向濤峰

摘要：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)用廣泛，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)數(shù)字控制。本文針對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)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(jìn)電機(jī)加減速定位控制的電路仿真模型，在Keil軟件下進(jìn)行源程序編譯和聯(lián)調(diào)仿真。仿真結(jié)果顯示在該種控制方法下，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行效果良好。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電動(dòng)機(jī) “失步”現(xiàn)象 加減速定位控制 Proteus Keil

中圖分類號(hào)：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）08-0001-02

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種用脈沖控制的電機(jī)，利用單片機(jī)的四個(gè)8位可編程I/O口很容易對其實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制?；谖⒖刂破骺刂频牟竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，易于控制，易于定位，在精確控制中特點(diǎn)尤為突出[1]。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以數(shù)字信號(hào)來驅(qū)動(dòng)。若每旋轉(zhuǎn)一圈以10個(gè)勵(lì)磁信號(hào)來計(jì)算，則每個(gè)勵(lì)磁信號(hào)能使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)前進(jìn)36°。旋轉(zhuǎn)角度與脈沖數(shù)成正比，正反轉(zhuǎn)則由勵(lì)磁脈沖順序來控制。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式有1相勵(lì)磁、2相勵(lì)磁及1～2相勵(lì)磁三種方式。1～2相勵(lì)磁法為1相與2相輪流交替導(dǎo)通，屬于半步進(jìn)的方式。因分辨率提高，且運(yùn)轉(zhuǎn)平滑，每一步可走18°，故被廣泛采用。若以其控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，其勵(lì)磁順序見表1。若勵(lì)磁信號(hào)反向，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。

1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)加減速定位控制原理

針對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)因起動(dòng)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(zhǔn)確定位，如圖1所示。

用單片機(jī)對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行加減速控制，實(shí)際上就是控制每次換相的時(shí)間間隔。升速使脈沖逐漸加密，減速時(shí)則相反。若單片機(jī)使用定時(shí)器中斷方式來控制電動(dòng)機(jī)的速度，那么加減速控制實(shí)際上就是不斷改變定時(shí)器的裝載值的大小。

2 利用Proteus進(jìn)行仿真電路設(shè)計(jì)

Proteus[2]是電路分析軟件，特別適合單片機(jī)等自動(dòng)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(jī)為控制器，將單片機(jī)產(chǎn)生的數(shù)字控制信號(hào)加在電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊芯片上以控制步進(jìn)電機(jī)。通過操作按鍵，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及步數(shù)設(shè)置，設(shè)計(jì)方案采用了PWM技術(shù)來控制步進(jìn)電機(jī)，不斷改變單片機(jī)的數(shù)字控制信號(hào)來改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。運(yùn)用軟件與硬件相結(jié)合的控制方法，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)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(jī)、按鍵模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊ULN2003A和步進(jìn)電機(jī)。

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(jī)AT89C51，LCD1為顯示模塊，KEY1～KEY3為按鍵模塊，U2為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊ULN2003A，示波器A、B、C、D端口分別測試單片機(jī)提供給步進(jìn)電機(jī)的4路數(shù)字控制信號(hào)。在Keil環(huán)境下進(jìn)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(kuò)展名為“.HEX”的目標(biāo)代碼文件。在Proteus中，雙擊單片機(jī)AT89C51，在其中選取Keil下生產(chǎn)的目標(biāo)代碼文件。設(shè)置時(shí)鐘頻率，開始仿真，可以看到步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)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(hào)逐步加密（其中圖a～c的時(shí)間軸單位長度為20ms，圖d的時(shí)間軸單位長度為20us），即頻率在逐步提高，直到10000脈沖/s。同時(shí)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)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(hào)逐步稀疏，直到10脈沖/s。同時(shí)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)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(hào)維持頻率最高或最低恒定不變。同時(shí)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速也維持最高或最低恒定不變。運(yùn)用Proteus和Keil對步進(jìn)電機(jī)控制進(jìn)行了加減速定位控制的軟硬件的設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明：采用加減速定位控制方法的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，步進(jìn)電機(jī)可以平穩(wěn)的加減速或恒速運(yùn)行，避免了失步現(xiàn)象?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)的數(shù)字信號(hào)清晰有規(guī)律，并且與理論分析一致。

4 結(jié)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(jìn)行仿真，方便的得出比較滿意的控制效果。計(jì)算機(jī)仿真等數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用，對于分析和解決問題起到了事半功倍的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]康健，王國戰(zhàn)，劉靜，盧超.Proteus環(huán)境下步進(jìn)電機(jī)的控制研究[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（3）：31.

[2]張靖武，周靈彬.單片機(jī)系統(tǒng)的Proteus設(shè)計(jì)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(jī)教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技教育創(chuàng)新，2009（20）：194.