微型計算機技術(shù)綜合實驗

微型計算機技術(shù)

綜合實檢

張德煌編

微型計算機技術(shù)綜合實驗

——步進電機綜合控制實驗

【實驗?zāi)康摹?/p>

1.學(xué)習(xí)通過并行接口對步進電機進行結(jié)合控制的設(shè)計原理和方法

2.了解步進電機控制的基本原理

3.掌握8255、8253、ULN2003、74LS373等芯片的使用。

【實驗器材】

硬件：PC機一臺、SXL__100型實驗箱、步進電機實驗箱及連接線若

干。

軟件：MASM5、DEBUG>LINK、EDIT或者MASM6.11。

【實驗原理】

一、步進電機工作原理

步進電機是過程控制及儀表中常用的控制元件?？蓪崿F(xiàn)直線位移、旋

轉(zhuǎn)，對執(zhí)行機構(gòu)進行控制。步進電機有快速啟停、精確步進定位的特點，

因而在數(shù)控機床、打印機、光學(xué)儀器、繪圖儀得到廣泛應(yīng)用。

步進電機實際上是數(shù)字角度轉(zhuǎn)換器，如三相步進電機的結(jié)構(gòu)如下圖所

示：

三相步進電機的結(jié)構(gòu)圖

從圖中可看出，電機定子上有六等分的磁極，AA'BB'、CC'三相,

每相通電時，相應(yīng)相的兩個磁極形成N極和S極，每磁極均勻分步矩形小

齒，當(dāng)某相通電時對應(yīng)磁極就產(chǎn)生磁場，并與轉(zhuǎn)子形成磁路，如果定子、

轉(zhuǎn)子的齒沒對齊，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動一角度，使之對齊。由此可見，錯齒是步進

電機轉(zhuǎn)動的原因。

步進電機的轉(zhuǎn)動是由脈沖控制的，用硬件產(chǎn)生電機轉(zhuǎn)動的脈沖時序，

也可由軟件產(chǎn)生。其時序可分為單三拍、雙三拍、三相六拍。即A-BTC；

AB—BC-CA；ATAB—B—BC—C—CA。按以上次序控制電機為正轉(zhuǎn),

若顛倒次序，將使電機反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速控制可改變相應(yīng)拍之間的時間。

電機轉(zhuǎn)動速度公式如下：

n=60/(T-N)

式中：n——步進電機的轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分)

N——步進電機旋轉(zhuǎn)一周所需步數(shù)

T——每轉(zhuǎn)動一步所需的時間(秒)

若N=36(y73o=120,T=2.083ms,則步進電機的轉(zhuǎn)速為240轉(zhuǎn)/分。

PA0

PA1

PA2

PA3

PA4

PA5

PA6

PA7

二、四相步進電機及技術(shù)指標

用4個開關(guān)控制四相步進電機的示意圖如圖(一)所示。當(dāng)開關(guān)SW1?

SW4按圖(b)的時序接通和斷開就可使步進電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

步進開關(guān)供電電源

(a)S)

圖(一)四相步進電機驅(qū)動示意圖

(a)四相步進電機連接示意圖(b)開關(guān)接通定時關(guān)系

步進電機的主要技術(shù)指標：

①工作電壓。工作電壓即步進電機工作時所要求的工作電壓。

②繞組電流。如圖所示的步進電機有4相繞組，只有繞組有電流時,

才能建立磁場，且不同相上電流的有無即決定步進電機的步進。不同的步

進電機，其額定繞組電流不一樣。步進電機工作時應(yīng)使其工作在此電流之

下。

③轉(zhuǎn)動力矩。轉(zhuǎn)動力矩是指在額定條件下(電流，電壓)，步進電機的

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)。

④每步轉(zhuǎn)角。步進電機每走一步實際上就是其轉(zhuǎn)子(軸)轉(zhuǎn)一個角度。

不同的電機，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)用戶的需求選用。

⑤工作頻率。所謂工作頻率，就是步進電機每秒鐘能走的額定步數(shù)。

例如，有的工作頻率500Hz,就意味著每一步需要2ms。目前頻率高的可

達lOkHzo

⑥激勵方式。目前四相步進電機驅(qū)動的激勵方式有如下3種：

a.一相激勵方式，其激勵波形如圖二(a)所示。在這種方式中，步進

電機工作時溫升較高，電源功耗小。當(dāng)速度較高時容易產(chǎn)生失步。

b.二相激勵方式，其激勵波形如圖二⑹所示。在這種方式中，當(dāng)步

進電機工作時溫升較高，電源功率較大，不容易失步。

c.一一二相激勵方式，其激勵波形如圖二⑹所示。在這種方式中，步

進電機的工作狀態(tài)介于a和b兩者之間，每轉(zhuǎn)動一次只走半步。

A相"T-l^I]耳T1R],A相

B相川田抽留開色相

A]!A!iM!!Fl!

