694.步进电机控制系统课程设计报告

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1、 大学计算机学院 硬件课程设计报告专业：信息安全班级：信息安全06-3设计题目：步进电机控制系统组长： 学号：成员： 学号： 成员： 学号： 指导教师： 职称： 副教授 2008年 7 月 课程设计指导教师评阅书指导教师评语：成绩： 指导教师签字： 年 月 日 摘 要 在此次硬件设计实验中，我们需要运用在微机原理与接口技术上所学的汇编语言与可编程外围接口芯片8255来进行实验，在实验中所要达到的目的是使步进电机能以正序或反序两种状况下的不同速度运转。运转的速度是通过我们所编程序来激发脉冲的频率来决定时延的大小而决定的。 另外，通过上网查询得知。步进电机的应用广泛。如切割机、空调风扇等。 关键词

2、：步进电机、8255、四相四拍、时延、脉冲信号 目 录一、设计任务与要求5 1.1基本概念5 1.2仪器设备6二、总体方案设计与说明.7 2.1步进电机的驱动原理7三、硬件框图与说明.8四。、电路原理图与说明10五、软件主要模块流程图.11六、实验程序清单.12七、问题分析与解决方案14八、结论与体会15班级：信息安全06-3班小组代号：ONE ONE ONE小组成员：王东波 胡璐 吴明峰小组任务：步进电机控制系统小组口号：团结协作，不畏困难步进电机控制系统设计报告一、 设计任务与要求：基本概念：步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动

3、步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机一般可分为永磁式（PM）、反应式（VR）、混合式（HB）三种。另外，步进电机相数是指产生不同对极N、S与磁场的激磁线圈对数。步进电机拍数是指完成一个磁场周期性变化所需要的脉冲数。步进电机的步进角是指对应每一个脉冲信号。步进电机的保持转距：指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，

4、输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。步进电机的精度：步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。 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）。步距角：就是发送一个脉冲，电机对应转动的角度。定位转距：定位转矩是指步进电机不通电的情况

5、下，定子锁住转子的力矩。运行频率：步进电机能不失步运行的最高频率。 细分驱动器： 步进电机细分驱动器的主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度。减少噪音。如对于步距角为1.8（整步）两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数为8，那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.072，电机的精度能否达到或接近0.225，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其他因素，细分数越大精度越难控制。 主要应用： 用于各种数控机床，半导体设备，纺织机械，包装机械，激光雕刻，切割机械，光机电一体化，疲劳试验机等。仪器设备：本次设计主要需利用微型计算机一台；通用微型计算机接口实验台一个（含有8255A芯

6、片）；小功率两相四拍步进电机一只（附带接口等套件）；导线若干来设计并实现给定步进电机的控制；进一步掌握微机硬件和软件综合设计方法；控制步进电机转动来实现，基于实验箱，设计并实现接口和驱动电路；用汇编语言编制程序；另外，在设计过程中选好采用的芯片与电路连接线。步进电机工作环境要求：步进电机温度过高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130度以上，所以步进电机外表温度爱8090度完全正常。抗干扰措施： 在单片机应用系统中，系统的抗干扰性能直接影响系统工作的可靠性。一旦系统受到干扰，程序指针发生

7、错误，将会造成程序执行的混乱或进入死循环，系统无法正常运行，严重时可能损坏系统硬件。 本系统可在硬件和软件方面分别采取抗干扰措施。硬件上，可对系统进行了良好的接地，采用隔离技术和硬件滤波技术，在此，用光电隔离器隔离强弱电信号，用滤波器排除反馈回路的干扰信号。在软件方面，可设置软件陷阱，在非程序区设置拦截措施，当程序指针PC失控进入非程序区时，使程序进入陷阱，用LJMP 2080H指令填满非程序区，以使程序返回初始状态，同时，运用“看门狗”技术，启用16位监视跟踪定时器WDT。WDT是一个16位计数器，其计数脉冲由单片机的系统时钟CLOCK(T)提供。每经历一个T，WDT的内容增1。WDT一旦被

