DOI:10.13436/j.mkjx.2010.02.086 第 31 2010 卷第 年 02 02 期 月 基于 煤 矿 机 械 Coal Mine Machinery Vol.31No.02 Feb. 2010 的步进电机闭环控制的仿真 Proteus 徐 刚 ， 齐齐哈尔大学 通信与电子工程学院 潘万平 ， 张劲松 黑龙江 齐齐哈尔 （ 161006） 拥有齐全的元件库和强大的电路分析实物仿真功能 ， 摘 要 基于 ： Proteus 机闭环自动控制系统的方法 光电编码器原理设计反馈电路 法 AT89C52 形成闭环 比较设定值与反馈值 以 。 ， 芯片为微处理器 语言编程 用 和 ，L297 设计扰动 L298 C 。 实现位置反馈闭环控制系统的仿真 ， ， ， 。 ， LCD 利用 关键词 中图分类号 ： 显示 步进电机 ， ； Proteus； ： TM341； TP391 光电编码器 文献标志码 ； PID； ： A 光耦 文章编号 ， 芯片驱动步进电机 提出了用于步进电 利用 算 应用 ， 模拟外界干扰 ， PID ： 1003 － 0794（2010）02 － 0046 － 03 Proteus-based Closed-loop Control of Stepper Motor Simulation PAN Wan-ping, XU Gang, ZHANG Jin-song （Communication and Electronic Engineering Institute, Qiqihar University， Qiqihar 161006， China） Abstract: Proteus -based libraries have a full range of powerful circuit analysis and simulation of physical function, so we offered a way to the closed-loop stepper motor for automatic control systems. AT89C52 chip as microprocessor, L297 and L298 chip to driver stepper motor, using the principle of optical encoder to design feedback circuit and form a closed loop. To design the disturbance and simulate outside interference with C language programming. Applying PID algorithm and making use of LCD display to compare the value of setting and feedback to achieve closed -loop control system simulation of position feedback. Key words: stepping motor; proteus; optical encoder; PID; optocoupler 引言 随着计算机处理速度的飞速提高 ， 0 ， 仿真软件功 仿真在自动控制系统中的作用越来越 的 是 一 款 电 路 分 析 实 物 仿 真 系 通过对实际情况的分析 能不断完善 重 要 统 利用软件对步进电机进行仿真 可仿真各种电路和 ，Proteus ISIS IC。 ， ， ， 。 1 硬件设计 系统工作原理 （1） 闭环控制系统如图 所示 。 1 LCD 键盘 MS-51 单片机 L297 光电耦合器 L298 AT89C52 光电编码器 步进电机 扰动 1 ， ， 图 闭环控制系统原理图 单片机通过按钮设定所需脉冲值 。 得到差值 测得步进电机的实际位置 馈到单片机 馈脉冲值 片机根据控制量 冲分配器 放大输出 冲波形 光电编码器 通过编码器接口电路反 单片机通过比较设定脉冲值与实际反 单 脉 驱动芯片进行功率 为精确得到反馈脉 驱动芯片 和 光电耦合器 从而控制步进电机 ， 将反馈信号连接到 改变脉冲输出个数 算法得出控制量 通过 经过 L298 L297 PID 经 ， ， 、 ， 。 ， ， 。 L297 L298 ， 之间 值不一致 ， 控制算法 ， 反馈脉冲值 软件加入随机数干扰 使设定值与 模拟外界对步进电机的扰动 用 显示设定脉冲值 ， LCD 从而达到了仿真目的 、 输出 P0.1 通过 ， PID 实际位置值与 。 ， 驱动电路 （2） Proteus 库中步进电机是二相四线形式 ， ， 控制脉 其缺点加重微 本 系统采用 集 成 芯 片 是步进 脉冲分配器 产生每周 ， 相双极性和 。 L297 8 冲信号的脉冲分配可以用软件实现 处理 机和程序设 计的负担 。 ， 分配脉冲 驱动步进电机 ， 包括环形分配器 （ ）， 加上一些组合逻辑 L287、L298 电机控制集成芯片 内部是可逆计数器 步的时序信号应用于微处理机控制 相单极性步进电机 线路容许以开关形式控制线路的电流 部 产 生 的 。 