步進電機控制

1、邵超凡 12011452微機接口技術課程設計說明書 課題名稱：步進電機控制 學 院：機械設計制造及其自動化 組 員：盧佐政 梁振振 陳燁波 邵超凡 林言丕 向唐倚天 指導老師：孔敏 王萬強 日 期：2015年9月23日 目 錄1. 課程設計任務書2一、任務要求2二、主要技術要求2三、主要完成任務2四、提交成果3五 時間安排3六注意事項32.說明書正文42.1 前 言42.2 現(xiàn) 狀42.3 任務分析與方案設計6(1)、任務分析6(2)、方案設計72.4 系統(tǒng)設計與開發(fā)9(1)、接口電路設計9(2)、軟件設計開發(fā)132.5 元器件參數(shù)選擇及清單152.6 軟硬件調試153. 心得體會164.參考

2、文獻175.附錄：171. 課程設計任務書一、任務要求 在Dais實驗臺基礎上設計并調試一個外接口電路，能夠顯示所對應的電機狀態(tài)。且具有一定的控制功能，編程并調試完成整個開發(fā)系統(tǒng)。每組一題，分別由五位同學合作完成。二、主要技術要求 實現(xiàn)步進電機轉速和正反轉控制?？刂扑南嗖竭M電機是采用編程方法實現(xiàn)四相八拍環(huán)形分配運行方式，改變激勵脈沖頻率的大小來實現(xiàn)調制。變換步進電機的其中兩相相序，就能實現(xiàn)步進電機的正反轉。 擴展一：用三個發(fā)光二極管亮滅表示三個速度開關的狀態(tài)。再用一個發(fā)光二極管亮滅表示正反轉狀態(tài)。 擴展二：用數(shù)碼管顯示速度狀態(tài)。三、主要完成任務 1、查找相關資料，確定課程設計方案； 2、微機接

3、口電路硬件的焊接、裝配、逐步排除故障及調試： 3、用Protel2004繪制微機最小系統(tǒng)配置原理圖； 4、用Protel2004繪制相關項目的接口原理圖； 5、編寫相關項目的程序，并進行調試； 6、按照相關項目內容要求，上級進行調試； 7、編寫課程設計報告。四、提交成果 1）課程設計說明書一本（電子文檔和打印稿各一份） 要求：內容完整，圖表完備，條理清晰，分析有據(jù)。 所附電路圖布局合理，清晰完備，圖形和符號要規(guī)范。 2）所用元器件清單 3）電路實體一套。 要求：該電路實體必須是經過自己安裝調試通過并達到性能指標要求的電路實體。5 時間安排 9月16號9月26號 地點：機械學院微機原理實驗室 9

4、月16日 上午 分組及分配課程設計任務 下午 查找資料，初擬總體方案 9月17日 分發(fā)參考資料，討論確定總方案，上機熟悉protel2004軟件 9月17日9月20日 完成微機最小系統(tǒng)配置原理圖，相關項目接口電路原理圖及 各項接口，借領工具，pcb板及相關器件。 9月24日9月25日 答辯及驗收課程設計成果（歸還所借工具，上交課程設計成果） 9月25日9月26日 提交修改后的最終報告及成果六注意事項 1.按時上下機，嚴禁玩游戲，注意公共衛(wèi)生。 2.愛護實驗室內一切實驗設施，違者按零分計算。 3愛護借用的工具，丟失工具按原價賠償。估計損壞工具者按零分記，并原價賠償。 4注意安全。下課時關閉總閘與

