摘 要

步进电机作为除伺服电机外，应用最为广泛的动力及控制装置，其使用价值和研究价值是不言而喻的。本次针对步进电机的研究是为了设计一个基于虚拟仪器平台的测控系统，用以对步进电机的扭矩、驱动电压以及绕组电流进行采集分析。本次设计的测控系统包括基于虚拟仪器LabVIEW的上位机，采用STM32单片机的下位机，以及电流、电压、光电门传感器。下面为本次研究的主要成果：

1.对步进电机相关物理量的检测方法进行了设计。分析设计要求测量步进电机的物理量，其中驱动电压、绕组电流可以使用电压、电流传感器直接检测获得，而对于扭矩数据，考虑成本、精度等多方面因素而采用间接测量的方式，利用光电门测量电机转速再通过与电压、电流等相关量的关系在上位机LabVIEW程序中换算得到。

2.对下位机STM32单片机的控制程序进行了设计。使用了KeilC软件和库函数编程方式，实现了下位机STM32单片机对电机的控制、传感器数据的捕获以及与上位机的数据传输。

3.对虚拟仪器检测软件进行了设计。采用了美国NI公司的LabVIEW图形化虚拟仪器软件，实现了与下位机的数据传输，以及对采集数据的解析、处理、显示以及存储。

4.通过实验验证和结果分析，表明本次基于虚拟仪器的步进电机测控系统设计实现了设计要求的对步进电机驱动电压、绕组电流以及扭矩数据的采集、处理和存储。

关键词：步进电机；扭矩检测；电压电流检测；虚拟仪器

Abstract

Stepping motor is the most widely used power and control device besides servo motor. Its application value and research value are self-evident. The research of stepping motor is to design a measurement and control system based on virtual instrument platform, which is used to collect and analyze the torque, driving voltage and winding current of stepping motor. The measurement and control system of this design includes the upper computer based on virtual instrument LabVIEW, the lower computer of STM32 microcontroller, and the current, voltage and photoelectric door sensor. The following are the main results of this study:

1. the method of measuring the relative physical quantity of stepping motor is designed. Analysis of the design requirements of the stepper motor measurement of physical quantity, the driving voltage, winding current voltage and current sensor can be used for direct detection, and torque data, considering the various factors of cost and precision and by indirect measurement methods, measured speed amount motor using photoelectric door again with the voltage and current related quantities the conversion in the PC LabVIEW program.

2. design the control program of STM32 microcontroller for lower computer. Using KeilC software and library function programming mode, it realizes the control of the motor, the capture of the sensor data and the data transmission with the host computer by the STM32 controller of the lower computer.

3. design the virtual instrument inspection software. The LabVIEW graphical virtual instrument software of American NI company is used to realize data transmission with lower computer, and to analyze, process, display and store data.

4. through the experiment and result analysis show that the virtual instrument based on the stepper motor control system design and implementation of stepper motor drive voltage, winding current and torque data acquisition, processing and storage of design requirements.

Key words: stepper motor; torque detection; voltage and current detection; virtual instrument

目录

第一章 绪论 1

1.1 国内外研究现状 1

1.2 研究内容与目的 2

第二章 方案设计 3

2.1 整体方案设计 3

2.1 方案的论证 4

第三章 硬件设计 5

3.1 单片机核心板 5

3.1.1 ADC数据处理 6

3.1.2 PWM信号的生成和输入捕获 6

3.1.3 数据的下位机存储和传输 6

3.2 数据采集部分 7

3.2.1 电流传感器的选择 8

3.2.2 电压传感器的选择 9

3.2.3 转速传感器的选择 10

3.3 电机控制及驱动部分 11

3.3.1 步进电机的选择 11

3.3.2 电机驱动器的选择 11

3.4 硬件设计小结 12

第四章 软件设计 13

4.1 上位机程序设计 13

4.1.1 VISA通讯模块 14

4.1.2 数据接收处理模块 15

4.1.3 数据发送处理模块 16

4.1.4 时间显示模块 16

4.1.5 数据存储模块 17

4.1.6 显示模块 18

4.2 下位机程序设计 18

4.2.1 ADC处理程序 19

4.2.2 输入捕获程序 19

4.2.3 电机控制程序 20

4.2.4 DMA存取程序 20

4.2.5 串口通讯程序 21

4.2.6 主程序设计 22

4.3 软件设计小结 22

第五章 设计验证及误差分析 23

5.1 设计验证 23

5.2 误差分析 24

第六章 总结与展望 28

6.1 总结 28

6.2 展望 28

参考文献 29

附录A 电路原理图 30

附A1 STM32F103RCT6核心板原理图 30

附A2 检测及控制部分电路原理图 30

附录B 上位机前面板及程序框图 30

附录C 下位机程序清单 30

附C1 ADC处理程序 30

附C2 PWM生成及输入捕获程序 30

附C3 串口程序 30

附C4 延时程序 30

附C5 系统程序 30

附C6 主程序 30

致谢 31

1. 绪论

伴随着工业化自动化的不断推进，电机在作为动力供应装置的同时在控制领域上的需求也在不断增长。然而随着大规模集成电路的广泛使用，普通的交直流电机已经无法满足工业中对稳定性和可控性的要求，而与电磁铁技术同时代产生但未普及使用的步进电机技术展现出了它的优势，其输出角度与输入脉冲数、转速与输入脉冲频率有着严格的同步关系——正比关系，且不存在有累积误差^[1][2]。因此步进电机又被称为脉冲电机。

正因为步进电机具有这样良好的特性，充分满足了数字控制电路发展的条件。与结构复杂、稳定性较差的模拟控制电路相比，数字控制电路具有制造成本较低、易于自动化生产、稳定性好、体积小和结构简单的优点，因此工业化自动化发展的进程中，模拟控制电路逐步被性能更优越、成本更低廉的数字控制电路所替代是一种发展趋势。而在整个发展进程中，步进电机的广泛应用将会加快推动数字控制电路代替模拟控制电路，进而加快推进工业化自动化的发展。因此实际应用中，步进电机有利于设备的小型化和低成本化，并被广泛的应用于包装机械、计量仪器、医疗器械、食品加工的多个领域。

1. 国内外研究现状

由于电力电子方面的技术快速成长，生产生活中对步进电机的控制要求也在不断提高，其相应的测控系统的设计也在持续革新^[3]。从最开始的由纯硬件组成的环形分配器控制，到MCS-51系列为代表的单片机控制，再到现在的通过基于虚拟仪器软件平台的控制。对于步进电机而言，其测控系统从单一硬件设计到软硬结合设计的发展进一步提升了对其测控的精确程度^[4][5]。

国内目前主要实现以单片机或PLC来控制步进电机，其电路结构较复杂，硬件连接后不易修改、灵活性较差，不能实时的满足用户对控制系统的要求，同时由于编程存在一定难度，对非专业技术人员来说不易掌握。但随着美国NI公司推出了LabVIEW图形化虚拟仪器软件平台，国内在对步进电机测控系统的研究越来越多的向虚拟仪器这个平台上发展^[6]。