步進電機實時轉速控制課程設計報告

-.z.步進電機轉速實時控制摘要：步進電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器。本設計采用電壓為DC12V的四相八拍步進電機35BYJ46型電機，用ULN2003作為步進電動機驅動電路主芯片，以8255A作為8086并行輸出接口，8086對步進電機的控制信號則通過8255A送到ULN2003.關于轉向與轉速，通過查表的方式實現(xiàn)，以逐次遞增方向查表，依次輸出表中數(shù)據(jù)，則步進電機正轉；以逐次遞減方向查表，則步進電機反轉，即通過一個表實現(xiàn)步進電機的正轉與反轉。轉速則通過調用延時子程序，當調用延時較長的子程序時，則步進電機轉速慢，當調用延時較短的子程序時，步進電機轉速加快。關鍵詞：步進電機；ULN2003；8259A;轉向；轉速.目錄第1章緒論 11.1研究背景 11.2選題的目的和意義 21.3本課程設計的主要內容2第2章步進電機轉速實時控制32.1設計方案32.2硬件系統(tǒng)基本原理32.2.1步進電機35BYJ4631)勵磁線圈及其勵磁順序32)四相步進電機工作原理示意圖43)步進電機與8255A接口關系54)步進電動機的速度控制52.2.28255A可編程并行接口芯片61)8255簡介62)8255的編碼與工作方式選擇72.3軟件框圖82.4軟件清單10第3章結束語13參考文獻15附錄16-.z.第1章緒論1.1研究背景步進電機是一種進行精確步進運動的機電執(zhí)行元件，它廣泛用于工業(yè)機械的數(shù)字控制。步進電機易于實現(xiàn)與計算機或其他數(shù)字元件接口,適用于數(shù)字控制系統(tǒng).步進電機只需采用最簡單的開環(huán)控制就可取得非常高的控制精度，且這種系統(tǒng)不需要反饋信號，系統(tǒng)硬件實施比較簡單。為了使系統(tǒng)的可靠性、通用性、可維護性以及性價比最優(yōu)，根據(jù)控制系統(tǒng)功能要求及步進電機環(huán)境，確定了設計系統(tǒng)硬件和軟件的功能劃分，從而實現(xiàn)了基于8255芯片的四相步進電機的控制系統(tǒng)。根據(jù)步進電機的勵磁順序列寫控制步進電機順序轉動的輸出的數(shù)據(jù)表，接著初始化8255A的工作方式根據(jù)要求調入函數(shù)輸入數(shù)據(jù)完成正轉、反轉、開始、停止等功能。步進電機是電機家族的“嬰兒”，20世紀60年代早期才開始流行。步進電機最早是在1920年代由英國人所開發(fā)。1950年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應用在步進電機上，對于數(shù)字化的控制變得更為容易。往后經過不斷改良，使得今日步進電機已廣泛運用在需要高定位精度、高分解能、高響應性、信賴性等靈活控制性高的機械系統(tǒng)中。在生產過程中要求自動化、省人力、效率高的機器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進電機的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項指令動作的靈活控制性場合步進電機用得最多。步進電機的最初構想是作為昂貴的位置控制應用中伺服電機的低成本替代產品，而新興的計算機工業(yè)迅速將其采用到外設應用當中。步進電機的主要優(yōu)勢在于能提供開環(huán)位置控制，而成本只是需要反饋的伺服系統(tǒng)的幾分之一。在過去，步進電機有時被誤稱為“數(shù)字”電機，因為它們常用正交方波驅動。自六十年代初期以來，步進電機的應用得到很大的提高，人們用它來驅動時鐘和其他采用指針的儀器，打印機、繪圖儀、磁盤光盤驅動器、各種自動控制閥、各種工具，還有機器人等機械裝置。此外作為執(zhí)行元件，步進電機是機電一體化的關鍵產品之一，被廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中，隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，它的需要量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。步進電機是機電數(shù)字控制系統(tǒng)中常用執(zhí)行元件，由于其精度高、體積小、控制方便靈活，因此在智能儀表和位置控制中得到了廣泛的應用。