5、空調，拔掉電烙鐵，關好門窗。 5.不準用筆在實驗室桌上亂寫亂畫。 2.說明書正文 2.1 前 言本次的微機原來與接口技術課程設計主要涉及到微機原理，微機接口技術，匯編語言或者c語言，電工學（數(shù)電，模電）等學科。其中，電工學是硬件電路的基礎，必須有相應的基礎才能看懂電路，分析電路的功能。其次，語言則是軟件基礎，要實現(xiàn)微機控制，就必須有相應的軟件程序。因此，必須具備讀并編寫程序的能力。而微機原理和微機接口技術則是本次課程設計所需要的理論核心。只有具備相應理論知識之后才能分析軟硬件的實際控制過程。2.2 現(xiàn) 狀步進電動機已成為除直流電動機和交流電動機以外的第三類電動機。傳統(tǒng)電動機作為機電能量轉換裝置

6、，在人類的生產和生活進入電氣化過程中起著關鍵的作用?？墒窃谌祟惿鐣M入自動化時代的今天，傳統(tǒng)電動機的功能已不能滿足工廠自動化和辦公自動化等各種運動控制系統(tǒng)的要求。為適應這些要求，發(fā)展了一系列新的具備控制功能的電動機系統(tǒng)，其中較有自己特點，且應用十分廣泛的一類便是步進電動機。步進電動機的發(fā)展與計算機工業(yè)密切相關。自從步進電動機在計算機外圍設備中取代小型直流電動機以后，使其設備的性能提高，很快地促進了步進電動機的發(fā)展。另一方面，微型計算機和數(shù)字控制技術的發(fā)展，又將作為數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行部件的步進電動機推廣應用到其他領域，如電加工機床、小功率機械加工機床、測量儀器、光學和醫(yī)療儀器以及包裝機械等。任何一種產

7、品成熟的過程，基本上都是規(guī)格品種逐步統(tǒng)一和簡化的過程?，F(xiàn)在，步進電動機的發(fā)展已歸結為單段式結構的磁阻式、混合式和爪極結構的永磁式三類。爪極電機價格便宜，性能指標不高，混合式和磁阻式主要作為高分辨率電動機，由于混合式步進電動機具有控制功率小，運行平穩(wěn)性較好而逐步處于主導地位。最典型的產品是二相8極50齒的電動機，步距角1.8°0.9°（全步半步）；還有五相10極50齒和一些轉子100齒的二相和五相步進電動機，五相電動機主要用于運行性能較高的場合。到目前，工業(yè)發(fā)達國家的磁阻式步進電動機已極少見。步進電動機最大的生產國是日本，如日本伺服公司、東方公司、SANYODENKI和MIN

8、EBEA及NPM公司等，特別是日本東方公司，無論是電動機性能和外觀質量，還是生產手段，都堪稱是世界上最好的?，F(xiàn)在日本步進電動機年產量（含國外獨資公司）近2億臺。另外的結論是HB型電動機更適合于低速大轉矩用途；RM型適用于平穩(wěn)運行以及轉速大于1000r/min的用途；而PM型成本低，在低轉速時的振動和高轉速時的大轉矩方面，三相PM型電動機比兩相電動機的性能要好。因此，當前最有發(fā)展前景的當屬混合式步進電動機，而混合式電動機又向以下四個方向發(fā)展：發(fā)展趨勢之一，是繼續(xù)沿著小型化的方向發(fā)展。隨著電動機本身應用領域的拓寬以及各類整機的不斷小型化，要求與之配套的電動機也必須越來越小，在57、42機座號的電動

9、機應用了多年后，現(xiàn)在其機座號向39、35、30、25方向向下延伸。瑞士ESCAP公司最近還研制出外徑僅10mm的步進電動機。發(fā)展趨勢之二，是改圓形電動機為方形電動機。由于電動機采用方型結構，使得轉子有可能設計得比圓形大，因而其力矩體積比將大為提高。同樣機座號的電動機，方形的力矩比圓形的將提高3040。發(fā)展趨勢之三，對電動機進行綜合設計。即把轉子位置傳感器，減速齒輪等和電動機本體綜合設計在一起，這樣使其能方便地組成一個閉環(huán)系統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控制性能。發(fā)展趨勢之四，向五相和三相電動機方向發(fā)展。目前廣泛應用的二相和四相電動機，其振動和噪聲較大，而五相和三相電動機具有優(yōu)勢性。而就這兩種電動機而言