8、启动，便开始计数，只要不对其清零，其内容将持续增加，直到经过64K个T周期产生溢出，系统复位，WDT停止工作。软件陷阱和WDT的双重运用将有效保证系统的可靠性 二、 总体方案设计与说明：由于本次设计任务由三人来完成，具体明确分工如下：先由大家在网上查找资料，对步进电机系统进行学习与讨论。讨论的重点是围绕软件部分的编写与硬件的连接和最后的调试。每一部分都需要每一人的相互辅助与补充，胡璐主要负责软件模块，王东波主要负责硬件模块，吴明峰主要负责整体方案设计与各模块的衔接和最后的报告撰写。从口号及实际上都真正意义地做到团结一致，共同面对困难。通过了解，我们在本次设计中采取两相四拍的的运作方式来进行实验

9、。这便需要我们主要利用可编程外围接口芯片8255A以便对步进电机系统的控制，由于本实验的电机功率较小，所以不需要另加驱动器。在本实验中主要目的是使步进电机系统的控制驱动，所以不同外加模数转换器进行控制。在此过程中，需要两个脉冲端口A、B。第一拍仅需要A端口输入一个脉冲，第二拍需要A端口输入一个脉冲后，经过间隔时间后，B端口输入一个脉冲，第三拍需要经过一个间隔时间后，B端口输入一个脉冲。第四拍等同于第二拍的过程。然而，脉冲间隔时间便是我们控制步进电动机转速的关键。在电压的使用方面，可直接使用实验室所提供的常规电压。另外，步进电动机的开度约为0.18度，该细节是我们需要稍加注意的地方，在实验中，我

10、们可以利用两台步进电机系统组合而成切割机。在时间允许的情况下，这将作为我们实验的一个后续研发任务由于系统中硬件和软件具有一定的互换性，比如，用硬件实现可以提高工作速度，但使电路复杂，增加了硬件成本，而用软件代替某些硬件的功能可以使电路简化，但软件工作量增大，而且对于我们初学者来说是有一点难度的，所以，我们此次设计的系统从经济效率来说，可能稍微低了一些。三、 硬件框图与说明 本方案中使用的步进电机为二相四拍步进电机，该步进电机的驱动方式为单相激励方式，但由于电机内部绕组的自身特点，使得电机每接收到两个相同脉冲时有两种不同的电流流向，故完成一个磁场的周期性变化时共需要四个脉冲，即四拍。电机对外表现

11、为只有两个接口，但电机内部有四个不同的绕组。即:1(A)、2（AB）、3（B）、4（BA）；其中：A、AB、B、BA指电机内部的四种不同绕组，而电机对外接收脉冲时，只有A、B端口。具体个绕组通电顺序如下表：顺 相序 1（A）2（AB）3（B）4（BA）01100101102001131001从表中可以看出，首先从A端口输入驱动电流，此时12绕组通电；接着从B端口输入驱动电流，此时23绕组通电；再从B端口输入驱动电流，此时34绕组通电；接着任从A端口输入驱动电流，使14绕组通电；最后又返回到从A端口输入驱动电流，使12绕组通电；按这种顺序切换，电机即可按顺时针旋转，反之则按逆时针旋转。并且可以通

12、过对8255A芯片延时来控制电机的速度。二相四拍的激磁波形如下图:五个波形图分别为CLK、A、AB、B、BA 以下为具体的8255A芯片图示D7-D0 PA7- PA2RD WR PA1RESET PA0 8255ACSA1 PB7-PB0A0GND VCC其控制字格式如下： 0 输出 1 输入D7 功能控制 0/1D6 A口方式选择 0/1D5 A口方式选择 0/1D4 A口 0/1D3 C口高4位 0/1D2 B口方式选择 0/1D1 B 口 0/1D0 C组低4位 0/1置位、复位控制字D7 D6D5D4 D3D2D1 D00 无用 位选择 0复位 1置位四电路原理图与说明： 在该方案中

