第5期
机械设计与制造
2011 年 5 月
Machinery Design ＆ Manufacture
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文章编号：1001-3997（2011）05-0043-03
基于 Proteus 的步进电机加减速控制辅助设计方法 *
张利君 张吉堂 （中北大学 机械工程与自动化学院，太原 030051）
Aided design methods for accelerating and decelerating control of step motor based on proteus
ZHANG Li-jun，ZHANG Ji-tang （School of Mechanical Engineering & Automatization，North University of China，Taiyuan 030051，China）
【摘 要】研究利用 Proteus 中的各种微控制器仿真模块实现步进电机加减速控制算法仿真，并且可以 在 Proteus 中完成步进电机控制系统的硬件电路设计，同时再结合软件程序设计进行仿真，最后通过 Proteus 中的虚拟仪器记录分析仿真数据，从而实现了为设计步进电机加减速控制系统提供了一条快速、高效且低成 本的设计途径。举例采用单片机 AT89C52 作为微控制器，通过高级仿真图表导出仿真数据，并利用 Matlab 处理这些数据得到了预想的加减速曲线，证明方法在步进电机的加减速控制系统设计中可行性。
关键词：Proteus；步进电机；加减速；仿真 【Abstract】It studies the algorithm simulation for stepper motor accelerating and decelerating control by applying various micro-controller simulation module in Proteus software.It could complete the hardware cir－ cuit design for control system of the step motor，and simulate the design program with the software in Proteus. Thus，the simulation data is recorded and analyzed through virtual instruments in Proteus so as to Provide a fast，efficient and low-cost design approach for stepper motor accelerating and decelerating control system.For example，it takes the single-chip computer AT89C52 as the micro-controller which shall induct the simulation data through the advanced simulation chart，then the acceleration and deceleration curves expected shall be obtained after processing these data through the Matlab，which shows us it is feasible to design the control system of the step motor in this method. Key words：Proteus；Stepper motor；Acceleration and deceleration；Simulation
中图分类号：TH16 文献标识码：A
1 引言
步进电机是一种将电脉冲转换为机械角位移的机电执行元 件，它的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输
入脉冲同步，非常适合于开环控制系统中，而且价格低廉，因此在 工程中得到了广泛的应用。但不同的工程应用场合，其控制要求 不同，需要的控制硬件和控制软件也不同，怎样快速地设计出符
＊来稿日期：2010-07-04 ＊基金项目：山西省科技攻关项目（20100321056-02）
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表 4 钎杆改进前后的数据对比
碎锤零部件进行改进设计，并利用 Pro/E 软件建立其机械本体和
总结点数
总单元数
最大应 力值（MPa）
最小应 力值（MPa）
最大位 移值（mm）
原始模型 3346 10522
502
7.15
0.112986
改进模型 3654 10940
549
5.91
0.096754
控制元件的三维模型，利用 ANSYS 软件对液压破碎锤主要易损 部件—冲击活塞、钎杆进行应力分析。通过对 YC70 液压破碎锤 的建模和分析，改进后的模型在机械性能、经济性、轻量化等方面
4.3 其他改进方面
都取得了满意的结果，达到了改进的目的。
除有限元分析的机械性能有改善之外，改进后的模型在轻 参考文献
量化、经济性上也有些许进步。
［1］王雪，龚进，邹湘伏.液压冲击器的研究状况和发展趋势［J］.凿岩机械
气动工具，2006（3）:19-23.
原始模型耗费材料的体积为（1.0644054×10）7 mm3，质量为 76.5kg， ［2］许同乐，夏明堂.液压破碎锤的发展与研究状况［J］.机械工程师，2005
改进后耗费材料体积为（1.0066225×10）7 mm3，质量为 72.757kg，分别减
（6）:20-21.
少 5.43%和 4.89%，此外，由于去除了上缸套、中缸套、下缸套，减少了 合金钢原材料的使用并降低了加工成本，而增加体积较多的上缸体 所使用材料是经济性较好的球墨铸铁，可见，在制造成本上改进后的
［3］范思源.液压破碎锤计算机仿真与实验研究［D］：［硕士学位论文］.上 海：上海交通大学，2008.