10、，五相電動機的驅動電路比三相電動機精密且復雜，因此三相電動機系統(tǒng)的價格比要比五相電動機更低一些。摘自上海昀研自動化科技有限公司官網(wǎng) 2.3 任務分析與方案設計(1)、任務分析任務與功能分析 ：A：步進電機正反轉控制。四相步進電機是采用編程方法實現(xiàn)四相八拍環(huán)形分配運行方式?？梢酝ㄟ^軟件改變步進電機輸出的相序（由8255A芯片的A口的四位作為輸出口），就能實現(xiàn)步進電機的正反轉。如果正轉為A-AB-B-BC-C-CD-D-DA的相序循環(huán)，那么反轉為DA-D-CD-C-BC-B-AB-A的相序循環(huán)。B：步進電機速度控制。步進電機的轉速是由脈沖頻率的大小來控制的。實際可以由軟件不同時長的延時程序來控制頻

11、率。可以采用8255A的B口作為開關量輸入口。由程序選擇不同延時時間。C：用發(fā)光二極管亮滅顯示速度及正反轉狀態(tài)。經過討論，決定用8255A的C口低四位作為輸出，控制發(fā)光二極管的亮滅。D：可以采用調用子程序的方式，實現(xiàn)不同速度的數(shù)碼管顯示。關鍵是要協(xié)調步進電機脈沖的延時和顯示的刷新問題。組內分工：盧佐政，向唐倚天：軟件編程，軟硬件聯(lián)合調試以及故障排除。陳燁波，梁振振：負責硬件接口電路的焊接和硬件的初步故障排除。邵超凡，林言丕：圖紙原理分析，電路原理圖，最小模式圖繪制。 (2)、方案設計步進電機是按照一定順序和規(guī)律向電機四相輸入脈沖來實現(xiàn)電機的運轉?？刂祁l率和輸出順序實現(xiàn)速度和正反轉控制。硬件方案

12、：因為我們采用微機來控制步進電機。所以實際需要的的硬件組成主要有以下兩部分，一部分是8088最小系統(tǒng)，另一部分是步進電機接口電路。由于采用的是8255A可編程控制器來實現(xiàn)外部輸入輸出。所以具體電路應該如下：首先是最小系統(tǒng)利用三八譯碼器連接一片8255A用來片選。然后8255A芯片的A口連接步進電機接口電路的輸入端，步進電機接口電路的輸出端連步進電機。最后8255A的B口按照方案是用來作為輸入口的，因此，跟開關電路連接。為了實現(xiàn)發(fā)光二極管功能，我們再利用了8255A的C口低四位作為輸出端，因此要把低四位管腳分別跟四個發(fā)光二極管電路連接。由于還用到數(shù)碼管的顯示，因此微機系統(tǒng)還要擴展數(shù)碼管電路。由于

13、Dais實驗臺已經內部連好微機的最小系統(tǒng)和數(shù)碼管擴展電路，所以實際不需要連接。軟件方案：軟件最根本的是實現(xiàn)電機的轉動，也就是要輸出一個脈沖信號。因此程序的核心是一個循環(huán)體。因此，軟件的結構是初始化部分和循環(huán)體部分。（這里指程序主體部分，即代碼段，整個程序還包含變量設定等。）初始化部分：初始化部分主要包含以下幾個內容。1.8255A芯片的初始化。2.發(fā)光二極管全滅程序。3.使步進電機首先轉到一個初始位置。循環(huán)體部分：1.電機運轉。實現(xiàn)脈沖輸出四相的規(guī)律變化有多種方式，比如利用移位指令。（對于單拍或者雙拍方式十分方便，不過本實驗是單雙拍混合方式。）還有利用查表方式（這種方式每一輪八拍結束后，又要讓