Intel8086/8088系列的可編程外設接口電路（ProgrammablePeripheralInterface)簡稱PPI，型號為8255（改進型為8255A及8255A-5），具有24條輸入/輸出引腳、可編程的通用并行輸入/輸出接口電路。它是一片使用單一+5V電源的40腳雙列直插式大規(guī)模集成電路。8255A的通用性強，使用靈活，通過它CPU可直接與外設相連接。與一般的電機控制過程類似，在對本設計方案實施運轉之前，首先需要研究系統(tǒng)的特性,過歸納和抽象建立系統(tǒng)的數(shù)字模型。由步進電機定子和轉子示意圖（見工作原理）可見調節(jié)脈沖信號的頻率便可以改變步進機的轉速，改變各相輸入脈沖先后順序，可以改變電機的旋轉方向。對于轉速控制：調節(jié)脈沖信號的頻率便可以達到目的。1.2選題的目的和意義步進電機轉速實時控制實現(xiàn)了電機運轉的程序（微機控制）化，步進電動機主要應用在數(shù)控機床制造領域，由于步進電動機不需要A/D轉換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉化成為角位移，所以一直被認為是最理想的數(shù)控機床執(zhí)行元件。除了在數(shù)控機床上的應用，步進電機也可以用在其他的機械上，比如作為自動送料機中的馬達，作為通用的軟盤驅動器的馬達，也可以應用在打印機和繪圖儀中，微機控制系統(tǒng)的快速計算，靈活多樣的邏輯判斷和高效的信息加工能力使自動控制進入了更高一級的領域，提高了生產過程的自動化程度，減少了人工干預，并不斷地完善和滿足工農業(yè)生產和國防科技日益增長的需要。微機控制系統(tǒng)由于具有成本低，體積小，功耗少，可靠性高和使用靈活等特點，因而廣泛地應用于工農業(yè)生產，交通運輸，國防建設和空間技術等各個領域。其控制對象已從單一的工廠流程擴展到企業(yè)生產過程的管理與控制。微機和單片機的推廣使用實現(xiàn)信息自動化與過程控制相結合的分級分布式計算機控制，計算機技術的水平發(fā)展到一個嶄新的階段。

正是由于數(shù)字通信系統(tǒng)由于具有許多優(yōu)點而成為當今通信的發(fā)展方向，實現(xiàn)模擬系統(tǒng)數(shù)字化極大地促進了通信領域的發(fā)展，使人類的生產生活進入了數(shù)字化時代。本設計為掌握利用計算機來加深對所學知識的理解和掌握，通過步進電機轉速實時控制平臺，運用所學的理論和方法進行實踐、解決問題。同時培養(yǎng)我們理論聯(lián)系實際的設計思想，訓練綜合運用所學的理論知識分析和解決實際應用問題的能力，從而使基礎理論知識得到鞏固、加深和系統(tǒng)化。熟悉和掌握運用設計資料的能力。1.3本課程設計的主要內容（1）對步進電機轉速實時控制的主要環(huán)節(jié)，包括硬件系統(tǒng)基本原理、軟件框圖及設計思想進行了詳細的闡述。(2)掌握步進電機與8255的接口電路原理。(3)能編制出步進電機正、反轉運行程序（以3種不同速度）。(4)獨立編寫好程序，并能在機器上調試通過，并要求將速度值在液晶顯示器上顯示。第2章步進電機轉速實時控制2.1設計方案本設計采用電壓為DC12V的四相八拍步進電機35BYJ46型電機，步進電動機驅動電路主芯片是ULN2003，以8255A作為8086并行輸出接口，8086對步進電機的控制信號則通過8255A送到ULN2003。其中步進電機的勵磁線圈及其勵磁順序已經確定。關于轉向與轉速，通過查表的方式實現(xiàn)，以逐次遞增方向查表，依次輸出表中數(shù)據(jù)，則步進電機正轉；以逐次遞減方向查表，則步進電機反轉，即通過一個表實現(xiàn)步進電機的正轉與反轉。其中表中內容為程序的TABLEDB中的內容。轉速則通過調用延時子程序，當調用延時較長的子程序時，則步進電機轉速慢，當調用延時較短的子程序時，步進電機轉速加快。2.2硬件系統(tǒng)基本原理2.2.1步進電機35BYJ461）勵磁線圈及其勵磁順序，其勵磁線圈如圖2-1所示，勵磁順序如表2-1-1所示：圖2-1勵磁線圈圖2-1勵磁線圈表2-1-1勵磁順序表2-1-1勵磁順序123456785＋＋＋＋＋＋＋＋4－－－3－－－2－－－1－－－2）四相步進電機工作原理示意圖見圖2-2，轉子由一個永久磁鐵構成，定子分別由4組繞組構成。圖2-3為電路連接圖圖2-2電機定子和轉子示意圖圖2-2電機定子和轉子示意圖圖2-3電氣連接示意圖圖2-3電氣連接示意圖當S1連通電源后，定子磁場將產生一個靠近轉子為N極，遠離轉子為S極才磁場，這樣的定子磁場和轉子的固有磁場發(fā)生作用，轉子就會轉動，正確地S1、S4的送電次序，就能控制轉子旋轉的方向。