步进电机转速实时控制.doc

I 微机原理 课程设计报告 题题 目目 步进电机转速实时控制步进电机转速实时控制 学学 院院 电子信息工程学院电子信息工程学院 专专 业业 自动化（本）自动化（本） 学生姓名学生姓名 赵开锋赵开锋 学学 号号 201010311140201010311140 年级年级 20102010 级级 指导教师指导教师 程浩程浩 职称职称 副教授副教授 II 二二一二年七月一二年七月 设设计计报报告告成成绩绩 （按按照照优优、良良、中中、及及格格、不不及及格格评评定定） 指指导导教教师师评评语语： 指指导导教教师师（签名）（签名） III 年年 月月 日日 步进电机转速实时控制步进电机转速实时控制 摘要：摘要：本设计为掌握利用计算机 8086 系统以及步进电机转速实时控制对所学知识的理解与掌握， 通过相关设备及计算机系统，运用所学的理论与方法进行调试，解决问题。通过汇编程序对步进电 机相关转速的调试与控制，在编程的过程中，巩固用汇编语言处理数据的能力和 8255A 接口芯片的 运用，特别是对数表数据的灵活运用能力。在调试及试运行的过程中，对步进电机在工业中的相关 作用加深理解，因此，用汇编程序对步进电机转速实时控制在科学研究和工程建设中必不可少，将 会在更多的领域得到应用。 关键词：关键词：步进电机；汇编语言；实时控制 IV 目 录 第 1 章 绪论1 1.1 研究背景 .1 1.2 选题的目的和意义 .3 1.3 本课程设计的主要内容 .3 第 2 章 步进电机转速实时控制4 2.1 设计方案 .4 2.2 硬件系统基本原理 .4 2.3 软件框图及设计思想.9 2.4 程序编制10 第 3 章 结束语.13 参考文献14 5 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 研究背景 步进电机是一种能将电脉冲信号转换成机械角位移或线位移的执行元件，它实际上是一种单相或多相 同步电机。电脉冲信号通过环形脉冲分配器，励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间 中按一定的规律排列，轮流和直流电源接通后，就会在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子转过一 定角度(称为步距角)。在正常运行情况下，电机转过的总角度与输入的脉冲数成正比；电机的转速与输入脉 冲频率保持严格的对应关系， 步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关；电机的运动方向由 脉冲相序控制。 因为步进电机不需要 A/D 转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，它被认为是理想的数控执 行元件。故广泛应用于数控机床。 不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。 在精度不是需要特别高的场合，可以使用步进电机，以发挥其结构及驱动电路简单、可靠性高和成本低的 特点。伴随着不同数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。 4 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果 脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如 果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的 高频（电机转速从低速升到高速） 。 现在比较常用的步进电机有反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。 其中反应式步进电机的转子磁路是由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。 现阶段反应式步进电机应用最广泛。5 1.1.1 步进电机驱动电路原理步进电机驱动电路原理 步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，必须使用专用的步进电机驱动控制器。正 是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。 图 1-1 步 6 进电机系统的驱动框图 如图 1-1 所示，它一般有脉冲发生单元、脉冲分配单元、功率驱动单元保护和反馈单元组成。除功率 驱动单元以外，其他部分越来越趋向于用软件来实现。 1.1.21.1.2 步进电机特点步进电机特点 1一般步进电机的精度为步进角的 3-5%，且不累积。 2步进电机外表允许的最高温度。 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允 许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上， 有的甚至高达摄氏 200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 80-90 度完全正常。 3步进电机的力矩会随转速的升高而下降。 