基于AVR單片機和LabVIEW的絲桿步進電機運動控制系統(tǒng)

楊美程+楊益鈞+丁寧

摘 要：AVR單片機為核心的嵌入式系統(tǒng)，配備專用步進電機驅(qū)動器實現(xiàn)對絲桿步進電機運動的控制工作，LabVIEW軟件構(gòu)建虛擬儀器系統(tǒng)并創(chuàng)建友好交互界面。單片機和LabVIEW之間確定串口通信規(guī)則，使LabVIEW能夠發(fā)送相應(yīng)字符串到單片機從而實現(xiàn)對絲桿步進電機啟停、運動方向、運動步數(shù)的直接控制，并能夠讀取電機相關(guān)運動狀態(tài)。文章設(shè)計的絲桿電機運動控制系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定，易于操作和可移植性強的特點。

關(guān)鍵詞：單片機；LabVIEW；步進電機；串口通信

中圖分類號：TM383.6 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）23-0011-02

1 概述

絲桿步進電機，又稱線性步進電機，由于其特殊的機械機構(gòu)和工作機理，在日常實驗研究及工業(yè)生產(chǎn)等相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展創(chuàng)新，對于絲桿步進電機運動的控制方法已經(jīng)不僅僅只限于單種技術(shù)的使用，而是多技術(shù)混合，結(jié)合各自的獨特優(yōu)勢來實現(xiàn)最優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計。本系統(tǒng)以AVR單片機為核心搭建硬件工作電路，LabVIEW軟件創(chuàng)建虛擬儀器系統(tǒng)，解決了步進電機工作噪聲較大，控制操作不便等問題。

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由裝有LabVIEW軟件的計算機，AVR單片機、電機驅(qū)動器和絲桿步進電機組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

其中本系統(tǒng)中選用美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的2014版LabVIEW軟件，LabVIEW是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，可以方便地建立自己的虛擬儀器，利用其編寫的上位機程序控制下位機；下位機選用ATMEL公司 中8位系列單片機的ATmega128系列單片機，該款單片機穩(wěn)定性極高，功耗也很低，單片機與計算機之間通過USB線連接；電機驅(qū)動器選用TB6600型號的兩相式步進電機驅(qū)動器，可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，通過3位撥碼開關(guān)選擇7檔細分控制，3位撥碼快關(guān)選擇8檔電流控制，能達到低振動、小噪聲、高速度的效果；絲桿步進電機選用機身長度40mm，相電流1.7A，保持轉(zhuǎn)矩43N·cm，導(dǎo)程8mm的42絲桿步進電機。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

本系統(tǒng)是一種絲桿步進電機運動控制系統(tǒng)，最終可通過LabVIEW直接發(fā)送控制絲桿步進電機啟停、運動方向以及運動步數(shù)的命令，并能讀取電機相關(guān)運動狀態(tài)。要完成上述功能需要單片機硬件控制電機、單片機與LabVIEW串口通信和LabVIEW狀態(tài)機三個基本功能的實現(xiàn)。

3.1 單片機硬件控制電機

步進電機的運動離不開PWM波的使用，因此將AVR單片機中定時器T0處于8位快速PWM工作模式，可產(chǎn)生高頻的PWM波形。根據(jù)本系統(tǒng)中絲桿電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)及實際應(yīng)用情況，經(jīng)過一系列的測試，定時器T0工作在系統(tǒng)8分頻頻率下，初值TCNT0設(shè)為0，輸出比較寄存器值OCR0設(shè)定為0x7F，此時相應(yīng)引腳能夠輸出占空比50%，頻率5.68KHz的PWM方波。將PWM方波輸入到驅(qū)動器PUL+脈沖信號輸入端，驅(qū)動器電機繞組連接端子與電機兩相相連，通過細分控制和電流控制撥碼開關(guān)的選擇，使絲桿步進電機在細分工作方式下運動，本系統(tǒng)中選擇32細分可達到6400脈沖/轉(zhuǎn)，單步螺桿螺距相對運動0.025mm，此時電機運動平滑，穩(wěn)定，噪聲小。對于電機運動方向的控制，單片機通過直接控制電機驅(qū)動器DIR電機正反轉(zhuǎn)控制端的電平變化即可實現(xiàn)。單片機、電機驅(qū)動器和絲桿步進電機連接如圖2所示。