与 P0.0 通过光耦连接 同时设于晶片内的 方 向 控 制 (CW/CCW) 口连接 与 2 ， ， PWM 4 斩波 相位是由内 时 钟 连 接 ， P0.1 桥高电压大电流驱动器 。 L298。 L298 接受标准 可 驱电 压 ， 46 V、 ， 每 相 位 TTL 以 下 2.5 A (CLOCK) 是内含双 逻辑 电平信号 的步进电机 H 。 增量式光电编码器电路设计 （3） 增量式光电编码器输出 A、B 2 波 信 号 当 光 电 编 码 器 顺 时 针 旋 转 时 ， 个互差 的方 90° 超 前 ，A B 光电编码电路设 逆时针旋转时 超前 ，B A 90°。 步进电机位置反馈的脉冲信号直接连接到 D 90°， 计时 ， 46 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第 卷第 期 02 31 基于 Proteus 的步进电机闭环控制的仿真 潘万平 等 ， ——— Vol.31No.02 触发器和与门电路 路和可逆计数器完成计数功能 计图 ，D 图 ， 2 触发器作为方向判断器 门电 为基数电路设 ， 2 软件设计 系统采用 。 6 5 1 U5A Q R CLK Q S D U6 4 7474 AND 3 A 2 B A B C2 C1 图 2 编码器判向计数电路 相信号 输 出 为 高 电 平 经 ， D 触发器 经 与 门 B Q 相信号在相位上超前 ，C2 计数器累计加 A 后 为 低 电 平 输出一个脉冲 ， 时针旋转一周 触发器后 经 输出一个脉冲 经与门 ， 步进电机逆时针旋转一周 为高电平 。 B C1 D Q ，A、B C1 反馈为步进电机顺 相信号 1， A , 输出为低电平 ，C2 计数器累计减 图 为仿真输出波形 1， ，A、B 反馈为 ， 3 相信号在相位上超前 。 式中 C 语言模块化结构 仿真系统的微控 。 环 境 下 编 写 和 编 位可编程 内含 用片内单片机定时器中断方式产生周 KEIL C51 μ Vision3 个外中断口 个 16 ，3 来控 制步进电机 转动步数 ， 软件总体包括三部 中断服务 子程序以及 其他相应服 驱 延时 显示 控制 。 、 、PID 、 2 。 AT89C52 。 高 优先级 制 器 程 序 在 译 定时计数器 期性脉冲 用另一个定时器计反馈脉冲数 分 务子程序 动子程序 主循环程 序 包括键盘 、LCD ）， （ ： 、 （ ）。 在连续控制过程中 对脉冲 输出进行控 制 调整 ， 。 增量式数字 采用增量式数字 ， 此算法 结构简单 程序 PID 参 数易于 ， 的数学表达式为 PID △u(k)=A1e(k)-A2e(k-1)+A3e(k-2) （1） A=KP [1+T/TI+TD /T] B=KP [1+2T/TI+TD /T] C=KP KD /T ； ； ； ； 比例系数 采样周期 微分周期 积分周期 积分系数 微分系数 KP——— T——— TD——— TI——— KI——— KD——— 图 为软件实现 5 PID ,KI= KP T/TI； ，KD=TD /T。 算法流程图 。 图 输出脉冲 反馈信号 所以反馈信号就产生 的整数倍时 输出 脉冲和 输出脉冲 输出 ， C1 A、B 个脉冲信号经 8 产生步进电机 脉 L297 个旋转 当 光电编码电路的反馈 能准确反馈步进电机旋转周 步 进电 的 整数倍时 个脉冲信号 1 1 ， ， ， 8 ， 当设定脉冲 值不为 3 P0.1 因为单片机 ， P0.1 ， A、B、C、D 冲分配器 周期信号 设定脉冲值为 信号为完整周期脉冲 期位置 机接近稳定时 运算产生周期信号 8 ， ， 输出脉冲 图 ， 4 C1 反馈脉冲信号与设定脉冲值经 反馈 ， A、B PID 脉冲 输出脉冲 ，C2 是脉冲输出图 。 ， 3 开始 计算控制参数 A，B，C 设初始值 e(k-1)=e(k-2)=0 采样输入 c(k) 计算误差值 e(k)=r(k)-c(k) 计算控制量 Δu(k)=Ae(k-1)-Be(k-1)+Ce(k-2) 输出 Δu(k) 准备一下时刻 e(k)→e(k-1)，e(k-1)→e(k- 2) 脉 冲 扰 动 否 增量式数字 采样时刻 ？ 是 PID 控制程序的流程图 图 5 仿真过程 在 （1） 跳步运行 、 KEIL C51μVision3 复位等方式进行调试 编译环境下设置断点 ， 文 生成 ， .HEX 、 单步 件 。 在 中左键双 击 弹 出 AT89C52 “Edit 中添加生成的 “Program File” Component” （2） Proteus 窗口 文件路径 ， .HEX 。 