14、他跳回，至少用到2個寄存器，一個放偏移地址，一個計數(shù)。）我最終選擇了dais實驗平臺自帶的步進電機程序的循環(huán)方式。即直接給立即數(shù)，每八拍結束后程序重新開始循環(huán)。缺點是每八拍結束后的延時時間會相對較長，延時不相等?？紤]到本次實驗精度要求不高，并且有利于程序簡單化，我選用了這種循環(huán)方式。2.開關控制。因為需要速度轉向控制，那必須檢測開關量信息。因此，決定在程序循環(huán)體開頭部分加上從8255A的B口取數(shù)據(jù)并比較指令。首先判斷速度開關后，然后跳轉到對應速度控制的程序段，存延時程序需要的數(shù)據(jù)來控制脈沖頻率。接著判斷正反轉開關，再跳轉到正反轉對應的八拍輸出的程序段。當沒開關打開時，則只要跳回循環(huán)體開頭，重新

15、檢測開關信息，電機停止轉動。3發(fā)光二極管控制。在速度開關檢測結束后的對應速度控制程序段內加上指令分別送對應的數(shù)據(jù)到8255A的C口來控制對應的二極管發(fā)光。然后在正反轉輸出程序段開頭可以加上指令來實現(xiàn)正反轉指示燈的亮滅。4.數(shù)碼管顯示。由于數(shù)碼管顯示和電機延時程序都要由cpu實現(xiàn)，而cpu只有一個。因此采用數(shù)碼管顯示程序來代替步進電機控制頻率的延時程序。讓原本的延時階段的cpu去處理顯示。這樣就可以處理好兩者的沖突問題。由于此時寄存器重復使用較多，要注意有用數(shù)據(jù)的保護。顯示程序可以參考dais實驗平臺自帶的數(shù)碼管顯示程序。5.對于高級模塊的軟件編寫思考。我認為，在我這樣的軟件結構上，很好實現(xiàn)通過

16、溫度，位移，重量的測量來控制步進電機。只要把原本程序中從8255A的B口取開關量改成從A/D轉換器中取數(shù)據(jù)量，再加上數(shù)據(jù)轉換的指令。然后，修改一下判斷開關的那段程序。要實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時顯示，則只要把轉化好的數(shù)據(jù)代替原本我自己設定的一個立即數(shù)送去顯示即可。2.4 系統(tǒng)設計與開發(fā)(1)、接口電路設計微機最小模式系統(tǒng)：微機最小模式系統(tǒng)是單機系統(tǒng)，系統(tǒng)中所需要的控制信號全部由8086cpu本身直接提供。基本配置包括：存儲器、I/O芯片、基本時鐘發(fā)生器、地址鎖存器、數(shù)據(jù)緩沖器。（a）圖中的串口電路主要用來實現(xiàn)通訊，連接dais實驗臺和計算機的就是串口線。8255A則是本課程設計要需要而連接的芯片。CPU是核

17、心，控制所有指令操作。而擴展的外部存儲器，8255A，計時器，可編程串行通訊器都連接在74LS138的輸出口。利用三八譯碼器來片選。數(shù)據(jù)鎖存器則是所存地址用的。因為數(shù)據(jù)總線和地址總線是同一根，采用分時復用的方式。所以必須要有地址鎖存器。時鐘脈沖發(fā)生器產生的脈沖則是為CPU工作的前提。步進電機接口電路：步進電機需要有對應的步進電機驅動器才能工作。而步進電機驅動器要求的輸入信號和接口實際輸入的信號是相反的，因此在每相加上一個三極管來起到取反作用。如（b）圖的jp1中的管腳1輸出高電平，對應Q1導通，在R5上有較大的壓降。則步進電機驅動器的輸入管腳IN1為低電平。反之，如果管腳輸出低電平，則Q1截止