例如：若送電的順序為S1閉合→斷開→S2閉合→斷開→S3閉合→斷開→S4閉合→斷開，周而復始的循環(huán)，在定子和轉子共同作用下，電機就瞬時針旋轉：圖2-4圖2-4電機順時針旋轉示意圖若送電的順序為S4閉合斷開→S3閉合→斷開→S2閉合→斷開→S1閉合→斷開，周而復始的循環(huán)，則電機就逆時針旋轉，原理同理。8255A向步進電機發(fā)出控制脈沖如圖2-5：圖2-58255A向步進電機發(fā)出的控制脈沖圖2-58255A向步進電機發(fā)出的控制脈沖3）步進電機與8255A接口關系如圖2-6：PB0PB0PB1PB2PB38255AABCDA’B’C’D’驅動電路1234535BYJ46型步進電機+12V圖2-6實驗線圖4）步進電動機的速度控制步進電機速度的控制是通過控制單片機發(fā)出的步進脈沖的頻率來實現(xiàn)。對于軟件脈沖分配方式采用調整兩個控制字之間的時間間隔來實現(xiàn)調速；對于硬件脈沖分配方式則采用定時中斷方式來調整脈沖頻率從而實現(xiàn)調速。根據(jù)以上所述，控制步進電機速度的方法有兩種。(1)軟件延時法：通過調用標準的延時子程序，改變兩控制字之間延時時間來實現(xiàn)。采用軟件延時方法實現(xiàn)速度調節(jié)的優(yōu)點是程序簡單，思路清晰，不占用硬件資源，缺點是CPU的等待時間過長，占用大量機時，因此沒有實用價值。這次試驗采用的便是軟件延時。(2)定時器中斷法。以805l單片機為例，在中斷服務子程序中進行脈沖輸出操作，調整定時器的定時常數(shù)就可實現(xiàn)脈沖頻率的調整，從而實現(xiàn)調速。這種方法占用CPU時間較少，容易實現(xiàn)，是一種比較實用的調速方法。2.2.28255A可編程并行接口芯片1)8255簡介Intel8086/8088系列的可編程外設接口電路（ProgrammablePeripheralInterface)簡稱PPI，型號為8255（改進型為8255A及8255A-5），具有24條輸入/輸出引腳、可編程的通用并行輸入/輸出接口電路。它是一片使用單一+5V電源的40腳雙列直插式大規(guī)模集成電路。8255A的通用性強，使用靈活，通過它CPU可直接與外設相連接。8255A在使用前要寫入一個方式控制字，選擇A、B、C三個端口各自的工作方式，共有三種;方式0：基本的輸入輸出方式，即無須聯(lián)絡就可以直接進行的I/O方式。其中A、B、C口的高四位或低四位可分別設置成輸入或輸出。方式1：選通I/O,此時接口和外圍設備需聯(lián)絡信號進行協(xié)調，只有A口和B口可以工作在方式1，此時C口的*些線被規(guī)定為A口或B口與外圍設備的聯(lián)絡信號，余下的線只有基本的I/O功能，即只工作在方式0.方式2：雙向I/O方式，只有A口可以工作在這種方式，該I/O線即可輸入又可輸出，此時C口有5條線被規(guī)定為A口和外圍設備的雙向聯(lián)絡線，C口剩下的三條線可作為B口方式1的聯(lián)絡線，也可以和B口一起方式0的I/O線。8255A是一個并行輸入、輸出器件，具有24個可編程設置的I/O口，包括3組8位的I/O為PA口、PB口、PC口，又可分為2組12位的I/O口：A組包括A口及C口高4位，B組包括B口及C組的低4位。2)8255的編碼與工作方式選擇1)8255A的工作方式控制字圖2-78255A工作方式控制字圖2-78255A工作方式控制字2)8255A的端口地址編碼它的A口、B口、C口和控制口的編碼如表2-2表2-2表2-2A7A6A5A4A3A2A1A0地址A口0111000060HB口0111001061HC口0111010062H控制口0111011063H2.3軟件框圖（見下頁）及設計思想根據(jù)步進電機的勵磁順序列寫控制步進電機順序轉動的輸出的數(shù)據(jù)表→初始化8255A的工作方式→設定需要步進電機轉過的步數(shù)→順序依次逐個延時（調用延時函數(shù)1:延時較長，實現(xiàn)慢轉）輸出表中數(shù)據(jù)→設定需要步進電機快速轉過的步數(shù)→順序依次逐個延時（調用延時函數(shù)2：延時較短，實現(xiàn)快轉）輸出表中數(shù)據(jù)→設定需要反向轉過的步數(shù)→逆序依次逐個延時（調用延時函數(shù)1，慢速）輸出表中數(shù)據(jù)→設定需要步進電機快速反向轉過的步數(shù)→逆序依次逐個延時（調用延時函數(shù)2，快速）輸出表中數(shù)據(jù)。