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在 它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 4步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。 1.1.3 步进电动机步进电动机的驱动方法的驱动方法 步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，如图 1-2 所示，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。图中点划线所包围的二个单元可以用微 机控制来实现。驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口，这里予 以简单介绍。 7 图 1-2 步进电动机驱动控制器 1.2 选题的目的和意义 步进电动机以其显著的特点在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以 及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。 步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 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，步进电机的需求量日益增长，在各个国民经济领域都有着重要的应用。 本设计为了解步进电动机的原理及接口电路原理，通过编程实现步进电机的正反转，低速正转和高 速反转，通过运用所学的理论和方法对实际步进电动机进行编程，巩固了8086 接口扩展技术的编程能 力。作为当代工科大学生，此设计是必不可少的。 1.3 本课程设计的主要内容 （1） 介绍了步进电机转速实时控制的设计方案，包括硬件系统基本原理，软件框图及设计思想以及 相应的程序编制。 （2） 对步进电机转速实时控制的主要环节，包括硬件方面及其软件方面进行了详细的阐述。 第第 2 2 章章 步进电机转速实时控制步进电机转速实时控制 2.1 设计方案 本设计采用电压为 DC12V 的四相八拍步进电机 35BYJ46 型电机，用 ULN2003 作为步进电动机驱动电路 主芯片，以 8255A 作为 8086 并行输出接口，8086 对步进电机的控制信号则通过 8255A 送到 ULN2003。 关于转向与转速，通过查表的方式实现，以逐次递增方向查表，依次输出表中数据，则步进电机正转； 以逐次递减方向查表，则步进电机反转，即通过一个表实现步进电机的正转与反转。转速则通过调用延时 子程序，当调用延时较长的子程序时，则步进电机转速慢，当调用延时较短的子程序时，步进电机转速加 快。 8 2.2 硬件系统基本原理 2.2.12.2.1 系统硬件子系统的构成系统硬件子系统的构成 本设计采用的步进电机为 35BYJ46 型四相八拍电机，电压为 DC12V，其励磁线圈及其励磁顺序如图 2-1 及表 2-1 所示： 图 2-1 励磁线圈 表 2-1 励磁顺序 1 12 23 34 45 56 67 78 8 5 5+ 4 4- - - 3 3- - - - 2 2- - - - 1 1- - - - 9 2.2.22.2.2 工作原理工作原理 四相步进电机示意图见图 2-2 及 2-3，转子由一个永久磁铁构成，定子分别由 4 组绕组构成。 图 2-2 电子转子与定子 图 2-3 电气连接 当 S1 连通电源后，定子磁场将产生一个靠近转子为 N 极，远离转子为 S 极才磁场，这样的定子磁场 和转子的固有磁场发生作用，转子就会转动，正确地 S1、S4 的送电次序，就能控制转子旋转的方向。 例如：若送电的顺序为 S1 闭合断开S2 闭合断开S3 闭合断开 S4 闭合断开，周而复始的循环，在定子和转子共同作用下，电机就瞬时针旋转： 10 图 2-4 转动 若送电的顺序为 S4 闭合断开S3 闭合断开S2 闭合断开S1 闭合断开，周而复始的循环，则电机就逆时针旋转，原理同理。 图 2-5 8255A 向步进电机发出的控制脉冲 11 2.2.3 步进电机与步进电机与 82558255 接口的关系接口的关系2 2： ： 图 2-6 接口关 系 2.2.42.2.4 8255A8255A 可编程并行接口芯片可编程并行接口芯片2 2 2.2.4.12.2.4.1 82558255 简介简介 Intel 8086/8088 系列的可编程外设接口电路（ Programmable Peripheral Interface)简称 PPI，型号为 8255（改进型为 8255A 及 8255A-5），具有 24 条输入/输出引脚、可编程的通用并行输 入/输出接口电路。它是一片使用单一 +5V 电源的 40 脚双列直插式大规模集成电路。 8255A 的通用性 强，使用灵活，通过它 CPU 可直接与外设相连接。 8255A 在使用前要写入一个方式控制字，选择A、B、C 三个端口各自的工作方式，共有三种 ; 方式 0 ：基本的输入输出方式，即无须联络就可以直接进行的 I/O 方式。其中 A、B、C 口的 高四位或低四位可分别设置成输入或输出。 方式 1 ：选通 I/O,此时接口和外围设备需联络信号进行协调，只有A 口和 B 口可以工作在方式 1，此时 C 口的某些线被规定为 A 口或 B 口与外围设备的联络信号，余下的线只有基本的I/O 功能， 即只工作在方式 0. 