微型計(jì)算機(jī)技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)

微型計(jì)算機(jī)技術(shù)

綜合實(shí)檢

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?/p>

1.學(xué)習(xí)通過并行接口對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行結(jié)合控制的設(shè)計(jì)原理和方法

2.了解步進(jìn)電機(jī)控制的基本原理

3.掌握8255、8253、ULN2003、74LS373等芯片的使用。

【實(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)箱及連接線若

干。

軟件：MASM5、DEBUG>LINK、EDIT或者M(jìn)ASM6.11。

【實(shí)驗(yàn)原理】

一、步進(jìn)電機(jī)工作原理

步進(jìn)電機(jī)是過程控制及儀表中常用的控制元件?？蓪?shí)現(xiàn)直線位移、旋

轉(zhuǎn)，對執(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、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，AA'BB'、CC'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(dòng)一角度，使之對齊。由此可見，錯(cuò)齒是步進(jìn)

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的原因。

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A-BTC；

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

若顛倒次序，將使電機(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/(T-N)

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)

T——每轉(zhuǎn)動(dòng)一步所需的時(shí)間(秒)

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

PA0

PA1

PA2

PA3

PA4

PA5

PA6

PA7

二、四相步進(jìn)電機(jī)及技術(shù)指標(biāo)

用4個(gè)開關(guān)控制四相步進(jìn)電機(jī)的示意圖如圖(一)所示。當(dāng)開關(guān)SW1?

SW4按圖(b)的時(shí)序接通和斷開就可使步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

步進(jìn)開關(guān)供電電源

(a)S)

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)開關(guān)接通定時(shí)關(guān)系

步進(jìn)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)：

①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。

②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，且不同相上電流的有無即決定步進(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。

③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)。

④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)用戶的需求選用。

⑤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500Hz,就意味著每一步需要2ms。目前頻率高的可

達(dá)lOkHzo

⑥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⑹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⑹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。

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(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

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)

脈

沖

驅(qū)

系

輸

動(dòng)

分

出

統(tǒng)脈步?jīng)_進(jìn)」nUnJ

電

配

接

總

路

口

電

線

路

方向控制

圖三步進(jìn)電機(jī)控制電路框圖

動(dòng)電路構(gòu)成。脈沖分配器有2個(gè)輸入信號：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，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，對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)。

三、步進(jìn)電機(jī)的速度控制

由丁步進(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(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，它很可

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

當(dāng)有一個(gè)逐漸減速的過程，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？止如前面步進(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,

則速度就越慢。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始逐步加速，結(jié)束前逐步減速。例如，開始時(shí)

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

此時(shí)達(dá)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(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50Hzo

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(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

各繞組按一定方式輪流加電，可用軟件來實(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?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)線不同。表一（A）中每個(gè)繞組

只分配了1根數(shù)據(jù)線，而表（B）中，每個(gè)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(yùn)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(yùn)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(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

對定時(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，?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）o

1.硬件設(shè)計(jì)

接口電路以8255A為主控芯片，包括鎖存器74LS373,功率驅(qū)動(dòng)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(jìn)電機(jī)控制接口原理圖

2.軟件設(shè)計(jì)

在編寫程序之前，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(yùn)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(shí)1

DLI：DECBX

JNZDLI

MOVAL,OFH;關(guān)閉373、

OUTDX,AL

MOVBX,OFFH;延時(shí)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(shí)3

DL3：DECBX

JNZDL3

MOVAL,OFH;關(guān)閉373

OUTDX,AL

MOVBX,OFFOH;延時(shí)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(jìn)電機(jī)控制程序流程圖

【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】

在實(shí)驗(yàn)箱上用開關(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)。用匯編語言按上述要求編寫相應(yīng)驅(qū)動(dòng)程

序。

【實(shí)驗(yàn)步驟】

1.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。

2.調(diào)試步進(jìn)電機(jī)

進(jìn)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(shí)地址為PCI接口板的I/0地址加上0H為真實(shí)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(shí)口地址為PC