13、，我们利用8255A芯片产生电机的励磁脉冲，开关K0K6控制步进电机的转速，K7控制步进电机的转向。8255A芯片的片选端CS接300H-307H，输出端PA0PA1接电机线圈接口A、B；输入端口PC0-PC7接电平开关K0K7.具体功能：当K0K6中任意开关为1时步进电机启动，全部都为0时停止；其中K0为1时电机速度最慢，K6为1时电机速度最快。K7向上拔时步进电机正转，向下拔时电机反转。 以下为具体的电路图： 五、软件主要模块流程图：首先，任何程序的编写都离不开流程图的设置。流程图是整个实验构造的基础，有了流程图便知道程序的主次先后。本设计实验中的流程图如下： 显 示 提 示 信 息825

14、5初始化：方式0，A口输出，C口输入初始化励磁数据33H开始励磁数据从A口输入键盘有无键按下？励磁数据是0FFH？YNN返回DOS恢复励磁数据从C口输入开关状态K0K6D都为0？根据K0K6状态设置延时时间N保存当前励磁数据励磁数据是0FFH?电机停止转动：励磁数据0FFH延时K7=1?励磁数据左移1位励磁移1位YYYNN六、接下来为实验程序清单：由于在课程设计的开始时，我们是采用二相四拍的步进电机控制系统，但在实际测试时，实验室提供了四相四拍的步进电机来完成步进电机控制系统的控制的设计。另外，由于步进电机内部结构复杂，因此控制其转动的汇编程序部分相对来说较为复杂，编程的关键是如何进行励磁脉冲

15、的输出，从而达到控制步进电机的转速与转向的目的。所以，程序主要功能在于转速与转向两方面P55A EQU 300H ;8255 A PORT OUTPUTP55C EQU 302H ;8255 C PORT INPUTP55CTL EQU 303H ;8255 COUTRL PORTDATA SEGMENTBUF DB 0MES DB K0-K6 ARE SPEED CONTYOL, 0AH, 0DH DB K6 IS THE LOWEST SPEED , 0AH, 0DH DB K0 IS THE HIGHEST SPEED, 0AH, 0DH DB K7 IS THE DIRECTION C

16、ONTROL, 0AH, 0DH,$DATA ENDSCODE SEGMENTASSUME CS: CODE, DS: DATASTART: MOV AX, CS MOV DS, AX MOV AX, DATA MOV DS, AX MOV DX, OFFSET MES MOV AH, 09 INT 21H MOV DX, 303H MOV AL, 8BH OUT DX, AL ; MOV BUF, 33HOUT1: MOV AL,BUF MOV DX, 300H OUT DX, ALPUSH DXMOV AH,06H MOV DX,0FFHINT 21H POP DXJE IN1MOV AH

17、, 4CHINT 21HIN1: MOV DX, P55CIN AL, DX TEST AL, 01HJNZ K0TEST AL, 02HJNZ K1TEST AL, 04HJNZ K2TEST AL, 08HJNZ K3TEST AL, 10HJNZ K4TEST AL, 20HJNZ K5TEST AL, 40HJNZ K6STOP: MOV DX, P55A MOV AL, 0FFH JMP OUT1 K0: MOV BL,10HSAM: TEST AL,80H JZ ZX0 JMP NX0 K1: MOV BL,18H JMP SAM K2: MOV BL,20H JMP SAM K3

18、: MOV BL,40H JMP SAM K4: MOV BL,80H JMP SAMK5: MOV BL,0C0H JMP SAM K6: MOV BL,0FFH JMP SAMZX0: CALL DELAYMOV AL,BUFROR AL,1MOV BUF,ALJMP OUT1 NX0: CALL DELAYMOV AL,BUFROL AL,1MOV BUF, ALJMP OUT1DELAY PROC NEAR DELAY1: MOV CX,0e000H DELAY2: LOOP DELAY2 DEC BL JNZ DELAY1 RETDELAY ENDPCODE ENDS END STA