18、，在R5上的壓降很小。因此，管腳IN1的輸入就為高電平。最小系統(tǒng)配置參考原理圖的修正：1.74LS138的A、B、C三個管腳是用來片選的，必須要接cpu的三個地址線。否則，cpu就不能控制該芯片，也就不能正常的片選。2.最小系統(tǒng)模式則管腳MN/必須要給高電平。3.外部存儲器和8255A之間不能直接傳數(shù)據(jù)。都必須通過總線把數(shù)據(jù)先送到cpu寄存器后才能傳輸。所以必須跟總線連。4.兩個總線收發(fā)器應該是OE管腳和OE管腳相連。T管腳和T管腳相連。互連是錯誤的。5.cpu的管腳不應該連地址寄存器的地址線。它是高位使能引腳。6.圖中只有4根地址線用來尋址，尋址范圍很小，且外部存儲器地址分配不連續(xù)，因此如（

19、a）圖重新連接。7.計時器需要設置工作方式，即初始化。因此，必然有數(shù)據(jù)總線與之連通。由于空間問題，并沒有在（a）圖中畫出。（a）微機8986最小模式系統(tǒng)配置原理圖（b）步進電機接口原理圖 (2)、軟件設計開發(fā) 軟件設計流程圖：(c)主程序流程圖(d)延時顯示程序流程圖2.5 元器件參數(shù)選擇及清單（1） 元器件的選擇 表1元器件清單元件名稱圖紙上的標號參數(shù)或備注數(shù)量 輸入輸出接口JP1信號輸入插口1JP2信號輸出插口1H1電源正極連線端1H2電源負極連線端1電阻R1R81K8三極管Q1Q4C26554步進電機驅動器ULN2003A1(2) 參數(shù)選擇電源：5V電機轉速要求：01500r/min2.

20、6 軟硬件調試由于本課程接口電路比較簡單，負責焊接的兩位組員也有焊接電路板的經驗，硬件焊接質量比較好。只是在之后試驗的時候，我和許孝華發(fā)現(xiàn)有一處跳線沒焊接，導致電機的其中一相輸入電路不通，導致電機不能正常運轉，并及時焊上解決問題。軟件調試首先由我解決編譯錯誤。接著由于最初試驗不能運轉，由孝華進行了單步運行調試，發(fā)現(xiàn)軟件運行到一個循環(huán)嵌套后不能跳出。然后我們直接采用單個循環(huán)的方式替換原方案。接著軟硬件聯(lián)合試驗的時候，由于電機只能振動，不能運轉。經過我和孝華比較長時間的討論研究并排除脈沖頻率過快，電路板焊接問題，接線問題等原因后，最后發(fā)現(xiàn)是由于兩相接線之間裸露部分有干擾后，順利實現(xiàn)實驗的基本要求。

21、在原來的程序基礎上加上發(fā)光二極管的控制程序后，試驗一次成功。在加顯示程序的時候，由于A,B,C,D寄存器都已經多次使用并且已都入棧過，為了避免混亂，我不得已采用了DI存數(shù)據(jù)，導致顯示時，出現(xiàn)亂碼。最后重新分配協(xié)調了一下寄存器的使用，并解決了此問題。這樣，本次課程設計順利完成任務目標。 3. 心得體會本次課程設計，是一次理論聯(lián)系實際的綜合訓練，包含軟件，硬件，還有原理圖。大家合理分配，各施所長，不但成功解決了問題，而且讓我對理論知識有了更直觀的理解。雖然上個學期對于步進電機有過一定了解，但是再次面對時仍然覺得很陌生，遇到了不少阻礙，但是在老師的指導下，還是被完美地解決了。這次實踐讓我對最小系統(tǒng)的

