步進電機設計實驗開題報告

步進電機控制電路設計論文題目步進電機控制電路的設計步進電機控制電路設計自動化專業(yè)微機原理課程設計開題報告

指導教師設計內(nèi)容分析論證(可加附頁)此次我們所設計的是一個步進電機控制系統(tǒng)，主要由8086CPU，并行輸入/輸出接口8255A，4相步進電機，7段數(shù)碼管，及一些其他相關元件設計而成?？梢酝ㄟ^開關來控制系統(tǒng)的啟/停工作，當系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時，用開關來控制方向，使同樣由開關來選擇工作模式，這次設計使用鍵盤來輸入運轉(zhuǎn)步數(shù)。運轉(zhuǎn)時，用4位7段數(shù)碼管來輸出剩余步數(shù)。最后根據(jù)思路所設計出來的硬件圖設計相適應的軟件，詳細的設計方案見附錄。系統(tǒng)總體設計思路：本次設計采用8086作為控制的核心元件，利用8255的C口控制步進電機，同時獲取控制轉(zhuǎn)動方向（即正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)），A口連接鍵盤，以選取不同檔的移動速度，B口連接LED顯示器，以顯示當前的速度檔，8253作為定時器，提供必要的時鐘和延時信號。系統(tǒng)對8255的A口進行查詢，確定用戶設置的速度檔，并通過8255的B口顯示速度檔。延遲時間通過8255的C口的第四位循環(huán)送節(jié)拍信號來驅(qū)動步進電機工作。循環(huán)送節(jié)拍信號的方向有C口高四位中的第5位確定，此第5位在硬件上與控制轉(zhuǎn)動方向開關相連。設計條件要求要求：鍵盤控制步進電機的正反轉(zhuǎn)、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，連續(xù)轉(zhuǎn)動或轉(zhuǎn)動指定步數(shù)；并能將相應的數(shù)據(jù)用四位數(shù)碼管顯示。目標：能基本實現(xiàn)步進電機的前進和后退，能調(diào)節(jié)電機的速度，我們從中能掌握自己課本中的所學，可以把自己學到的知識很到的運用的實驗中，培養(yǎng)我們的實踐能力。設計進程安排三人任務分配：第一周設計任務：（1）明確課題對程序功能，運算精度等方面的要求及硬件條件；（2）把復雜問題分解為若干模塊，確定各模塊處理方法，畫出流程圖；第二周設計任務：（3）編制程序，根據(jù)流程圖精心選擇合適的指令和尋址方式來編制源程序；（4） 對程序進行匯編，調(diào)試和修改，直到程序運行結(jié)果正確為止；（5） 實驗報告的整合與撰寫。文獻資料準備【1】彭虎，周佩玲，傅忠謙.微機原理與接口技術.北京：電子工業(yè)出版社,2008【2】張齊，朱寧西.單片機應用系統(tǒng)設計技術一一基于C51的Proteus仿真.北京：電子工業(yè)出版社,2009【3】周荷琴，吳秀清.微型計算機原理與節(jié)后技術.合肥：中國科技大學出版社,2008【4】彭虎，周佩玲，傅忠謙微機原理與接口技術學習指導.北京：電子工業(yè)出版社,2008開題批注附錄：設計方案一、總體方案本次設計采用8086作為控制的核心元件，利用8255的C口控制步進電機，同時獲取控制轉(zhuǎn)動方向（即正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)），A口連接鍵盤，以選取不同檔的移動速度，B口連接LED顯示器，以顯示當前的速度檔，8253作為定時器，提供必要的時鐘信號。系統(tǒng)對8255的A口進行查詢，確定用戶設置的速度檔，并通過8255的B口顯示速度檔。延遲時間通過8255的C口的第四位循環(huán)送節(jié)拍信號來驅(qū)動步進電機工作。循環(huán)送節(jié)拍信號的方向有C口高四位中的第5位確定，此第5位在硬件上與控制轉(zhuǎn)動方向開關相連。整個控制系統(tǒng)主要由四部分組成，各部分主要功能介紹如下：鍵盤控制電路部分本設計主要是利用鍵盤鍵控制步進電機的速度，以數(shù)字設定步進電機的速度，使步進電機能做相應運動。顯示電路控制部分在此次設計里，顯示器件采用了8段LED顯示器。通過它來顯示步進電機要運行的步數(shù)。步進電機的勵磁控制步進電動機的勵磁方式可以分為全步勵磁及半步勵磁。適當控制步進電機A、B、C、D的勵磁信號，即可控制步進電機的轉(zhuǎn)動。每輸出一個脈沖信號，步進電動機只走一步。因此，依序不斷地送出脈沖信號，即可令步進電動機連續(xù)轉(zhuǎn)動。在本設計中，通過設置8253的定時器的初始值來實現(xiàn)端口輸出相應的相序脈沖，從而實現(xiàn)對步進電機的控制。步進電機的驅(qū)動電路在本設計中，使用單極性驅(qū)動電路來實現(xiàn)對步進電機的驅(qū)動。本設計采用軟硬件結(jié)合的辦法實現(xiàn)延時，具體思路：8253通道0的輸出與8255的C口的第4位即PC4相連，程序通過對8253通道0的編程使通道0輸出一定寬度的脈沖，這個寬度就是對步進電機輸出的兩次節(jié)拍之間的間隔。程序?qū)C4進行循環(huán)檢測，當發(fā)現(xiàn)8253通道0輸出的脈沖發(fā)生跳變時，結(jié)束檢測，這時循環(huán)檢測的時間就是所需要的延遲時間。最后，此步進電機控制系統(tǒng)實現(xiàn)了以下功能：鍵盤功能鍵實現(xiàn)對步進電機運行方式的控制，數(shù)字鍵實現(xiàn)對電機參數(shù)的設置。顯示器能夠顯示電機運行的步數(shù)。通過鍵盤輸入預定步數(shù)，實現(xiàn)對步進電機帶動負載進行預定工作的控制。二、硬件方案1、步進電機的基本介紹步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應的角位移或線位移的電磁機械裝置，是一種輸出與輸入數(shù)字脈沖對應的增量驅(qū)動元件，具有快速啟動和停止的能力。當負荷不超過步進電機所提供的動態(tài)轉(zhuǎn)矩值時，它就可能在一瞬間實現(xiàn)啟動和停止。它的步矩角和轉(zhuǎn)速不受電壓波動和負載變化的影響，也不受環(huán)境條件（如溫度、氣壓、沖擊和振動等）的影響，僅與脈沖頻率有關。步進電動機的角位移或線位移與脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速n或線速度v與脈沖頻率f成正比。在負載能力范圍內(nèi)，這些關系不因電源電壓、負載大小以及環(huán)境條件的波動而變化。因而適用于在開環(huán)系統(tǒng)中作執(zhí)行元件，使控制系統(tǒng)大為簡化。步進電動機可以在很寬的范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來調(diào)速;能夠快速起動、反轉(zhuǎn)、和制動。它能直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移，很適合采用微型計算機控制。步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機或則CPU產(chǎn)生。其基本原理作用如下：（1） 控制換相順序通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進電機的三拍工作方式，其各相通電順序為A-B-C-D，通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A，B，C，D相的通斷。（2） 控制步進電機的轉(zhuǎn)向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，則電機就反轉(zhuǎn)。（3） 控制步進電機的速度控制步進電機的運行速度，實際上是控制系統(tǒng)發(fā)出時鐘脈沖的頻率或換相的周期，有以下2種方法：1）采用軟件延時，即調(diào)用軟件延時子程序使CPU空運轉(zhuǎn)，不進行任何操作，但需占用CPU的時間，效率較低；2）采用硬件定時器，通過設定時間常數(shù)裝入定時器接口芯片進行定時，到達相應時間則進入中斷子程序，不需占用CPU時間，效率較高。2、主要性能指標相數(shù)：產(chǎn)生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。步距角：對應一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用e表示。0=360度/（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為e=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為e=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。定位轉(zhuǎn)矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）

