浅谈步进电机检测系统虚拟仪器技

术

 　摘要：本文主要讲述基于虚拟仪器技术构建的步进电机检测系统，采用虚拟仪器替代传
统仪器、测试软件替代硬件电路的方式，进行多通道的数据采集、分析、存储，实现了步进电
机系统的在线检测和故障诊断。

 

　　关键词：步进电机；虚拟；仪器；检测系统

 

　　一、虚拟仪器硬件的构成

 

　　虚拟仪器的硬件采用基于

PCI 总线技术的 DAQ 数据采集系统，选用的 PCI-6071E 数据

采集卡可实现对

32 个步进电机及其驱动电路和脉冲控制器的多路并行检测。 

　　检测系统主要由信号接口及虚拟仪器两部分构成

(图 1)。待测信号由控制机柜上的接口

引出，通过信号选择、调理之后送入工控机，由数据采集卡进行数据采集，并最终由数据处
理软件进行分析、显示、存储等。步进电机系统由脉冲控制器、驱动电路和步进电机等几部分
构成，根据不同的检测要求如常规检测、实时监控和故障诊断等，需要对脉冲控制器的输出、
驱动电路的输出以及电机绕组的信号分别进行检测。为更有效的利用采集卡的硬件资源以及
计算机的数据处理能力，在接口部分设置了信号选择电路，负责把需要检测的信号送入后
续系统。接口电路结构如图

2 所示，通过两个选择开关的不同组合，分别实现从驱动板输入

级引出脉冲控制器信号、从驱动板输出级引出驱动电路信号、从电机回路引出步进电机绕组
电流信号。

 

　　

 

　　信号调理电路采用运算放大器对取样电阻两端的信号进行差分运算，得到电压、电流信
号并以单端方式输出至数据采集卡。步进电机常采用方波电压驱动，从其频谱构成来看包含
一定的高频成分，属于有突变的大幅值信号，故选用

LM318 高速宽带运算放大器，其增益

带宽为

15MHz，转换速率为 70V/μs。为进一步提高待测信号的信噪比，减小软件数据处理

的难度以及减少运算量，在

LM318 的电源部分加入了 2 个 1000μF 的电解电容退耦合，在

其输出端加入了

0.2μF 的瓷片电容以滤除高频噪声。 

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2 软件设计 

　　根据模块化的编程思想，检测程序

(图 3)的结构自上而下分为主程序层、逻辑层、驱动层。

主程序层由用户界面和测试执行部分构成，逻辑层负责逻辑关系的验证以及相关决策的制
定，驱动层负责与仪器、被测设备以及其他应用程序之间的通信。软件的开发平台为

NI 公司

的

LabVIEW。检测程序的主要任务为多通道的数据采集、分析和存储，因此程序的优化及运

行效率问题都显得较为重要，在软件的开发中运用了

LabVIEW 所支持的多项先进编程技

术，如数据流、多线程、定时循环、状态机等。

 

　　

 

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3 信号处理 

　　在线数据处理主要包括运算量较小的电流、电压以及脉冲的时域分析。对于系统的运转
状态通过对对应信号的计数得到电机运转的步数、驱动板提供的电压周期数、脉冲控制器发
出的脉冲数；对于电机的运转参数通过测量电流的频率得到电机的速度曲线，对此进行微
分得到电机的加速度曲线，通过对电流进行数值积分得到电机的功率曲线。

 

　　另一方面对电流信号进行较为详细的时域分析以提供系统分析的时域特征值。使用
Peak Detector 进行信号的波峰检测得到每个周期内最高点的数值、位置等数据，以此为基础