19、RT七、问题分析与解决方案：在实验过程中，尤其是在调试过程中遇到了极大的困难，一开始在DOS系统的FD88环境下运行我们所编译的程序，便发现了错误百出，在重新温习了课本以及同学的帮助下，终于将程序的语法错误改正完毕。但在实验器材运行时，却无法使步进电机运行，于是我们首先检测了线路，接着还是不能运行。然后，检测程序。最后，当我们重新换掉了8255芯片时，才使得步进电机缓慢的运转。刚开始时，开关K0K7都拨为0,这时电机不转动，依次拨动不同的开关则可使步进电机在不同的转速下转动。并且通过波动开关K7,即可调整转向;总的来说该步进电机控制系统的控制操作非常简单容易。另外，我们在实验之初，是依老师的意

20、见，按照两相四拍的方式去设计实验，做完实验硬件图与线路连接后，然后再写源程序。但，当我们拿到步进电机后，却发现它是四相四拍的。所以我们立即改变方案去做四相四拍情况下的电路连接图与源程序八、结论与体会（分三人叙述）XXX 我主要是负责实验的硬件框图和电路原理图的部分。为了查寻各种的 材料我上网找了很多，关键都是在步进电机和8255的各项功能和连接。 对于刚接触步进电机感到有点陌生和迷茫，在网上翻阅了大量的资料，总算明白了基本的作用，然后就是将8255和步进电机连接起来，有了最基本的硬件框图的原理和芯片的图，在通过实验的要求把各个芯片都 连接起来，这步还是比较容易的。 相对而言我感觉我负责的这块还

21、是比较简单的，不用考虑程序的部分。通过这次的试验让我感觉，通过网络学习东西还是比较好的，和比较全面的。可以详细的了解知识和相关的内容，对于以前在课上的学习的8255又有了新的认识，并且也学会了新的东西步进电机，对我来说收获还是很大的。在作图的过程还遇到点了小麻烦，感觉对word还是有点生疏了，画图有点难度，但是最后还是解决了顺便还熟悉了下了word的操作。总之此次的收获挺大的，难度也很大，不过收获也不少。XXXX 我主要是负责实验的程序软件部分。由于上微机原理课时对8255的掌握不是很好，所以刚开始前入手比较困难。8255是这整个课程设计的主要实验部件，实现也主要用的是8255，所以8255至

22、关重要。我用了大量的时间重新复习了一遍8255的有关知识。8255方面的知识基本解决了，而摆在眼前的又一个问题是如何将8255和步进电机结合起来。控制步进的操作。解决这个问题的首要是要了解步进电机的结构和工作原理。我在网上查找了大量步进电机的资料。8255是通过向步进电机发送脉冲来控制步进电机的转动；脉冲的发送频率则用来控制步进电机的转速；脉冲的低电平和高电平用来控制步进电机的正反转。搞清了8255和步进电机的结合问题，就可以着手编写程序了。在参考了大量的网上程序后，终于编写出了自己的源程序。在上机调试的过程中发现了很多错误，主要是延时方面的。通过和同学讨论和老师的讲解，最终解决了一个个的问题

23、，看见步进电机转了起来，心里有种非常畅快的感觉。这次课程设计对自己是个很大的挑战，以前重来都没有接触过步进电机，考验了自己思考的能力和分析能力，收获很大。XXXX 在此次硬件课程设计中，我担任了总体设计与协调各模块的任务，在任务中，我将硬、软两独立的部分在实践中联系了起来。使其在DOS系统下的FD88运行环境下输入源程序并在硬件上完成了步进电机的运转，当开关K7向上时，步进电机正转；向下时，反转。当所有开关都向下时就停止，向上时就运转。从K1到K6依次增速。由于步进电机是单步执行，所以步进电机上的显示灯就能明显的表示步进电机的运转。其次，在实验中，发现步进电机的应用非常广泛，它只是机床控制当中一个非常普遍但却极其重要的一部分，可以构成空调的风扇，切割机等等。所以掌握了编写软件控制硬件部分就相当于懂得了许多的硬件功能。我相信此次硬件设计课程对于我来说只是一个在创造与设计方面的开始，在以后的生活中，我将展开一个更新的探索未知世界的篇章。