微型計(jì)算機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)

1、PAGE PAGE 11微型計(jì)算機(jī)技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)張德煌 編微型計(jì)算機(jī)技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)步進(jìn)電機(jī)綜合控制實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹繉W(xué)習(xí)通過(guò)并行接口對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行結(jié)合控制的設(shè)計(jì)原理和方法了解步進(jìn)電機(jī)控制的基本原理掌握8255、8253、ULN2003、74LS373等芯片的使用?！緦?shí)驗(yàn)器材】硬件：PC機(jī)一臺(tái)、SXL_100型實(shí)驗(yàn)箱、步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)箱及連接線(xiàn)若干。軟件：MASM5、DEBUG、LINK、EDIT或者M(jìn)ASM6.11?！緦?shí)驗(yàn)原理】一、步進(jìn)電機(jī)工作原理步進(jìn)電機(jī)是過(guò)程控制及儀表中常用的控制元件。可實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)位移、旋轉(zhuǎn)，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。步進(jìn)電機(jī)有快速啟停、精確步進(jìn)定位的特點(diǎn)，因而在數(shù)控機(jī)床、打印機(jī)、光學(xué)儀器、

2、繪圖儀得到廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)實(shí)際上是數(shù)字角度轉(zhuǎn)換器，如三相步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如下圖所示：三相步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖從圖中可看出，電機(jī)定子上有六等分的磁極，A AB B、C C三相，每相通電時(shí)，相應(yīng)相的兩個(gè)磁極形成N極和S極，每磁極均勻分步矩形小齒，當(dāng)某相通電時(shí)對(duì)應(yīng)磁極就產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子形成磁路，如果定子、轉(zhuǎn)子的齒沒(méi)對(duì)齊，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動(dòng)一角度，使之對(duì)齊。由此可見(jiàn)，錯(cuò)齒是步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的原因。三相步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)是由脈沖控制的，用硬件產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖時(shí)序，也可由軟件產(chǎn)生。其時(shí)序可分為單三拍、雙三拍、三相六拍。即ABC；ABBCCA；AABBBCCCA。按以上次序控制電機(jī)為正轉(zhuǎn)，若顛倒次序，將使電

3、機(jī)反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速控制可改變相應(yīng)拍之間的時(shí)間。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度公式如下：n=60/（TN）式中：n步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分） N步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所需步數(shù)R1 1580509013R3 600R1 1580509013R3 600+5VPA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7三相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路+12V若N=360/3=120，T=2.083ms，則步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為240轉(zhuǎn)/分。二、四相步進(jìn)電機(jī)及技術(shù)指標(biāo)用4個(gè)開(kāi)關(guān)控制四相步進(jìn)電機(jī)的示意圖如圖(一)所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)SW1SW4按圖(b)的時(shí)序接通和斷開(kāi)就可使步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。圖(一)四相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)示意圖(a)四相步進(jìn)電機(jī)連接示意圖(b)開(kāi)關(guān)接通定時(shí)關(guān)

4、系步進(jìn)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)： 工作電壓。工作電壓即步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)所要求的工作電壓。 繞組電流。如圖所示的步進(jìn)電機(jī)有4相繞組，只有繞組有電流時(shí)，才能建立磁場(chǎng)，且不同相上電流的有無(wú)即決定步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)。不同的步進(jìn)電機(jī)，其額定繞組電流不一樣。步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)應(yīng)使其工作在此電流之下。 轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。轉(zhuǎn)動(dòng)力矩是指在額定條件下(電流，電壓)，步進(jìn)電機(jī)的軸上所能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，單位通常為牛頓每厘米(N/cm)或克每厘米(g/cm)或千克每厘米(kg/cm)。 每步轉(zhuǎn)角。步進(jìn)電機(jī)每走一步實(shí)際上就是其轉(zhuǎn)子(軸)轉(zhuǎn)一個(gè)角度。不同的電機(jī)，每步轉(zhuǎn)的角度不一樣。小的有0.5/步、1.5/步，大的到15/步。在應(yīng)用中可根據(jù)用戶(hù)的需求

5、選用。 工作頻率。所謂工作頻率，就是步進(jìn)電機(jī)每秒鐘能走的額定步數(shù)。例如，有的工作頻率500 Hz，就意味著每一步需要2 ms。目前頻率高的可達(dá)10 kHz。激勵(lì)方式。目前四相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的激勵(lì)方式有如下3種： a一相激勵(lì)方式，其激勵(lì)波形如圖二(a)所示。在這種方式中，步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)溫升較高，電源功耗小。當(dāng)速度較高時(shí)容易產(chǎn)生失步。 b二相激勵(lì)方式，其激勵(lì)波形如圖二(b)所示。在這種方式中，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)溫升較高，電源功率較大，不容易失步。c一一二相激勵(lì)方式，其激勵(lì)波形如圖二(c)所示。在這種方式中，步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)介于a和b兩者之間，每轉(zhuǎn)動(dòng)一次只走半步。圖二 四相步進(jìn)電機(jī)的各種激勵(lì)波形(a)

