕西西安710072)

　　摘要：文中给出了基于LabVIEW 的步进电机PID控制系统的设计方法，着重介绍了程序设计方法。系统具有良好的软件交互界面，编程简单，控制效果良好，有实际应用价值。

　　关键词：步进电机;LabVIEW;PID控制O

　　前 言

　　步进电机是工业过程中一种能够快速启动、反转和制动的执行元件。其功能是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位移。步进电机的运转是由电脉冲信号控制的，其角位移量与脉冲数成正比，每给一个脉冲，步进电机就转动一个角度(步距角)。步进电机旋转的角度由输入的电脉冲数确定，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机正反转的目的。正是因为步进电机具备上述特点，它已经被广泛地用于数控机床、精密旋转和线性位移系统中，在步进电机控制系统设计中，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，但由于线路复杂而且制成后不易调整，因此存在一定的局限性。该系统采用虚拟仪器图形化编程软件I.abVIEW实现对步进电机的位置控制，为了取得较好的控制效果，采用PID控制算法。系统有较好的人机交互界面，编程简单，根据不同的要求可随时调整控制方式。

　　1 系统组成及工作原理

　　系统由一台计算机、一台步进电机装置、一块数据采集板及步进电机驱动电路板组成，如图l所示。

　　在步进电机装置上，步进电机的轴连接蜗杆传动减速机构，再通过齿轮和皮带部分，将电机的圆周运动转换成皮带的直线运动。皮带直线运动的位移量用指针和刻度尺来量化表示。皮带移动同时带动一只多圈电位器(位移传感器)转动，位移传感器输出的电压可定量地表示步进电机的角位置量，电机的角位置量可由电机负载指针将位置直观地表示出来。该指针在0～16 cm的行程范围内运动，对应的位置反馈电压范围为0～5 V。计算机通过采集位移传感器输出的反馈电压，就可得到当前电机负载指针位置，与指定指针位置比较，得到位置偏差，采用PID控制算法可得控制量，通过数据采集板的DIO控制电机向指定位置运动。

　　2 系统软件设计

　　步进电机控制系统程序流程如图2所示，首先采集当前步进电机负载指针位置，得出当前位置与指定位置的偏差，当偏差 图2 程序流程图小于稳态误差(偏差≤0.02 cm)，则控制步进电机自锁(位置控制完成)，当偏差大于稳态误差，则通过PID算法得到控制量，控制步进电机向指定位置运动。系统编程采用LabVIEW软件，其应用程序由3部分组成：前面板、框图程序和图标/连接器。图3为步进电机控制系统前面板，图4为步进电机控制系统框图程序。从框图程序中可知，整个程序结构是一个while循环，其内部结构分为4个模块：数据采集及数字滤波模块;位置比较及波形显示模块;PID控制算法模块;电机运转方向和速度控制模块。下面介绍各模块的设计方法。