步進電動機加減速定位控制的數(shù)字信號仿真

向濤峰

摘要：步進電動機運用廣泛，易于實現(xiàn)自動數(shù)字控制。本文針對步進電動機起動容易出現(xiàn)的“失步”現(xiàn)象，采取加減速定位控制的方法，并利用Proteus軟件建立了步進電機加減速定位控制的電路仿真模型，在Keil軟件下進行源程序編譯和聯(lián)調(diào)仿真。仿真結果顯示在該種控制方法下，步進電機運行效果良好。

關鍵詞：步進電動機 “失步”現(xiàn)象 加減速定位控制 Proteus Keil

中圖分類號：TM341 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）08-0001-02

步進電動機是一種用脈沖控制的電機，利用單片機的四個8位可編程I/O口很容易對其實現(xiàn)數(shù)字控制。基于微控制器控制的步進電動機系統(tǒng)，易于控制，易于定位，在精確控制中特點尤為突出[1]。步進電動機以數(shù)字信號來驅(qū)動。若每旋轉一圈以10個勵磁信號來計算，則每個勵磁信號能使步進電動機前進36°。旋轉角度與脈沖數(shù)成正比，正反轉則由勵磁脈沖順序來控制。步進電動機的勵磁方式有1相勵磁、2相勵磁及1～2相勵磁三種方式。1～2相勵磁法為1相與2相輪流交替導通，屬于半步進的方式。因分辨率提高，且運轉平滑，每一步可走18°，故被廣泛采用。若以其控制步進電動機正轉，其勵磁順序見表1。若勵磁信號反向，則步進電動機反轉。

1 步進電動機加減速定位控制原理

針對步進電動機因起動頻率過高可能造成的“失步”（失去同步）現(xiàn)象，我們可以通過加速→恒定高速→減速→恒定低速→鎖定，就可以既快又穩(wěn)地準確定位，如圖1所示。

用單片機對步進電動機進行加減速控制，實際上就是控制每次換相的時間間隔。升速使脈沖逐漸加密，減速時則相反。若單片機使用定時器中斷方式來控制電動機的速度，那么加減速控制實際上就是不斷改變定時器的裝載值的大小。

2 利用Proteus進行仿真電路設計

Proteus[2]是電路分析軟件，特別適合單片機等自動控制系統(tǒng)的分析和仿真。Keil[3]軟件是和該電路分析軟件配套使用的編程軟件。

本文介紹的方案是以51單片機為控制器，將單片機產(chǎn)生的數(shù)字控制信號加在電機驅(qū)動模塊芯片上以控制步進電機。通過操作按鍵，實現(xiàn)步進電機的正反轉及步數(shù)設置，設計方案采用了PWM技術來控制步進電機，不斷改變單片機的數(shù)字控制信號來改變步進電機的轉速。運用軟件與硬件相結合的控制方法，實現(xiàn)單片機對步進電機的加減速定位控制。硬件電路框圖如圖2所示，電路由以下部分組成：顯示模塊、AT89C51單片機、按鍵模塊、電機驅(qū)動模塊ULN2003A和步進電機。

3 仿真效果

參照圖2，在Proteus軟件的環(huán)境環(huán)境下，搭建仿真電路如圖3所示。圖中，U1為單片機AT89C51，LCD1為顯示模塊，KEY1～KEY3為按鍵模塊，U2為電機驅(qū)動模塊ULN2003A，示波器A、B、C、D端口分別測試單片機提供給步進電機的4路數(shù)字控制信號。在Keil環(huán)境下進行源程序編譯和聯(lián)調(diào)仿真，按照加減速定位控制原理編寫源程序，編譯生成擴展名為“.HEX”的目標代碼文件。在Proteus中，雙擊單片機AT89C51，在其中選取Keil下生產(chǎn)的目標代碼文件。設置時鐘頻率，開始仿真，可以看到步進電機的運轉平穩(wěn)。加速階段PWM控制波形如圖4（a）～（d）所示，其中（c）和（d）之間省略了在40脈沖/s至9990脈沖/s的各檔頻率仿真波形。仿真波形顯示，在加速過程中，PWM脈沖控制信號逐步加密（其中圖a～c的時間軸單位長度為20ms，圖d的時間軸單位長度為20us），即頻率在逐步提高，直到10000脈沖/s。同時步進電機轉速也在逐步提高。減速階段的PWM控制波形與加速階段的PWM控制波形變化恰好相反，PWM脈沖控制信號逐步稀疏，直到10脈沖/s。同時步進電機轉速也在逐步降低。恒定高速或恒定低速階段，PWM脈沖控制信號維持頻率最高或最低恒定不變。同時步進電機轉速也維持最高或最低恒定不變。運用Proteus和Keil對步進電機控制進行了加減速定位控制的軟硬件的設計。仿真結果表明：采用加減速定位控制方法的步進電機控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，步進電機可以平穩(wěn)的加減速或恒速運行，避免了失步現(xiàn)象。控制步進電機的數(shù)字信號清晰有規(guī)律，并且與理論分析一致。

4 結語

本文針對可能出現(xiàn)的“失步”問題，采取加減速定位控制原理，并利用仿真軟件進行仿真，方便的得出比較滿意的控制效果。計算機仿真等數(shù)字技術的應用，對于分析和解決問題起到了事半功倍的作用。

參考文獻

[1]康健，王國戰(zhàn)，劉靜，盧超.Proteus環(huán)境下步進電機的控制研究[J].湖南工程學院學報，2010（3）：31.

[2]張靖武，周靈彬.單片機系統(tǒng)的Proteus設計與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[3]陳艷，李娜娜，楊永雙.Proteus和Keil在單片機教學中的應用[J].科技教育創(chuàng)新，2009（20）：194.