6、一相激勵(lì)波形 (b)二相激勵(lì)波形 (c)一一二相激勵(lì)波形圖三 步進(jìn)電機(jī)控制電路框圖一般步進(jìn)電機(jī)控制電路框圖如圖三所示。它由脈沖分配電路和驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。脈沖分配器有2個(gè)輸入信號(hào)：一個(gè)是步進(jìn)脈沖，每輸入一個(gè)步進(jìn)脈沖，脈沖分配器的4相輸出時(shí)序?qū)l(fā)生一次變化，從而使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步；另一個(gè)是方向控制信號(hào)，它的2個(gè)不同狀態(tài)將使脈沖分配器產(chǎn)生不同方向的步進(jìn)時(shí)序脈沖，從而控制步進(jìn)電機(jī)是順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)還是逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。脈沖分配器的4相激勵(lì)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后，再接到步進(jìn)電機(jī)的激勵(lì)繞組上，圖二 四相步進(jìn)電機(jī)的各種激勵(lì)波形(a)一相激勵(lì)波形 (b)二相激勵(lì)波形 (c)一一二相激勵(lì)波形圖三 步進(jìn)電機(jī)控制電路框圖三、步進(jìn)電機(jī)的

7、速度控制由于步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)時(shí)是機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，因而有慣性存在。當(dāng)從靜止?fàn)顟B(tài)使步進(jìn)電機(jī)連續(xù)步進(jìn)時(shí)，相當(dāng)于開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)的速度為0。它不可能立即就達(dá)到它的最大頻率(轉(zhuǎn)速)，這需要一個(gè)由慢到快的逐漸加速的過(guò)程。如果不這樣做，就可能由于慣性而失步比如，開(kāi)始該走30步，實(shí)際上只走了28步而丟失了2步。 同樣，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)正以最高的頻率步進(jìn)時(shí)，讓它立即停下來(lái)，它很可能停不下來(lái)而多走了幾步，這當(dāng)然也會(huì)造成錯(cuò)誤。因此，在停下來(lái)之前應(yīng)當(dāng)有一個(gè)逐漸減速的過(guò)程，到該停止的位置時(shí)，速度已經(jīng)很慢。 如何進(jìn)行速度控制，保證步進(jìn)電機(jī)正常工作呢?正如前面步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)中所述，步進(jìn)電機(jī)的速度與每步所用的時(shí)間有關(guān)。每步時(shí)間越長(zhǎng)，則速度就越慢

8、。因此，只要控制每步的延時(shí)時(shí)間，便可以控制步進(jìn)的速度。為此，我們可以按照上面的思路對(duì)每一步延時(shí)時(shí)間進(jìn)行控制，使速度如圖四所示意的那樣。 圖四的示意圖就表明開(kāi)始逐步加速，結(jié)束前逐步減速。例如，開(kāi)始時(shí)第一步延時(shí)20ms，第二步延時(shí)19 ms，以每步減少1 ms的速率延時(shí)到1 ms。此時(shí)達(dá)到最高速。也就是從起始50 Hz逐步增加到1000 Hz。然后，以最高速1000 Hz運(yùn)行。當(dāng)運(yùn)行到停止步數(shù)前20步時(shí)，再每步加1ms減速；當(dāng)停止步進(jìn)時(shí)，其速度也是慢速的50 Hz。圖四 速度控制示意圖 若步進(jìn)電機(jī)一次走的步數(shù)比較少，則可一半步進(jìn)數(shù)加速，另一半步進(jìn)數(shù)減速，如圖四的虛線(xiàn)所示。顯然，加速與減速的過(guò)程不一