并在 单击原理图中的运行按钮 进行仿真 ， 处 添 加 在工具 ， OSCILO- Virtual Instruments Mode 图 4 设定值非 8 的整数倍时各路脉冲信号 （3） 栏 中 的 47 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第 31 2010 卷第 年 02 02 期 月 煤 矿 机 械 Coal Mine Machinery Vol.31No.02 Feb. 2010 小直径钻削温度场的研究 马 霄 朱绘丽 ， 摘 要 对直径为 ： 2 mm 河南机电高等专科学校 （ 的高速钢钻头在允许的最大切削速度和进给量条件下 河南 新乡 453002） ， 钢进行 得到了钻头前刀面上切削温度值远远低于高速钢 对 45 ， 钻孔时的切削温度进行了理论计算和实际测量 耐用度时的温度值 此时钻头磨损的主要形式是机械磨损的结论 ， 。 ， 关键词 中图分类号 ： 小直径钻削 切削温度 磨损 ； ； ： TG501.4 文献标志码 文章编号 ： A ： 1003 － 0794（2010）02 － 0048 － 02 Research on Temperature Distribution in Minor Diameter Drilling (Henan Mechanical and Electrical Engineering College， Xinxiang 453002, China) MA Xiao， ZHU Hui-li Abstract：The cutting temperature of a high-speed steel drill with diameter 2mm was Calculated and measured under the maximum cutting speed and depth for cutted material of Steel 45. It is qiven that the cutting temperature of drill rake face is far below the temperature of tool life and the main wearing form of drill is mechanical wear. 钻头的热流强度值的计算 （1） 在钻削过程中 后刀面产生的切削热所占比例 在进行温度的理论研究时可认为功率转化为 热量分布均 很小 的热集中作用在钻头前刀面切削刃上 匀 即热流密度不变化 如图 所示 ， ， ， ， 1 。 ， 准d0 120° X O q0 Key words： minor diameter drilling； cutting temperature； wear 引言 在机械制造中 小孔的钻削加工比较普遍 0 ， ， 、 ， 柴油机零件 。 钻小孔时切削速度高 别是钟表零件 、 孔加工更为突出 的钻头 特 电子零件等 产品的小 通常所说的小直径钻头一般是指 小直径钻头 钻头产生的 切削温 特别是钻头和工件的接触部位温 大量实验的结果可以 钻头直径 越 由此产生剧增的钻头力矩在部件中形成强烈的 因此有必要对小直径钻削的温度场进行 1~3 mm 的螺旋角又比较小 度高又不易散热 度更高 分析出刀具直径对产生温度的影 响 小 相变放热 研究 加剧了钻头的磨损 不易排屑 。 。 ， ， ， ， ， ， ， 。 小直径钻削温度场的计算与分析 图 1 钻头前刀面上热流强度 均匀分布 q0 扭矩按文献 的公式计算 示波器观察各路脉冲 1 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 的对步进电机位 Proteus SCOPE 构建的仿真系统能较好的 反馈以及状态显示的控 绘制的步进电机闭环控制完整的 本文提出了一种基于 原理图如图 Proteus 利用 所示 。 [6] 6 。 置闭环控制的仿真方法 实现步进电机的位置设定 制过程 硬件仿真实现了所期望的控制过程 KEIL C51μVision3 通过 。 。 ， 。 程序设计与 proteus . ， ， ［2］ ［1］ 黄文新 赵 玉 林 参考文献 ： 郑 宪 伟 闭环调速系统的设计 邓素玲 ， 器械信息 陈朝元 系统仿真学报 杨积光 杨前明 ， 机上的应用研究 作者介绍 ［J］. 潘万平 ［3］ ［4］ ， ， 究 生 ， ： 研 究 方 向 ： 陈 广 大 . 基 于 AVR 煤矿机械 单 片 机 的 直 流 电 动 机 PWM ［J］. ,2008,29(1):120-122. 步进电机在冰冻切片机中的应用 中国医疗 ［J］. , 2008,14(10):45-46. 鲁五一 . Proteus 软件在自动控制系统仿真中的应用 ［J］. , 2008,20(2):318-320. 隋秀 华 增 量 式 光 电 编 码 器 在 玻 璃 管 热 缩 包 装 . 山东工业大学学报 山东乳山人 信 息 传 输 理 论 与 技 术 (1983- ) ， ， ， ,2001,31(6):592-594. 齐齐哈尔大学硕士研 电 子 信 箱 ：student- pan100@163.com. 48 责任编辑 ： 卢盛春 收稿日期 ：2009－08－12 图 6 步进电机闭环控制原理图 结语 4 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net