步进电动机加减速定位控制的数字信号仿真

向涛峰

摘要：步进电动机运用广泛，易于实现自动数字控制。本文针对步进电动机起动容易出现的“失步”现象，采取加减速定位控制的方法，并利用Proteus软件建立了步进电机加减速定位控制的电路仿真模型，在Keil软件下进行源程序编译和联调仿真。仿真结果显示在该种控制方法下，步进电机运行效果良好。

关键词：步进电动机 “失步”现象 加减速定位控制 Proteus Keil

中图分类号：TM341 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）08-0001-02

步进电动机是一种用脉冲控制的电机，利用单片机的四个8位可编程I/O口很容易对其实现数字控制。基于微控制器控制的步进电动机系统，易于控制，易于定位，在精确控制中特点尤为突出[1]。步进电动机以数字信号来驱动。若每旋转一圈以10个励磁信号来计算，则每个励磁信号能使步进电动机前进36°。旋转角度与脉冲数成正比，正反转则由励磁脉冲顺序来控制。步进电动机的励磁方式有1相励磁、2相励磁及1～2相励磁三种方式。1～2相励磁法为1相与2相轮流交替导通，属于半步进的方式。因分辨率提高，且运转平滑，每一步可走18°，故被广泛采用。若以其控制步进电动机正转，其励磁顺序见表1。若励磁信号反向，则步进电动机反转。

1 步进电动机加减速定位控制原理

针对步进电动机因起动频率过高可能造成的“失步”（失去同步）现象，我们可以通过加速→恒定高速→减速→恒定低速→锁定，就可以既快又稳地准确定位，如图1所示。

用单片机对步进电动机进行加减速控制，实际上就是控制每次换相的时间间隔。升速使脉冲逐渐加密，减速时则相反。若单片机使用定时器中断方式来控制电动机的速度，那么加减速控制实际上就是不断改变定时器的装载值的大小。

2 利用Proteus进行仿真电路设计

Proteus[2]是电路分析软件，特别适合单片机等自动控制系统的分析和仿真。Keil[3]软件是和该电路分析软件配套使用的编程软件。

本文介绍的方案是以51单片机为控制器，将单片机产生的数字控制信号加在电机驱动模块芯片上以控制步进电机。通过操作按键，实现步进电机的正反转及步数设置，设计方案采用了PWM技术来控制步进电机，不断改变单片机的数字控制信号来改变步进电机的转速。运用软件与硬件相结合的控制方法，实现单片机对步进电机的加减速定位控制。硬件电路框图如图2所示，电路由以下部分组成：显示模块、AT89C51单片机、按键模块、电机驱动模块ULN2003A和步进电机。

3 仿真效果

参照图2，在Proteus软件的环境环境下，搭建仿真电路如图3所示。图中，U1为单片机AT89C51，LCD1为显示模块，KEY1～KEY3为按键模块，U2为电机驱动模块ULN2003A，示波器A、B、C、D端口分别测试单片机提供给步进电机的4路数字控制信号。在Keil环境下进行源程序编译和联调仿真，按照加减速定位控制原理编写源程序，编译生成扩展名为“.HEX”的目标代码文件。在Proteus中，双击单片机AT89C51，在其中选取Keil下生产的目标代码文件。设置时钟频率，开始仿真，可以看到步进电机的运转平稳。加速阶段PWM控制波形如图4（a）～（d）所示，其中（c）和（d）之间省略了在40脉冲/s至9990脉冲/s的各档频率仿真波形。仿真波形显示，在加速过程中，PWM脉冲控制信号逐步加密（其中图a～c的时间轴单位长度为20ms，图d的时间轴单位长度为20us），即频率在逐步提高，直到10000脉冲/s。同时步进电机转速也在逐步提高。减速阶段的PWM控制波形与加速阶段的PWM控制波形变化恰好相反，PWM脉冲控制信号逐步稀疏，直到10脉冲/s。同时步进电机转速也在逐步降低。恒定高速或恒定低速阶段，PWM脉冲控制信号维持频率最高或最低恒定不变。同时步进电机转速也维持最高或最低恒定不变。运用Proteus和Keil对步进电机控制进行了加减速定位控制的软硬件的设计。仿真结果表明：采用加减速定位控制方法的步进电机控制系统工作稳定，步进电机可以平稳的加减速或恒速运行，避免了失步现象。控制步进电机的数字信号清晰有规律，并且与理论分析一致。

4 结语

本文针对可能出现的“失步”问题，采取加减速定位控制原理，并利用仿真软件进行仿真，方便的得出比较满意的控制效果。计算机仿真等数字技术的应用，对于分析和解决问题起到了事半功倍的作用。

参考文献

[1]康健，王国战，刘静，卢超.Proteus环境下步进电机的控制研究[J].湖南工程学院学报，2010（3）：31.

[2]张靖武，周灵彬.单片机系统的Proteus设计与仿真[M].北京：电子工业出版社，2007.

[3]陈艳，李娜娜，杨永双.Proteus和Keil在单片机教学中的应用[J].科技教育创新，2009（20）：194.