基于proteus的步进电机仿真

（2）步进电机的换向控制
如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转。若步进电机的励磁方式为三相六拍，即A→AB→B→BC→C→CA→A。如果按反序通电换相，A→AC→C→CB→B→BA→A，则电机就反转。其他方式情况类似。
（3）步进电机的速度控制
如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率，就可以对步进电机进行调试。
bit direction=1; //方向标志
基于proteus的步进电机仿真
摘要：步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛应用于工业机械的数字控制，为使系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优，根据控制系统功能要求及步进电机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从而实现了基于8051单片机的四相步进电机的开环控制系统。控制系统通过单片机存储器、I/O接口、中断、键盘、LED显示器的扩展、步进电机的环形分频器、驱动及保护电路、人机接口电路、中断系统及复位电路、单电压驱动电路等的设计，实现了四相步进电机的正反转，急停等功能。人们用它来驱动时钟和其他采用指针的仪器，打印机、绘图仪，磁盘光盘驱动器、各种自动控制阀、各种工具化的关键产品之一，被广泛应用在各种自动化控制系统中，随着微电子和计算机技术的发展，它的需要量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件，由于其精度高、体积小、控制方便灵活，因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用，大规模集成电路的发展以及单片机技术的迅速普及，为设计功能强，价格低的步进电机控制驱动器提供了先进的技术和充足的资源。为实现单片机控制步进电机系统在数控机床上的应用，系统设计了两个外部中断，以实现步进电机在某段时间内的反复正反转功能，也即数控机床的刀架自动进给运动，随着单片机技术的不断发展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，自六十年代初期以来，步进电机的应用得到很大的提高。
在本次设计方面也非常的感谢丁老师，丁老师孜孜不倦的给我们理论知识的教学，是我们能够很好地理解这方面的知识，对我们的设计也是有很大的帮助。在此对丁老师说声：谢谢！
七
[1]徐薇莉，曹柱中．控制理论与设计[M]．上海：上海交通大学出版社．2003．
[2]黄坚．自动控制原理及其应用[M]．北京：高等教育出版社，2004．
关键词：proteus 仿真四相步进电机 拍数
一、
Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：
①实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。
sbit K1 = P3^2; //运行与停止
sbit K2 = P3^3; //设定圈数
sbit K3 = P3^4; //方向转换
sbit K4 = P3^5; //速率调整
sbit LCD_RS = P2^0;
sbit LCD_RW = P2^1;
sbit LCD_EN = P2^2;
bit on_off=0; //运行与停止标志
图2单片机最小系统电路图
2、步进电机选择
步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上是一种单相或多相同步电动机。单相步进电动机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。本设计使用的是四相三拍步进电机，连接图如下：
图3步进电机接线图
图4步进电机驱动电路
4、显示电路
LCD显示模块是把LCD显示屏、背景光源、线路板和驱动集成电路等部件构造成1个整体作为1个独立部件使用，只留1个接口与外部通信。显示模块通过这个接口接收显示的命令和数据，并按指令和数据的要求进行显示，外部电路通过这个接口读出显示模块的工作状态和显示数据。1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和日文假名等，每1个字符都有1个固定的代码。用户对模块写入适当的控制命令，即可完成清屏、显示、地址设置等操作。设计采用并行方式控制，LCD与单片机的通讯接口电路采用直连的方法。
（5）步进电机的加减速控制
