2873.B機床加工模擬系統(tǒng)設(shè)計報告包含源代碼 模擬機床系統(tǒng)設(shè)計測試說明

1、 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2008級硬件課程設(shè)計報告 第11頁計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院硬件課程設(shè)計報告姓 名： 學(xué) 號： 專 業(yè)： 班 級： 設(shè)計題目： 機床加工模擬系統(tǒng) 成 員： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 副教授 2008年 7月 課程設(shè)計指導(dǎo)教師評閱書指導(dǎo)教師評語：成 績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日目 錄1 問題的提出 11.2 問題的描述.41.3小組分工12 需求分析12.1 儀器設(shè)備12.2 步進電機的基本概念12.3 步進電機的驅(qū)動原理22.4 設(shè)計方案23 電路設(shè)計及其主要功能53.1 初始方案的電路設(shè)計53.2 實際方案的電路設(shè)計64分析與測試94.1 電路分析94.2 測試分析105

2、 設(shè)計小結(jié)101 問題的提出1.1問題提出步進電機是一般普通電機的高級發(fā)展階段，它綜合體現(xiàn)了電機的機構(gòu)學(xué)、運動與動力學(xué)、現(xiàn)代設(shè)計理論、電磁學(xué)、控制理論等諸多方面的研究和發(fā)展水平，是一個復(fù)雜的綜合系統(tǒng)。那么對給定的步進電機，如何運用所學(xué)的硬件知識、電磁學(xué)理論及相關(guān)實驗器材，來控制步進電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向呢？根據(jù)所設(shè)計的步進電機控制系統(tǒng)的特點，它在實際生活中又有哪些方面的應(yīng)用？問題描述：本課題主要環(huán)節(jié)是步進機的使用，所謂步進，就是一步一步地執(zhí)行命令，這里可以通過8255發(fā)出幾組脈沖方波信號，然后將這幾組信號組合，如果有兩組信號，就會有四種方式，若是三組，則有八種方式，把信號組合通過接口傳送給步進機，不

3、同的組合方式對應(yīng)不同的操作指令，該指令包括步進機的轉(zhuǎn)動角度以及方向，而信號的密集程度則對應(yīng)步進機的轉(zhuǎn)速，執(zhí)行時間則可以通過8253來控制。本課題的另外一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)是實現(xiàn)軟硬結(jié)合，就是編程實現(xiàn)對8255等芯片的控制，這需要熟悉匯編語言。1.3小組分工在本次硬件課程設(shè)計中，8255芯片和匯編程序控制部分由xxx同學(xué)負責(zé)；步進電機原理部分及過程模擬部分由xxx同學(xué)負責(zé)； 2 需求分析2.1 儀器設(shè)備微型計算機1臺；通用微型計算機接口實驗臺1個（含有8255a芯片）；小功率四相四拍步進電機1只（附帶接口等套件）；導(dǎo)線若干； 2.2 步進電機的基本概念步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频拈_環(huán)控制元件

4、。即當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（即步進角）。我們可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)速和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機分三種：永磁式（pm）,反應(yīng)式（vr）和混合式（hb）。永磁式步進電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度； 反應(yīng)式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 混合式步進電機是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩

5、相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛。步進電機相數(shù)是指產(chǎn)生不同對極n、s與磁場的激磁線圈對數(shù)。（常用m表示）步進電機拍數(shù)是指完成一個磁場周期性變化所需要的脈沖數(shù)。（常用n表示）步進電機的步進角是指對應(yīng)每一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移。且 3600/zr*n （其中zr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)，n為運行拍數(shù)） 2.3 步進電機的驅(qū)動原理步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號的工作，在實驗設(shè)計中控制信號8255芯片產(chǎn)生。如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉(zhuǎn)；如果按反序通電換相，則步進電機反轉(zhuǎn)。如果給步進電機發(fā)送一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)動一步，再發(fā)送一個脈沖，

6、它再轉(zhuǎn)動一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉(zhuǎn)得越快，通過用程序?qū)?255的脈沖進行延時，就可以對步進電機進行調(diào)速。反應(yīng)式步進電機原理： 2.3.1、結(jié)構(gòu)： 電機轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。0、1/3、2/3,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以表示），即a與齒1相對齊，b與齒2向右錯開1/3，c與齒3向右錯開2/3，a與齒5相對齊，（a就是a，齒5就是齒1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開圖： 2.3.2、旋轉(zhuǎn)： 如a相通電，b，c相不通電時，由于磁場作用，齒1與a對齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。 如b相通電，a，c相不通電時，齒2應(yīng)與b對齊，此時轉(zhuǎn)子

7、向右移過1/3，此時齒3與c偏移為1/3，齒4與a偏移（-1/3）=2/3。如c相通電，a，b相不通電，齒3應(yīng)與c對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3，此時齒4與a偏移為1/3對齊。 如a相通電，b，c相不通電，齒4與a對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3 這樣經(jīng)過a、b、c、a分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到a相，電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果不斷地按a，b，c，a通電，電機就每步（每脈沖）1/3,向右旋轉(zhuǎn)。如按a，c，b，a通電，電機就反轉(zhuǎn)。 由此可見：電機的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。 不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用a-ab

