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基于PROTEUS的单片机对步进电机运动控制仿真

发表时间:2013/6/18 李明 来源:万方数据
本文针对步进电机在各领域上越来越广泛的应用,提出了用单片机AT89C51控制运行四相步进电机方法,由于实验室里进行设计,受到场地、仪器和元件等的限制,提出了用Proteus进行仿真的方法。该软件不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能,还能仿真单片机及外围器件,它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具,使设计时间大为缩短,学校的资源得以非常好的利用。

0 引言

    步进电动机是一种将数字式电脉冲信号转换成机械角位移的机电信号,它的机械角位移与输入的数字脉冲信号有着严格的对应关系:即一个脉冲信号可以使步进电动机前进一步。步进电动优点多,如可以直接实现数字控制,控制性能好,无摩擦,抗干扰能力强,误差不长期积累,具有自锁能力和保持转矩的能力。在数控机床、医疗器械、仪器仪表机器人等设备中得到了广泛的应用。由于它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口很容易实现对步进电机的控制。

1 四相步进电机的控制原理

    1.1 控制要求:①能对转速和步数进行控制;②可实现电机的正反转控制。

    1.2 转速和步数的控制单四拍也叫一相励磁,特点是精度好,功耗小,但输出转矩小,振动较大。步距角等于电机标称的步距角:双四拍也叫二相励磁,特点是输出转矩大,振动小,但功耗大。步距角等于电机标称的步距角;除此之外还有一二相励磁,特点是分辨率高,运转平滑。步距角为电机标称的1/2。本文对双四拍进行介绍,步进电机的转速取决于输入的脉冲频率。从图1可以看出,当改变输入脉冲的周期时,ABCD四相绕组高低电平的宽度将发生变化。这就导致通电和断电变化的速率发生变化,使电机转速发生变化。所以调节输入脉冲的周期就可以控制步进电机的运动速度,改变脉冲数量就可以控制步数。

步进电机线圈

    图1 步进电机线圈

    1.3 正、反转控制步进电机的正、反转控制可通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向,四相双四拍步进电机通电顺序为AB-BC-CD-DA-AB……时电机正转;当绕组按AD-DC-CB-BA-AD……顺序通电时电机反转。如表1所示。

    表1 双四拍运行相序

双四拍运行相序

2 以AT89C51芯片为核心的硬件设计

    单片机AT89C51作为系统的主控单元,它接收外界按钮给出的控制信号,包括正反转、速度档位等信号,通过处理,由外围驱动器对步进电机进行控制。

    2.1 输入、输出口控制使用PO口扩展方式,K1~K2为正反转控制按钮,K3~K8为从低至高转速控制。步进电机的输入输出都通过PO口进行连接。其中输入口采用7415244,该集成是一种施密特触发的3态8位缓冲器,抗干扰能力强,一般用作总线驱动器和并行输入口。当它的19脚OE控制端为低电平时,输出等于输入(直通),当控制端接高电平时,输出呈高阻态。74LS244没有锁存的功能。地址锁存器就是一个暂存器,它根据控制信号的状态,将总线上地址代码暂存起来,地址设为8200H;输出口采用7415273,该集成是一种带清除功能的8D触发器,1D~8D为数据输入端,1Q~8Q为数据输出端,正脉冲触发,低电平清除,常用作数据锁存器,地址锁存器,第一脚WR:主清除端,低电平触发,即当为低电平时,芯片被清除,输出全为0(低电平);CP(CLK):触发端,上升沿触发,即当CP从低到高电平时,DO~D7的数据通过芯片,为0时将数据锁存,D0~D7的数据不变,地址设为8300H。

    2.2 步进电机的驱动采用SGS公司的电动机驱动集成L298,该集成内部含二个H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器,接收标准TTL逻辑准位信号,可驱动46V、2A以下的步进电机,且可以直接通过电源来调节输出电压。

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责任编辑:程玥