O■?iiIIT1r1T~

U4??J11LJ11LJ

B相-TLiivAWvAwTA

B相

⑷(c)

圖二四相步進電機的各種激勵波形

(a)一相激勵波形(b)二相激勵波形(c)一一二相激勵波形

一般步進電機控制電路框圖如圖三所示。它由脈沖分配電路和驅(qū)

脈

沖

驅(qū)

系

輸

動

分

出

統(tǒng)脈步?jīng)_進」nUnJ

電

配

接

總

路

口

電

線

路

方向控制

圖三步進電機控制電路框圖

動電路構(gòu)成。脈沖分配器有2個輸入信號：一個是步進脈沖，每輸入

一個步進脈沖，脈沖分配器的4相輸出時序?qū)l(fā)生一次變化，從而

使步進電機轉(zhuǎn)動一步；另一個是方向控制信號，它的2個不同狀態(tài)將

使脈沖分配器產(chǎn)生不同方向的步進時序脈沖，從而控制步進電機是

順時針轉(zhuǎn)動還是逆時針轉(zhuǎn)動。脈沖分配器的4相激勵信號經(jīng)驅(qū)動電路

后，再接到步進電機的激勵繞組上，對步進電機進行功率驅(qū)動。

三、步進電機的速度控制

由丁步進電機步進時是機械轉(zhuǎn)動，因而有慣性存在。當(dāng)從靜止狀態(tài)使

步進電機連續(xù)步進時，相當(dāng)于開始轉(zhuǎn)動的速度為0。它不可能立即就達到

它的最大頻率（轉(zhuǎn)速），這需要一個由慢到快的逐漸加速的過程。如果不這

樣做，就可能由于慣性而失步——比如，開始該走30步，實際上只走了28

步而丟失了2步。

同樣，當(dāng)步進電機正以最高的頻率步進時，讓它立即停下來，它很可

能停不下來而多走了幾步，這當(dāng)然也會造成錯誤。因此，在停下來之前應(yīng)

當(dāng)有一個逐漸減速的過程，到該停止的位置時，速度已經(jīng)很慢。

如何進行速度控制，保證步進電機正常工作呢？止如前面步進電機的

技術(shù)指標中所述，步進電機的速度與每步所用的時間有關(guān)。每步時間越長,

則速度就越慢。因此，只要控制每步的延時時間，便可以控制步進的速度。

為此，我們可以按照上面的思路對每一步延時時間進行控制，使速度如圖

四所示意的那樣。

圖四的示意圖就表明開始逐步加速，結(jié)束前逐步減速。例如，開始時

第一步延時20ms,第二步延時19ms,以每步減少1ms的速率延時至”mso

此時達到最高速。也就是從起始

50Hz逐步增力口至IJ1000Hz。然后,

以最高速1000Hz運行。當(dāng)運行到

停止步數(shù)前20步時'再每步加1ms

減速；當(dāng)停止步進時，其速度也

是慢速的50Hzo

若步進電機一次走的步數(shù)比

較少，則可一半步進數(shù)加速，另

一半步進數(shù)減速，如圖四的虛線所示。顯然，加速與減速的過程不一定要

選20步，可以少些或更多一些。

四、軟件步進電機控制例

控制四相步進電機以雙八拍運行方式，先向前快走100步，然后，反向

慢走50步，并停止。

步進電機的運行方式是指各相繞組循環(huán)輪流通電的方式。為了實現(xiàn)對

各繞組按一定方式輪流加電，可用軟件來實現(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——步進電機相序表，存