AVR單片機嵌入式系統(tǒng)根據(jù)收到的步數(shù)指令使電機運動相應(yīng)的步數(shù)，且能夠?qū)?dāng)前運動步數(shù)發(fā)送出去。本系統(tǒng)設(shè)置定時器T1定時間隔8.25ms，定時到來記一次步數(shù)且根據(jù)方向標(biāo)志位確定步數(shù)的加或減。單片機收到步數(shù)指令后先判斷該指令步數(shù)與當(dāng)前電機運動步數(shù)的大小來確定電機運動方向，隨后使電機運動相應(yīng)步數(shù)，并在收到讀取步數(shù)指令后將當(dāng)前步數(shù)發(fā)送出去。

3.2 單片機與LabVIEW串口通信

首先確定單片機與LabVIEW異步串口通信基本規(guī)則，本系統(tǒng)中波特率設(shè)置2400bps，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，無奇偶校驗位、停止位和終止符。編寫單片機串口通信初始化，發(fā)送字符串，接收字符串以及中斷服務(wù)函數(shù)，使單片機能接收到相應(yīng)指令字符串執(zhí)行相應(yīng)動作，并發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)。

LabVIEW中使用儀器I/O工具包中串口相關(guān)函數(shù)完成串口通信。其中使用VISA配置串口函數(shù)連接單片機設(shè)備并配置相關(guān)通信參數(shù)；VISA寫入函數(shù)寫入緩沖區(qū)接線端連接需要寫入的命令字符串；利用Byte at Port屬性節(jié)點返回輸入緩沖區(qū)已存在的字節(jié)數(shù)，并連接到VISA讀取函數(shù)字節(jié)總數(shù)接線端，避免讀函數(shù)一直處于等待狀態(tài)，阻塞讀進程，導(dǎo)致線程中的其他操作無法進行；VISA讀取函數(shù)讀取緩沖區(qū)接線端能輸出從指定設(shè)備中讀取到的字符串?dāng)?shù)據(jù)；最后使用VISA關(guān)閉函數(shù)釋放設(shè)備會話空間從而完成設(shè)備間的通信。

3.3 LabVIEW狀態(tài)機

LabVIEW狀態(tài)機對于不同事件的動作是通過在循環(huán)結(jié)構(gòu)中放置事件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的，本系統(tǒng)所用LabVIEW狀態(tài)機的程序框圖如圖3所示。在本系統(tǒng)中要實現(xiàn)對絲桿步進電機啟停、運動方向、運動步數(shù)的直接控制，并讀取相關(guān)運動狀態(tài)，則共需要創(chuàng)建五個事件結(jié)構(gòu)，分別為“上升”值改變結(jié)構(gòu)，內(nèi)有上升布爾控件及“U”字符串；“下降”值改變結(jié)構(gòu)，內(nèi)有下降布爾控件及“D”字符串；“讀取步數(shù)”值改變結(jié)構(gòu)，內(nèi)有讀取步數(shù)布爾控件及“A”字符串；“寫入步數(shù)”值改變結(jié)構(gòu)，內(nèi)有寫入步數(shù)布爾控件及步數(shù)值字符串；“停止”值改變結(jié)構(gòu)，內(nèi)有停止布爾控件及“S”字符串。

4 系統(tǒng)工作調(diào)試

計算機、單片機、電機驅(qū)動器和絲桿步進電機等設(shè)備組裝完整系統(tǒng)，以AVR單片機為核心的嵌入式系統(tǒng)及LabVIEW狀態(tài)機設(shè)計完成后，對系統(tǒng)進行工作調(diào)試。運行程序后，點擊上升控件則步進電機以每步螺桿螺距相對運動0.025mm的速度正轉(zhuǎn)運動，點擊下降控件則以相同速度反轉(zhuǎn)，當(dāng)前狀態(tài)顯示控件能夠顯示當(dāng)前運動狀態(tài)，點擊讀取步數(shù)控件能夠顯示當(dāng)前運動的步數(shù)，而點擊寫入步數(shù)控件并給定步數(shù)值后電機也會工作相應(yīng)狀態(tài)，選擇停止控件電機停止運動。程序運行過程中通訊指示燈都會處于點亮狀態(tài)。

5 結(jié)束語

本文提出的一種基于AVR單片機和LabVIEW的絲桿步進電機運動控制系統(tǒng)，以AVR單片機為核心的嵌入式系統(tǒng)結(jié)合電機驅(qū)動器完成對步進電機的硬件控制，LabVIEW創(chuàng)建的虛擬儀器系統(tǒng)通過和嵌入式系統(tǒng)間的串口通信完成對絲桿步進電機的直接控制，且LabVIEW操作界面交互性強，操作簡單。此系統(tǒng)是絲桿步進電機運動的基本操作系統(tǒng)，因此具有很強的移植性，可直接應(yīng)用于基于絲杠步進電機的工件檢測臺等裝置或其他相關(guān)研究領(lǐng)域。

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