在步进电机的控制系统中，通过实验发现，如果信号变化太快，步进电机由于惯性跟不上电信号的变化，这时就会产生堵转和失步现象。所有步进电机在启动时，必须有加速过程，在停止时波形有减速过程。理想的加速曲线一般为指数曲线，步进电机整个降速过程频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。选定的曲线比较符合步进电机升降过程的运行规律，能充分利用步进电机的有效转矩，快速响应性好，缩短了升降速的时间，并可防止失步和过冲现象。在一个实际的控制系统中，要根据负载的情况来选择步进电机。步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率”，于此类似“停止频率”是指系统控制信号突然关断，步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应，有了这些数据，才能有效地对电机进行加减速控制。加速过程有突然施加的脉冲启动频率f0。步进电机的最高启动频率（突跳频率）一般为0.1KHz到3~4KHz，而最高运行频率则可以达到N*102KHz，以超过最高启动频率的频率直接启动，会产生堵转和失步的现象。
（4）步进电机的起停控制
步进电机由于其电气特性，运转时会有步进感。为了使电机转动平滑，减小振动，可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波，可以减小步进电机的步进角，跳过电机运行的平稳性。在步进电机停转时，为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑，则需采用合适的锁定波形，产生锁定磁力矩，锁定步进电机的转轴，使步进电机转轴不能自由转动。
unsigned char code REV[8]={0xf6,0xf7,0xf3,0xfb,0xf9,0xfd,0xfc,0xfe}; //正转
//unsigned char code FFW[8]={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09}; //反转
//unsigned char code REV[8]={0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01}; //正转
三
整个设计以STC89C51单片机为中心，由复位电路，时钟电路，电机驱动，步进电机，显示电路等组成，通过按键进行相应的参数设定，单片机接收到信号后经过判断驱动电机驱动模块，然后由驱动电路驱动步进电机运转，并用1602显示设置的参数。硬件模块如图2-1所示：
图1硬件模块图
四
1、主控器的选择
按照题目要求本次主控单元使用C51单片机对整个系统进行控制。STC89C51RC包含512字节RAM、32条I/O口线、3个16位定时/计数器、8输入4优先级嵌套中断结构、1个串行I/O口（可用于多机通信、I/O扩展或全双工UART）以及片内振荡器和时钟电路。此外，由于器件采用了静态设计，可提供很宽的操作频率范围（频率可降至0）。可实现两个由软件选择的节电模式、空闲模式和掉电模式。空闲模式冻结CPU，但RAM、定时器、串口和中断系统仍然工作。掉电模式保存RAM的内容，但是冻结振荡器，导致所有其它的片内功能停止工作。由于设计是静态的，时钟可停止而不会丢失用户数据。运行可从时钟停止处恢复。所以该单片机可以满足系统要求，电路图如下：
（6）步进电机的换向控制
步进电机换向时，一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内在换向，以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第一个脉冲前发出。对于脉冲的设计主要要求其有一定的脉冲宽度、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。在某一高速下的正、反向切换实质包含了降速→换向→加速3个过程。
3、驱动电路的选择
驱动模块我们使用集成驱动芯片ULN2003，给芯片是高耐压、大电流达林顿管由七个硅NPN达林顿管组成。该电路的特点如下：ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。1脚输入，16脚输出，你的负载接在VCC与16脚之间，不用9脚。电路图如图：
④具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。
二、步进电机原理
（1）换相顺序的控制
通电换相这一过程称为脉冲分配。例如，三相步进电机在单三拍的工作方式下，其各相通电顺序为A→B→C→A，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C相的通断。三相双三拍的通电顺序为AB→BC→CA→AB，三相六拍的通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A。
图6按键接连接图
五
软件流程图
图7系统流程图
六
本次仿真设计是采用模块程序设计，首先是将逐个模块调好以后，再进行系统程序总调试。这样才能保证最终调试的时候不至于发现不了错误。在仿真时时利用仿真软件Proteus及KeilC5l进行调试。设计的整个系统实现了能程序设定和显示步进角、步进方向和步进速度，支持用开关量单独控制步进电机的转向，转速等。在硬件电路方面，设计的简单可靠，控制灵活，成本低，可操作性强。经过仿真、实验验证，本系统对步进电机的各项控制能达到比较理想的效果，具有较高的实用价值。通过此次课程设计，我们不仅将知识融会贯通，能够很好的运用仿真软件，而且在查找资料的过程中也懂得了怎样进行筛选有用的资料，使自己在专业知识方面和动手动脑的能力方面有了很大的提高，让我们学会了理论和实践的有效结合。