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基于Proteus的步进电机控制器

摘要

本文要求完成步进电机控制器的设计制作，对比基于VHDL，Labview，ARM的

步进电机控制器设计，最终确定为基于Proteus的步进电机控制器设计，实现正

转，反转，停止等基本功能。

一题目要求完成内容：完成基于Proteus的步进电机控制器的设计，实现步进

电机在模拟状态下的正转，反转，停止。

二方案论证：

1）基于Proteus的步进电机控制器

（1）实例功能：该系统在设计上采用了AT91C51单片机控制实现不仅脉冲软

分配，驱动电路驱动步进电机运行。通过改变步进电机输出脉冲频率实现电动机

的无级调速，通过改变三相通电顺序实现电动机正反转运转。本系统操作界面简

单，具有置数，计数显示功能，能设定步进电机的工作状态（但三排，双三拍，

六拍式的正，反转），并记录电动机运行的步数，动态观察各工作状态。

（2）控制系统电路：控制系统电路由AT91C51单片机，隔离光耦，达林顿管

阵列驱动芯片ULN2803和人机接口部分组成。相关的关键部分器件名称及其在电

路中的主要功能如下：AT91C51：完成步进电机的控制方式，状态监测；光耦：

隔离干扰信号；ULN2803：驱动的动机；7407：驱动光耦。

2）基于VHDL的步进电机控制器设计：

1．1频率发生器

步进电动机的转动是由脉冲控制的，通过控制脉冲频率即可控制电机转动的速度

和加速度，从而达到调速的目的。此处设置了四档调速。CLK是外部输入频率，

P2和P1是分频模式选择。P2PI=00：表示外部输入脉冲频率(不分频)；P2P1=01：

表示对外部输入频率4分频；P2PI=10：表示对外部输入频率8分频；P2PI=I1：表

示对外部输入频率16分频。处理过的脉冲信号由CK端送入脉冲分配器I21。

1．2方向锁存器

步进电机有启动和停止两种状态，启动后又分为正转、反转。故电机的转动控制

上设置了三个信号输入端：令z为正转启动脉冲信号、F为反转脉冲信号、T为停

止的脉冲信号。通过方向锁存器将输入的脉冲信号转换为电平信号，并且保证信

号的唯一性。根据三相线圈轮流通电方式的不同，三相反应式步进电动机有三相

单三拍、三相双三拍、三相六拍等三种通电方式。实际应用中三相单三拍运行方

式很少采用，因为这种运行方式每次只有一相绕组通电，容易使转子在平衡位置

附近产生摆动，因此稳定性不好，所以此控制器设置了后两种通电方式，M为供

电方式的选择信号：M=I为三相六拍通电方式；M=0为三相双三拍通电方式。1-3脉

冲分配器三相六拍的通电方式为一个循环周期通电相序换接六次，有六种通电状

态，故称三相六拍运行方式。通电顺序为：A—AB—B—BC—C—CA—A。如果每次

都是两相控制绕组同时通电，即按AB—BC—CA—AB⋯8943.的顺序通电，称为三

相双三拍。根据M的状态，控制脉冲的输出情况，脉冲分配器设计的主要思路是：

设置一个6进制的计数器。三相六拍正转为1—6循环，反转为6—1循环；三相双

三拍正转为2—4—6循环，反转为6—4—2循环，如图

3所示o

根据需要先用VHDL语言调试和仿真出频率发生器、方向锁存器、脉冲分配器三个

部分，按照图4完成顶层文件。完成整个步进电机控制器的设计。

优点：本文介绍了用VHDL语言设计的一种步进电机控制器，根据仿真波形的分析，

基本达到了设计初期的要求，能完成步进电机两种工作模式的选择，实现步进电

机正转、反转、停止的要求，可以实现步进电机频率的控制。可见利用EDA软件

可以缩短设计周期，是一种快捷方便的电路设计方法。

3）基于Labview的步进电机控制程序设计

根据对步进电机的具体控制要求，结合程序设计的一般方法，控制系统的软件流

程如图5。系统分为六个功能模块：正反转控制模块；运行频率设置模块；手动

控制模块；自动运行模块；定步旋转模块；输出显示模块。然后根据各模块的功

能设计子VI。并通过主程序调用各个子VI，完成整个系统的设计，最后通过仿真

调试，完善控制要求。

根据系统的软件流程图及其功能，设计控制系统的前面板如图6。前面板分为输

入控制和输出控制部分。输入控制部分设置有两组布尔量指示灯控件，分别用来

显示正反转时三相输出控制序列；两个选择开关控件用来选择工作方式手动运行或自

动运行；