靜轉(zhuǎn)矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉(zhuǎn)運動時，電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關。2、步進電機的函數(shù)計算主動輪直徑為0.5m,步距角為0.9度，則步進的弧長是半徑乘步距角之積，即M=0.5*0.5m*0.9*日/180牝0.04m如果移動的速度為V，則節(jié)拍頻率為：f=v/M采用8253通道0進行定時，其時鐘輸入端是fclko=2MHZ時，其計數(shù)初始值N可由下式確定：N=fMof這樣我們就可以得出速度檔、速度、節(jié)拍頻率f和計數(shù)初值N之間的數(shù)值對應關系，如表1所?。罕?速度檔等參數(shù)和計數(shù)初始值N之間的關系速度檔12345678速度（m/s）0.10.20.50.811.21.52f（HZ）2550125200250300375500N804016108754步數(shù)N，即8253計數(shù)器設置的初值，控制步進電機的定位精度。3、步進電機的工作原理流程圖步進電機實際上是一個數(shù)字\角度轉(zhuǎn)換器，也是一個串行的數(shù)'模轉(zhuǎn)換器。步進電機的基本控制包括啟?？刂?、轉(zhuǎn)向控制、速度控制、換向控制4個方面。從結(jié)構上看，步進電機分為三相、四相、五相等類型，常用的則以三相為主。本次課程設計我們選用四相步進電機進行系統(tǒng)設計。步進電機控制工作原理系統(tǒng)流程圖如圖1：圖1步進電機控制工作原理系統(tǒng)流程圖接口電路8255的端口地址從80H開始，因此8255的A、B、C和控制口的地址分別是80H,82H,84H和86H；8253的端口地址從88H開始，而8253的通道0、通道1、通道2和控制口的地址分別是88H、8AH、8CH、8EH。地址總線信號和端口地址之間的關系如下表2:表2地址總線信號和端口地址之間的關系地址線端口地址A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0000000001000000080H000000001000001082H000000001000010084H000000001000011086H000000001000100088H00000000100010108AH00000000100011008CH00000000100011108EH三、軟件方案軟件總體流程圖，如圖2：

圖2總流程圖1、部分模塊的軟件設計思路延時裝置我們的思路是：8253的某個通道0的輸出與8255的C口的第四位PC4相連接，程序通過對8253的編程時通道0輸出一定寬度的脈沖，這個寬度就是對步進電機兩次節(jié)拍之間的間隔。程序?qū)C4進行循環(huán)檢測，當發(fā)現(xiàn)8253通道0輸出的脈沖發(fā)生跳變的時候，結(jié)束檢測。步進電機的驅(qū)動我們設置一個指針，利用這個指針對表格DRIVE_TAB進行尋址來取節(jié)拍信號。設指針的首地址為0，每送一個節(jié)拍指針加一，當完成第8個節(jié)拍信號輸出后，指針內(nèi)容為1000B。這時我們把指針與數(shù)0111B做邏輯“與”操作，這時指針的計數(shù)為一個循環(huán)計數(shù)，而以指針內(nèi)容進行尋址就能得到節(jié)拍信號的循環(huán)輸出。開關量計數(shù)初值我們通過INAL,8255_APORT對取8255的A口取開關量，在B口顯示并把開關量轉(zhuǎn)化為二進制建立循環(huán)結(jié)構轉(zhuǎn)化