［4］杨国平.全液压独立无级调频调能液压冲击器的研究［D］：［博士学位 论文］.长沙：中南大学，2001.
模型也取得了较好的效果。
［5］谢良喜，陶平.液压破碎锤工作状态下活塞的力学模型与应力分析［J］.
5 结论
工程机械，2007（38）：44-46. ［6］博弈工作室.ANSYS9.0 经典产品基础教程与实例详解［M］.北京：中国
在各项技术指标和基本工作原理不变的前提下，对液压破
水利水电出版社，2006.
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张利君等：基于 Proteus 的步进电机加减速控制辅助设计方法
第5期
合要求的步进电机开环控制系统是一个重要问题。
如图 2 所示，脉冲周期计算：
在开环控制系统中步进电机要在较高的频率上运转，必须 先由低速启动，逐渐加速至高速，如果加速过程过快，就会产生 “丢步”；同样，步进电机由高速转为低速，必须经过减速过程，如 果减速过程过快，就会产生“超步”。所以步进电机的加减速曲线 控制规律的确定很关键。
基于 proteus 提出对步进电机加减速控制的辅助设计方法。 能够实现步进电机加减速控制系统的硬件系统的快速搭建以及 软件系统调试的方便，同时在仿真过程中的到的数据可以进一步 用 matlab 来处理，验证算法。
从而为设计步进电机加减速控制系统提供了一条快速、高 效且低成本的设计途径。
Proteus 是英国某公司研发的 EDA 工具软件。Proteus 不仅
T=t0+t1
（1）
式中：t0—脉冲宽度；t1—总延迟时间；t1=n×clk，clk—时钟信号。
式中：n—插入的个数。
则，脉冲频率为：f（t）= 1 = 1 = 1 T t0 +t1 t0 +n×clk
（2）
由式子（2）可得插入的时钟 clk 个数：n= 1 - t0 （3） f（t）clk clk
当 clk=t0 时，且 clk—系统中的时钟信号周期，则它的倒数可
以认为是系统可以产生的最大脉冲频率，所以有：
n= 1 f（t）clk
-1=
fmax -1，0< f（t）
f（t）燮fmax
（4）
所以只要给定了 f（t）就能计算出 n 值。
加减速控制程序框图，如图 3 所示。
是模拟电路、数字电路、模数混合电路的设计与仿真平台，更是目 前世界上最先进、最完整的多种型号单片机系统的设计与仿真平 台。它真正实现了在计算机上完成从原理图设计与电路设计、电 路分析与仿真、单片机代码级调试与仿真、系统测试与功能验证 到 pcb 的完整的电子设计、研发过程。
在设计过程中支持第三方软件 keil、matlab 等。这些特点都 能实现产品的设计周期的缩短，生产成本的降低，提高了设计成 功率。
2 加减速控制原理
在阐明任意加减速控制原理后举例采用单片机 AT89C51 作为控制器，利用 proteus 中的逻辑分析仪对步进电机输入脉冲 进行分析，验证本辅助设计方法的可行性。软件部分采用汇编语 言，并在 keilc51 中进行编译，调试，最后 keil 和 proteus 联调，完 成仿真。
加减速原理： 步进电机加减速度控制是通过改变脉冲频率来实现的。对 于任意以时间为变量的脉冲频率，如图 1 所示，曲线 f（t）所示。 考虑到单片机控制的实际情况。为了实现脉冲频率可变，利 用小段直线逼近曲线的方法来实现，如图 1 中的阶梯线。可以看 到只要根据时间不断去调整频率就能实现。在图 2 中如果我们能 在连续两个脉冲之间插入可控制的一段延迟时间，则脉冲的周期 就会延长，相应的脉冲频率就会发生改变。
f f（t）
产生一个脉冲
取出时间 t
计算 n 值
n=0
N
Y
时间到