放在內(nèi)存區(qū)，再設(shè)置一個地址指針。當(dāng)?shù)刂分羔樢来?1（或一1）時，可從表

中取出通電的代碼輸出到步進電機，產(chǎn)生按一定運行方式的運行操作。若

改變相序表內(nèi)的加電代碼和地址指針的指向，則可改變步進電機的運行方

式與方向。表一列出了四相雙八拍的相序表。

表?是四相雙八拍相序表，（A）、（B）兩表的運行方式完全相同，而加電代

碼完全不同，這是因為4個繞組所分配的數(shù)據(jù)線不同。表一（A）中每個繞組

只分配了1根數(shù)據(jù)線，而表（B）中，每個繞組分配了2根數(shù)據(jù)線。由此可見，

相序表中的加電代碼要根據(jù)繞組的連接情況來確定，另外相序表的地址單

元由用戶指定表一中的地址單元是可以改變的。

表一（A）

繞組分配運行方式相序表

★★★★DCBA加電地址

雙八拍代碼單元

D7D6D5D4D3D2D1DO

O0OOO011AB03H400H

()0000111ABC07H401H

()000011OBC06H402H

OOOO1110BCDOEH403H

OOOO11O0CDOCH404H

00001101CDAODH405H

00QO10O1DA09H406H

00001011DABOBH407H

表一（B）

繞組分配運行方式相序表

DCBA加電地址

雙八拍

D7D6D5D4D3D2DIDO代碼單元

OOOO1111ABOFH400H

OO111111ABC3FH401H

OO1111OOBC3CH402H

11111100BCDOFCH403H

11110000CDOFOH404H

11110011CDA0F3H405H

11000011DA0C3H406H

11001111DABOCFH407H

步進電機運行速度的控制——軟件延時法

控制步進電機速度有兩個途徑：一是硬件改變輸入脈沖的頻率，通過

對定時器（如：8253）定時常數(shù)的設(shè)定，使其升頻、降頻或恒頻；

二是軟件延時，調(diào)用延時子程序。應(yīng)該指出的是，步進電機的速度還受到

本身矩頻特性的限制，設(shè)計時應(yīng)滿足運行頻率與負載力矩之間

的固定關(guān)系，否則，就會產(chǎn)生失步或無法工作的現(xiàn)象。

步進電機的驅(qū)動：步進電機在系統(tǒng)中是一種執(zhí)行元件，都要帶負載，

因此，需要功率驅(qū)動。在電子儀器和設(shè)備中，?般所需功率較小，常采用

達林頓復(fù)合管作功率驅(qū)動（如ULN2003）o

1.硬件設(shè)計

接口電路以8255A為主控芯片，包括鎖存器74LS373,功率驅(qū)動管

TIP122,以及二極管指示燈、電阻等，如圖五所示.

ID1Q

U

L

N

3D3Q2

0

0

3

5D5Q

7D7Q

4-12V

圖五步進電機控制接口原理圖

2.軟件設(shè)計

在編寫程序之前，要建立一個相序表。相序表的建立應(yīng)根據(jù)步進

電機運行方式的要求及各繞組與8255A端口連接情況來確定加電代

碼。根據(jù)圖五接口電路的連接情況，可以寫出相序表中雙八拍運行

方式的加電代碼為OFH,3FH,3CH,OFCH,?FOH,0F3H,0C3H,

OCFH,其程序流程圖，程序清單如下：

CODESEGMENT

ASSUMECS：CODE,DS：CODE

ORG100H

START：JMPBEGIN

PSTBDBOFH,3FH,3CH,OFCH,OFOH,0F3H,0C3H,OCFH

BEGIN；：MOVAX,CS

MOVDS,AX

MOVDX,3O3H；8255A初始化

MOVAL,81H

OUTDX,AL

MOVAL,OFH;關(guān)閉373

OUTDX,AL

MOVCH,100;正走步數(shù)CH

LI：MOVCL,08;循環(huán)次數(shù)一CL

MOVSI,OFFSETPSTB;正走相序表指針

L2；MOVDX,301H；相序表內(nèi)容一PB口

MOVAL,[SI]

OUTDX,AL

MOVDX,3O3H;打開373

MOVAL,OEH

OUTDX,AL

MOVBX,OFFFH;延時1

DLI：DECBX

JNZDLI

MOVAL,OFH;關(guān)閉373、

OUTDX,AL

MOVBX,OFFH;延時2

DL2：DECBX

JNZDL2

INCSI;指針加1

DECCH;正走步數(shù)減1

JZREW；100步己到，則轉(zhuǎn)反走。

DECCL；100步未到，則檢測循環(huán)次數(shù)

JNZL2;循環(huán)次數(shù)不到8次，則繼續(xù)送數(shù)

JMPL1;已到8次，則重新賦值

REW：MOVCH,50;反走步數(shù)一CH

L3：MOVCL,08;循環(huán)次數(shù)一CL

MOVSI,OFFSETPSTB+7；反走相序表指針

L4：MOVDX,301H;相序表內(nèi)容一PB口

MOVAL,[SI]

OUTDX,AL

MOVDX,3O3H;打開373

MOVAL,OEH

OUTDX,AL

MOVBX,OFFFOH；延時3

DL3：DECBX

JNZDL3

MOVAL,OFH;關(guān)閉373

OUTDX,AL

MOVBX,OFFOH;延時4

DL4：DECBX

JNZDL4

DECSI;指針減1

DECCH;反走步數(shù)減1

JZDONE；50步已到,則返回監(jiān)控

DECCL;50步未到，則檢測循環(huán)次數(shù)

JNZL4;循環(huán)次數(shù)未到，則繼續(xù)送數(shù)

JMPL3;循環(huán)次數(shù)已到8次，則重新賦值

DONE：MOVAX,4C00H;主程序終止，退出

INT21H；返回DOS

CODEENDS

ENDSTART

步進電機控制程序流程圖

【實驗內(nèi)容】

在實驗箱上用開關(guān)控制步進電機增速、減速、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。并

數(shù)碼顯示步進電機的運行狀態(tài)。用匯編語言按上述要求編寫相應(yīng)驅(qū)動程

序。

【實驗步驟】

1.步進電機實驗箱上五個插坐孔與8255的A口PA0-PA3(B口

PB0-PB3、C口PC0-PC3)連接。

2.調(diào)試步進電機

進入DEBUG狀態(tài)執(zhí)行以下步驟

(1)-08255控制字地址80/

(2)-08255C口地址FEZ

(3)-O8255C口地址FDZ

(4)-08255C口地址FBZ

(5)-08255C口地址F7Z

8255口地址的真實地址為PCI接口板的I/0地址加上0H為真實地

址。如PCI的I/0起始地址為DC00H則8255的地址為DCOOHo同理

74LS244真實口地址為PC