9、定要選20步，可以少些或更多一些。圖四 速度控制示意圖四、軟件步進(jìn)電機(jī)控制例控制四相步進(jìn)電機(jī)以雙八拍運(yùn)行方式，先向前快走100步，然后，反向慢走50步，并停止。 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方式是指各相繞組循環(huán)輪流通電的方式。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)各繞組按一定方式輪流加電，可用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。用軟件構(gòu)成循環(huán)脈沖分配器有兩種方法：控制字和循環(huán)查表法。下面僅對(duì)普遍使用的循環(huán)查表法作一介紹。循環(huán)查表法將各相繞組加電順序的控制代碼列成一張表步進(jìn)電機(jī)相序表，存放在內(nèi)存區(qū)，再設(shè)置一個(gè)地址指針。當(dāng)?shù)刂分羔樢来?1(或一1)時(shí)，可從表中取出通電的代碼輸出到步進(jìn)電機(jī)，產(chǎn)生按一定運(yùn)行方式的運(yùn)行操作。若改變相序表內(nèi)的加電代碼和地址指針的指向，則

10、可改變步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方式與方向。表一列出了四相雙八拍的相序表。表一是四相雙八拍相序表，(A)、(B)兩表的運(yùn)行方式完全相同，而加電代碼完全不同，這是因?yàn)?個(gè)繞組所分配的數(shù)據(jù)線(xiàn)不同。表一(A)中每個(gè)繞組只分配了1根數(shù)據(jù)線(xiàn)，而表(B)中，每個(gè)繞組分配了2根數(shù)據(jù)線(xiàn)。由此可見(jiàn)，相序表中的加電代碼要根據(jù)繞組的連接情況來(lái)確定，另外相序表的地址單元由用戶(hù)指定表一中的地址單元是可以改變的。表一(A)繞組分配運(yùn)行方式相序表DCBA雙八拍加電代碼地址單元D7 D6 D5 D4D3D2D1D0O 0 O OO011AB03H400H0 O O O0lllABC07H401H0 O O O011OBC06H402HO

11、 O O Ol110BCD0EH403HO O O O11OOCDOCH404HO 0 0 Ol101CDA0DH405H0 0 Q O10OlDA09H406H0 0 O O101l DAB0BH407H表一(B)繞 組 分 配運(yùn)行方式相序表DCBA雙八拍加電代碼地址單元D7D6D5D4D3D2D1D0O 0O 01 ll 1AB0FH400HO 01 11 l1 1ABC3FH401HO 01l lO 0BC3CH402H1 11 11 1O OBCD0FCH403H1 11 10 00 0CD0F0H404H1 11 10 01 1CDA0F3H405H1 10 00 01 1DA0C3

12、H406H1 10 01 11 1DAB0CFH407H步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速度的控制軟件延時(shí)法控制步進(jìn)電機(jī)速度有兩個(gè)途徑：一是硬件改變輸入脈沖的頻率，通過(guò)對(duì)定時(shí)器(如：8253)定時(shí)常數(shù)的設(shè)定，使其升頻、降頻或恒頻；二是軟件延時(shí)，調(diào)用延時(shí)子程序。應(yīng)該指出的是，步進(jìn)電機(jī)的速度還受到本身矩頻特性的限制，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足運(yùn)行頻率與負(fù)載力矩之間的固定關(guān)系，否則，就會(huì)產(chǎn)生失步或無(wú)法工作的現(xiàn)象。 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)：步進(jìn)電機(jī)在系統(tǒng)中是一種執(zhí)行元件，都要帶負(fù)載，因此，需要功率驅(qū)動(dòng)。在電子儀器和設(shè)備中，一般所需功率較小，常采用達(dá)林頓復(fù)合管作功率驅(qū)動(dòng)（如 ULN2003）。 1.硬件設(shè)計(jì)ULN2003圖五 步進(jìn)電機(jī)控制接口原

13、理圖 接口電路以8255A為主控芯片，包括鎖存器74LS373，功率驅(qū)動(dòng)管ULN2003圖五 步進(jìn)電機(jī)控制接口原理圖2.軟件設(shè)計(jì)在編寫(xiě)程序之前，要建立一個(gè)相序表。相序表的建立應(yīng)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方式的要求及各繞組與8255A端口連接情況來(lái)確定加電代碼。根據(jù)圖五接口電路的連接情況，可以寫(xiě)出相序表中雙八拍運(yùn)行方式的加電代碼為0FH，3FH，3CH，0FCH，?FOH，0F3H，0C3H，0CFH，其程序流程圖，程序清單如下：CODE SEGMENT ASSUME CS：CODE，DS：CODE ORG 100HSTART：JMP BEGINPSTB DB 0FH，3FH，3CH，0FCH，0FOH，