方式 2： 双向 I/O 方式，只有 A 口可以工作在这种方式，该 I/O 线即可输入又可输出，此时 C 口有 5 条线被规定为 A 口和外围设备的双向联络线， C 口剩下的三条线可作为 B 口方式 1 的联络线， 也可以和 B 口一起方式 0 的 I/O 线。 8255A 是一个并行输入、输出器件，具有24 个可编程设置的 I/O 口，包括 3 组 8 位的 I/O 为 PA 12 口、PB 口、PC 口，又可分为 2 组 12 位的 I/O 口：A 组包括 A 口及 C 口高 4 位，B 组包括 B 口及 C 组的低 4 位。 2 2. .2 2. .4 4. .2 2 8 82 25 55 5 的的编编码码与与工工作作方方式式选选择择 1 （1 1）8 82 25 55 5A A 的的工工作作方方式式控控制制字字 图 2-7 8255A 工作方式控制字 2.3 软件框图及设计思想 根据步进电机的励磁顺序列写控制步进电机顺序转动的输出的数据表 初始化 8255A 的工作方式 设定需要步进电机转过的步数 顺序依次逐个延时（调用延时函数 1:延时较长，实现慢转）输出表 中数据 设定需要步进电机快速转过的步数 顺序依次逐个延时（调用延时函数 2：延时较短，实现 快转）输出表中数据 设定需要反向转过的步数 逆序依次逐个延时（调用延时函数 1，慢速）输出 表中数据 设定需要步进电机快速反向转过的步数 逆序依次逐个延时（调用延时函数 2，快速）输 出表中数据。以此循环，则可实现让步进电机先低速正转到 高速正转，再从高速正转到低速反转，再高速 反转，周而复始。 13 图 2-8 程序流程图 2.4 程序编制 STACK SEGMENT STACK DW 256 DUP(?) STACK ENDS DATA SEGMENT TABLE DB 01H,03H,02H,06H,04H,0CH,08H,09H; DATA ENDS CODE SEGMENT ASSUME CS:CODE,DS:DATA START: MOV AX , DATA MOV DS , AX MAIN: MOV AL , 80H 14 OUT 0F6H , AL MOV DX , 20 A1: MOV BX , OFFSET TABLE MOV CX , 0008H A2: MOV AL , BX OUT 0F2H , AL CALL DALLY INC BX DEC DX JZ D1 LOOP A2 JMP A1 D1: DEC CX MOV DX , 20 A3: MOV AL , BX OUT 0F2H , AL CALL DALLY_K INC BX DEC DX JZ D2 LOOP A3 JMP M3 D2: DEC BX MOV DX , 20 A4: MOV AL , BX OUT 0F2H,AL CALL DALLY DEC BX DEC DX JZ D3 15 LOOP A4 JMP M1 D3: DEC CX MOV DX , 40 A5:MOV AL , BX OUT 0F2H , AL CALL DALLY_K DEC BX DEC DX JZ D4 LOOP A5 JMP M2 D4:JMP MAIN M1: MOV BX , OFFSET TABLE MOV AX , 0007H ADD BX , AX MOV CX , 0008H JMP A4 M2:MOV BX , OFFSET TABLE MOV AX , 0007H ADD BX , AX MOV CX , 0008H JMP A5 M3:MOV BX , OFFSET TABLE MOV CX , 0008H JMP A3 DALLY: PUSH CX MOV CX , 5000H A9:PUSH AX POP AX 16 LOOP A9 POP CX RET DALLY_K: PUSH CX MOV CX , 0F00H A10:PUSH AX POP AX LOOP A10 POP CX RET CODE ENDS END START 第第 3 章章 结束语结束语 通过这次课程设计，我了解了步进电动机的工作原理及接口电路原理，学会了用编程实现步进电动机 正反转及加速的方法。通过汇编实现让 8086 控制步进电动机正转、反转、变速，巩固了对步进电动机的 编程控制的理论基础，并从中获得了初步的应用经验。我想为我以后单片机的学习奠定了坚实的基础。在 编程的过程中，我巩固了用汇编语言处理数据的能力，特别是对数表数据的灵活运用能力。在调试及试运 行的过程中也遇到不少问题，最后都通过查阅课本及网络一一解决了。 刚开始的时候，为了实现反转，设置了两个数据表:一个表实现 正转，一个表实现反转。但是在让步 进电机改变运行状态（正转变反转、低速正转变高速正转、低速反转变高速反转）的时候，会出现抖 动， 总是不能进行平缓地过渡，经过 EMU8086 软件和 proteus 仿真软件的多次调试发现是在换状的时候重先 给 BX 赋了初值，导致步进电机从前一个状态换到后一个状态的时候，两个状态的控制数据不连惯，所以 会有跳动。后来，我去掉一个数据表，用一个表实现正反转（通过从低地址向高地址递加读数据实现正转， 通过从高地址向低地址读数据实现反转），在换状 17 态的时候不重赋初