8、-b-bcc-ca-a這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3改變?yōu)?/6。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3變?yōu)?/12，1/24，這就是電機細分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。2.4 實驗設(shè)計方案由于本次設(shè)計中實驗室提供了四相四拍的小功率步進電機，采用四相四拍步進電機來完成最終的設(shè)計。本方案中使用的步進電機為四相四拍步進電機，即：1（ba）、2（bb）、3（bc）、4（bd）。步進電機的驅(qū)動方式為二相激勵方式，各繞組通電順序如表（2）：順序 相 1（ba）2（bb）3（bc）4（bd）01100101102001131001表（2）表中首先向12繞組輸入驅(qū)動電流，接著23，34，41，又返回到12，按

9、這種順序切換，電機即可按順時針方向旋轉(zhuǎn)。若繞組通電中的順序為14，34，23，12，則電機可按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。該四相四拍步進電機簡圖如圖（2）：圖（2）可通過對8255a芯片不同的延時來得到不同頻率的輸出脈沖，從而得到不同的步進旋轉(zhuǎn)速度。并且我們可根據(jù)公式 3600/zr*n 可計算出四相四拍步進電機在每收到一個脈沖的情況下，轉(zhuǎn)動的步進角為1.80（當(dāng)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為50時）。 得到四相四拍時的激磁波形圖如圖（3）： 圖（3）3 電路設(shè)計及其主要功能3.2 實驗方案的電路設(shè)計對于實驗方案，我們采用類似的思路。即利用8255a芯片產(chǎn)生步進電機的勵磁脈沖，開關(guān)k0k6控制步進電機的轉(zhuǎn)速，k7控制步進電機

10、的轉(zhuǎn)向。8255a芯片的片選端cs接300h307h，輸出端pa0pa3接電機線圈接口a、b、c、d，輸入端口pc0pc7接電平開關(guān)k0k7。具體功能： 當(dāng)k0k6中任一開關(guān)為“1”（向上拔）時步進電機啟動，全部都為“0”時停止。其中k0為“1”時電機速度最慢，k6為“1”時電機速度最快。當(dāng)k7向上拔時步進電機正轉(zhuǎn)，向下拔時電機反轉(zhuǎn)。 具體電路圖如圖（5）：圖（5）5 分析與測試5.1 電路分析本次課程設(shè)計我們采用的是四相四拍的步進電機來設(shè)計該步進電機控制系統(tǒng)。在步進電機控制系統(tǒng)電路連接之前，我們先編寫一控制發(fā)光二極管亮滅的匯編小程序來測試芯片是否損壞及線路連接是否良好。當(dāng)測試完畢后，進行實際

11、的電路連接。8255a端口作為輸出端，c端口作為輸入端。8255a芯片的片選端cs接300h307h，輸出端pa0pa3接電機線圈接口a、b、c、d；輸入端口pc0pc7接電平開關(guān)k0k7，步進電機接12v電源。5.3 測試分析以上理論設(shè)計通過實物連接、檢測；整個匯編程序運行良好，步進電機控制系統(tǒng)按預(yù)定程序運行。表明上述設(shè)計具有很好的實際可行性，也體現(xiàn)了8255a其良好的編程性能和控制功能；該步進電機控制系統(tǒng)的匯編程序控制的關(guān)鍵在于8255a芯片如何進行勵磁脈沖的輸出；以及如何有效地進行軟件延時；如何對勵磁數(shù)據(jù)進行移位從而控制電機的轉(zhuǎn)向。我想只要把這三個問題解決了，芯片編程工作就很好做了；在上

12、述的匯編程序控制中這三方面的問題基本上得到了圓滿的解決，所以以上設(shè)計方案基本上是成功的。按照電路設(shè)計圖把電路連接完畢后，先將匯編源程序存入d盤中，再將匯編源程序復(fù)制到fd88運行環(huán)境中。進行調(diào)試且運行無誤后，則開始啟動電機，并對其進行單步調(diào)試。剛開始時開關(guān)k0k7都撥為“0”，這時電機不轉(zhuǎn)動，然后依次從k0k6單個撥動不同的開關(guān)則可使步進電機在不同的轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動。并且通過撥動開關(guān)k7即可調(diào)整轉(zhuǎn)向；總的說來該步進電機控制系統(tǒng)的控制操作較為簡單容易。6 實驗體會步進電機控制系統(tǒng)在實際生活中有著廣泛的用途。尤其是近幾年來步進電機控制系統(tǒng)在數(shù)字控制裝置中的應(yīng)用日益廣泛。步進電機不僅能夠完成其他交流、直流

13、電機所完成的功能，而且能夠?qū)崿F(xiàn)其他電機所不能實現(xiàn)的各種復(fù)雜的控制功能，所以例如在數(shù)控機床中，將加工零件的圖形、尺寸及工藝要求編制成一定符號的加工指令，輸入計算機。計算機根據(jù)給定的數(shù)據(jù)和要求進行運算，而后發(fā)出電脈沖信號。計算機每發(fā)一個脈沖，步進電機便轉(zhuǎn)過一定角度，由步進電機通過傳動裝置所帶動的工作臺或刀架就移動一個很小的距離（或轉(zhuǎn)過一個很小的角度）。因此在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單，更易于達到自動加工零件的目的。此外，步進電機控制系統(tǒng)在機器人控制、航空航天等高科技領(lǐng)域更是發(fā)揮了它重要的作用。雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。這次步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計讓我學(xué)到了步進電機、 8255芯片和雙機通訊實驗箱的使用，更重要的是讓我學(xué)會了程序出現(xiàn)問題時調(diào)試的辦法，學(xué)習(xí)到了程序出問題后怎樣去解決的基本方法。在做本