14、0F3H，0C3H，0CFHBEGIN：MOV AX，CSMOV DS,AXMOV DX，303H ；8255A初始化MOV AL，81H OUT DX，ALMOV AL，0FH ；關(guān)閉373OUT DX，ALMOV CH，100 ；正走步數(shù)一CHL1： MOV CL，08 ；循環(huán)次數(shù)一CLMOV SI，OFFSET PSTB ；正走相序表指針L2： MOV DX，301H ；相序表內(nèi)容一PB口MOV AL，SIOUT DX，ALMOV DX，303H ；打開(kāi)373MOV AL，0EH0UT DX，ALMOV BX，0FFFH ；延時(shí)1DLl： DEC BXJNZ DLlMOV AL，0FH

15、；關(guān)閉373 、0UT DX，ALMOV BX，OFFH ；延時(shí)2DL2： DEC BXJNZ DL2INC SI ；指針加1DEC CH ；正走步數(shù)減1JZ REW ；100步已到，則轉(zhuǎn)反走。DEC CL ；100步未到，則檢測(cè)循環(huán)次數(shù)JNZ L2 ；循環(huán)次數(shù)不到8次，則繼續(xù)送數(shù)JMP L1 ；已到8次，則重新賦值REW： MOV CH，50 ；反走步數(shù)一CHL3： MOV CL，08 ；循環(huán)次數(shù)一CLMOV SI，OFFSET PSTB+7 ；反走相序表指針L4： MOV DX，30lH ；相序表內(nèi)容一PB口MOV AL，SIOUT DX，ALMOV DX，303H ；打開(kāi)373MOV A

16、L，0EHOUT DX，ALMOV BX，0FFFOH ；延時(shí)3DL3：DEC BXJNZ DL3MOV AL，OFH ；關(guān)閉373OUT DX，ALMOV BX，0FF0H ；延時(shí)4DL4：DEC BXJNZ DL4DEC SI ；指針減1DEC CH ；反走步數(shù)減1JZ DONE ；50步已到，則返回監(jiān)控DEC CL ；50步未到，則檢測(cè)循環(huán)次數(shù)JNZ L4 ；循環(huán)次數(shù)未到，則繼續(xù)送數(shù)JMP L3 ；循環(huán)次數(shù)已到8次，則重新賦值DONE：MOV AX，4C00H ；主程序終止，退出INT 21H ；返回DOSCODEENDSENDSTART步進(jìn)電機(jī)控步進(jìn)電機(jī)控制程序流程圖【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】在實(shí)驗(yàn)

17、箱上用開(kāi)關(guān)控制步進(jìn)電機(jī)增速、減速、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。并數(shù)碼顯示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。用匯編語(yǔ)言按上述要求編寫(xiě)相應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序?！緦?shí)驗(yàn)步驟】步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)箱上五個(gè)插坐孔與8255的A口PA0-PA3（B口PB0-PB3、C口PC0-PC3）連接。調(diào)試步進(jìn)電機(jī)進(jìn)入DEBUG狀態(tài)執(zhí)行以下步驟（1）-O 8255控制字地址 80（2）-O 8255C口地址 FE（3）-O 8255C口地址 FD（4）-O 8255C口地址 FB（5）-O 8255C口地址 F7 8255口地址的真實(shí)地址為PCI接口板的IO地址加上0H為真實(shí)地址。如PCI的IO起始地址為DC00H則8255的地址為DC00H。同理74LS24

18、4真實(shí)口地址為PCI接口板的IO地址加上60H為真實(shí)地址。8253真實(shí)口地址為PCI接口板的IO地址加上20H為真實(shí)地址。(參閱微機(jī)技術(shù)相關(guān)實(shí)驗(yàn))觀察步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，分析原因，直到步進(jìn)電機(jī)能轉(zhuǎn)動(dòng)四步為止。3. 再依次輸入相應(yīng)的編碼，使步進(jìn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)四步。4. 調(diào)試數(shù)碼顯示（1）O 8255控制字地址 80H（2）O 8255 A口地址92H（4）O 8255 B口地址FEH（5）O 8255 A口地址A4H（6）O 8255 B口地址FDH（7）O 8255 A口地址92H（8）O 8255 B口地址FBH（9）O 8255 A口地址A4H（10）O 8255 B口地址F7H5. 調(diào)試開(kāi)關(guān)輸入（1）開(kāi)關(guān)全置高電平，輸入命令I(lǐng) 74LS244口地址（2）開(kāi)關(guān)全置低電平，輸入命令I(lǐng) 74LS244口地址（3）置相應(yīng)開(kāi)關(guān)，輸入命令I(lǐng) 74LS244口地址，得到AA或556. 構(gòu)造步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，完成以下實(shí)驗(yàn)要求。（1）用8255C口作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行；開(kāi)關(guān)輸入控制步進(jìn)電機(jī)的各種命令（參閱微機(jī)技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)實(shí)驗(yàn)