以此循環(huán)，則可實現(xiàn)讓步進電機先低速正轉到高速正轉，再從高速正轉到低速反轉，再高速反轉，周而復始。開始開始8255初始化8255初始化查表TABLE查表TABLED*=04HD*=04HC*=08HC*=08H取B*首址取B*首址CALLDALLY調用延時CALLDALLY調用延時B*=B*+1NB*=B*+1NNYNYC*=0？D*為負？Y查表TABLEY查表TABLED*=04HD*=04HC*=08HC*=08H取B*首址取B*首址CALLDALLY調用延時CALLDALLY調用延時NB*=B*+1NB*=B*+1NYNYC*=0？D*為負？Y結束Y結束2.4軟件清單DATASEGMENTTABLEDB01H,03H,02H,06H,04H,0CH,08H,09HDATAENDSSTACKSEGMENTSTACKDW256DUP(")STACKENDSCODESEGMENTASSUMECS:CODE,DS:DATASTART:MOVA*,DATAMOVDS,A*MAIN:MOVAL,80HOUT63H,ALMOVD*,0FFHA1:MOVB*,OFFSETTABLEMOVC*,08HA2:MOVAL,[B*]OUT61H,ALCALLDALAY0INCB*DECD*JZD1LOOPA2JMPA1D1:DECC*；C*=0MOVD*,0FFHA3:MOVAL,[B*]OUT61H,ALCALLDALAY1INCB*DECD*JZD2LOOPA3JMPM3D2:DECB*;MOVD*,0FFHA4:MOVAL,[B*]OUT61H,ALCALLDALAY0DECB*DECD*JZD3 LOOPA4JMPM1D3:DECC*MOVD*,0FFHA5:MOVAL,[B*]OUT61H,ALCALLDALAY1DECB*DECD*JZD4LOOPA5JMPM2D4:JMPMAINM1:MOVB*,OFFSETTABLEMOVA*,0007HADDB*,A*MOVC*,08HJMPA4M2:MOVB*,OFFSETTABLEMOVA*,07HADDB*,A*MOVC*,0008HJMPA5M3:MOVB*,OFFSETTABLEMOVC*,0008HJMPA3DALAY0:PUSHC*MOVC*,5000HA9:PUSHA*POPA*LOOPA9POPC*RETDALAY1:PUSHC*MOVC*,0F000HA10:PUSHA*POPA*LOOPA10POPC*RETCODEENDSENDSTART第3章結束語這是我第一次進行的課程設計，在此過程中我學到了很多課本上學不到的知識。通過這次課程設計，我了解了步進電動機的工作原理及接口電路原理，學會了用編程實現(xiàn)步進電動機正反轉及加速的方法。通過匯編實現(xiàn)讓8086控制步進電動機正轉、反轉、變速，鞏固了對步進電動機的編程控制的理論基礎，并從中獲得了初步的應用經驗。在編程的過程中，我鞏固了用匯編語言處理數(shù)據(jù)的能力，特別是對數(shù)表數(shù)據(jù)的靈活運用能力。在調試及試運行的過程中也遇到不少問題，最后都通過查閱課本及網絡一一解決了。這次我們的程序編寫出來后在實驗室先調試一下匯編程序是否會成功使電動機轉動，以及轉動的正確方向等，在調試及運行的過程中我的程序也遇到不少問題，比如說調試的時候我人為的輸入錯誤，這是我不仔細的原因，經過仔細檢查才發(fā)現(xiàn)是程序輸入錯誤了，后面又出現(xiàn)編寫的程序不能夠實現(xiàn)電動機的反轉，只能夠實現(xiàn)正轉，然后我又重新檢查程序的正確性，實在是不懂了就問徐老師,在老師的幫助下我修改了程序，最后終于調試成功，并能實現(xiàn)正確的正反轉。在課程答辯過程中，我學到了很多知識，這些知識有效的解決了我對課程實際中許多困惑，使我對這門學科有了更深入的了解，也知道了學以致用的重要意義。在此次課程設計報告的書寫中，我也學會了書寫正規(guī)的課程設計報告的格式，書寫正確的課程設計報告需要注意哪些重要的地方，正確的課程設計報告包括緒論，主體，心得體會，參考文獻等，這為以后的畢業(yè)論文打下了基礎。。在通過一系列故障的分析與排除，在這個過程中，讓我既提升了對實際步進電動機編程應用的能力，又鞏固了8086的接口擴展技術編程技術，正確書寫課程設計報告等。這次使我的知識層面不僅僅停留在書面的基礎上，同時更進一步提高實踐動手能力。覺得課程設計反映的