22、工作方式，步進電機的控制，匯編語言的編寫有了更深層次的理解。同時，我也對軟硬件的結合有了更清晰的認識。我相信，再次遇到此類課題，我不會再像之前那樣手足無措。4.參考文獻1周佩玲，彭虎，傅忠謙編。微機原理與接口技術（基于16位機）。電子工業(yè)出版社。2李國棟，汪新中，陸志平，周盛華編。微機原理與接口技術課程設計。浙江大學出版社。3.鄒逢興，滕秀梅，徐曉紅編。微型計算機原理與接口技術實驗指導。清華大學出版社。5.附錄：參考源程序參考了DAIS實驗臺內置實驗的步進電機驅動程序和數(shù)碼管顯示程序。具體程序可以自行查閱。主要是借鑒了步進電機程序八拍一循環(huán)的方式。采用了顯示程序的子程序調用方式，并修正使其與本

23、課程設計的程序相兼容。軟件源程序： CODE SEGMENT ASSUME CS:CODE,DS:CODE,ES:CODE P55A EQU 0FFD8H ;8255 A 口地址 P55B EQU 0FFD9H ;8255 B 口地址 P55C EQU 0FFDAH ;8255 C 口地址 P55CTL EQU 0FFDBH ;8255 控制口地址 ZXK EQU 0FFDCH ;字形口地址 ZWK EQU 0FFDDH ;字位口地址 ORG 3620HSTART: MOV DX,P55CTL ;8255A初始化 MOV AL,82H OUT DX,AL NOP NOP NOP MOV AL,

24、0FFH ;C口置高位，低電平亮。 MOV DX,P55C OUT DX,AL MOV AL,03H MOV DX,P55A OUT DX,AL MOV BUF,00H MOV BUF+1,08H MOV BUF+2,03H MOV BUF+3,02HIOLED1:MOV DX,P55B ;輸入開關信息 IN AL,DXIN1: TEST AL,03H JZ STOP TEST AL,05H JZ STOP TEST AL,06H JZ STOP TEST AL 07H JZ STOP TEST AL,01H ;檢測各速度開關 JZ K0 TEST AL,02H JZ K1 TEST AL,0

25、4H JZ K2STOP: MOV BX,0FFH CALL LIGHT JMP IOLED1 ;若沒速度控制開關打開，則停止。K0: MOV BX,0FEH ;第一盞燈亮 CALL LIGHT MOV SI,0050H ;用來控制延時時間 MOV BL,0AAH ;AA存入BL顯示用。SAM: TEST AL,08H ;檢測開關K3有無打開，控制正反轉。 JZ ZX0 JMP NX0K1: MOV BX,0FDH ;第二盞燈亮 CALL LIGHT MOV SI,090H ;用來控制延時時間 MOV BL,0BBH ;BB存入BL顯示用。 JMP SAMK2: MOV BX,0FBH ;第三

26、盞燈亮 CALL LIGHT MOV SI,0120H ;用來控制延時時間 MOV BL,0CCH ;CC存入BL顯示用。 JMP SAMZX0: PUSH BX MOV BX,0F7H CALL LIGHT1 POP BX CALL JDAS MOV DX,P55A ;正轉八拍 MOV AL,02H OUT DX,AL CALL XDELAY MOV AL,06H OUT DX,AL CALL XDELAY MOV AL,04H OUT DX,AL CALL XDELAY MOV AL,0CH OUT DX,AL CALL XDELAY MOV AL,08H OUT DX,AL CALL XDELAY MOV AL,09H OUT DX,AL CALL XDELAY MOV AL,01H OUT DX,AL CALL XDELAY MOV AL,03H OUT DX,AL CALL XDELAY JMP IOLED1NX0: PUSH BX MOV BX,0FFH CALL LIGHT1 POP BX CALL JDAS MOV DX,P55A ;反轉八拍 MOV AL,01H OUT DX,AL CALL XDELAY MOV AL,09H OUT DX,AL CALL XDELAY MOV AL,08H OUT DX,AL CALL XDELAY MOV AL,