步进电机转速实时控制课程设计1

微机原理课程设计报告题 目 步进电机转速实时控制 学 院 专 业 学生姓名 学 号 年级 指导教师 职称 二 年 月步进电机转速实时控制摘要：本设计采用电压为DC12V的四相八拍35BYJ46型步进电机，以8255A作为8086并行输出接口，并通过编写汇编语言控制8255A 的A 口，进而控制步进电机 转速状态。通过输入预先设定好的转速状态对应值，即可控制电机的转速状态。转向可以通过查表来实现，以逐次递增方向查表，则步进电机正转；以逐次递减方向查表，则步进电机反转。转速则通过调用延时子程序，当调用延时较长的子程序时，则步进电机转速慢，当调用延时较短的子程序时，步进电机转速加快。关键词：步进电机;8255A;控制I目 录第 1 章 绪论 11.1 研究背景 .11.2 选题的目的和意义 .11.3 本课程设计的主要内容 .2第 2 章 步进电机转速实时控制 32.1 设计方案 .32.2 硬件系统基本原理 .32.2.1 步进电机 35BYJ46 32.2.2 可编程并行接口芯片 8255A 62.3 系统软件 .82.3.1 软件框图 82.3.2 程序代码 10第 3 章 结束语 15参考文献 17*大学课程设计报告0第 1 章 绪论1.1 研究背景在 普 通 旋 转 电 机 的 基 础 上 产 生 的 各 种 控 制 电 机 与 普 通 电 机 本 质 上 并 没 有 差 别 ， 只 是 着 重 点 不同 。 普 通 旋 转 电 机 主 要 是 进 行 能 量 变 换 ， 要 求 有 较 高 的 力 能 指 标 ， 而 控 制 电 机 主 要 是 对 控 制 信 号进 行 传 递 和 变 换 ,要 求 有 反 应 快 、 精 度 高 、 运 行 可 靠 等 控 制 性 能 。 控 制 电 机 因 其 各 种 特 殊 的 控 制性 能 而 常 在 自 动 控 制 系 统 中 作 为 执 行 元 件 、 检 测 元 件 和 解 算 元 件 。 步 进 电 机 就 是 一 种 应 用 非 常 广泛 的 控 制 电 机 。 步 进 电 机 是 将 电 脉 冲 信 号 转 变 为 角 位 移 或 线 位 移 的 开 环 控 制 元 件 。 在 非 超 载 的 情况 下 ， 电 机 的 转 速 、 停 止 的 位 置 只 取 决 于 脉 冲 信 号 的 频 率 和 脉 冲 数 ， 而 不 受 负 载 变 化 的 影 响 ， 即给 电 机 加 一 个 脉 冲 信 号 ， 电 机 则 转 过 一 个 步 距 角 。 当 电 机 连 续 不 断 地 收 到 脉 冲 信 号 ， 电 机 就 一 步一 步 地 转 动 ， 这 就 是 步 进 电 机 名 称 的 由 来 。 这 一 线 性 关 系 的 存 在 ， 加 上 输 入 的 脉 冲 与 其 位 移 量 有严 格 的 对 应 关 系 ,不 会 产 生 步 距 脚 累 积 误 差 的 特 点 。 使 得 在 速 度 、 位 置 等 控 制 领 域 用 步 进 电 机 来控 制 变 化 非 常 简 单 。 如 各 种 数 控 机 床 、 自 动 绘 图 仪 、 机 器 人 等 。 1步 进 电 动 机 经 过 几 十 年 的 发 展 ， 已 成 为 除 直 流 电 动 机 和 交 流 电 动 机 以 外 的 应 用 最 广 泛 的 第 三类 电 动 机 。 在 开 环 高 分 辨 率 的 定 位 系 统 中 ， 至 今 还 没 有 发 现 更 合 适 取 代 它 的 产 品 ， 特 别 是 在 一 些功 率 相 当 小 的 系 统 中 ， 步 进 电 机 更 具 有 无 可 替 代 的 主 流 地 位 。 预 计 未 来 步 进 电 机 的 研 究 还 会 持 续深 入 下 去 ， 研 究 方 向 之 一 是 电 机 与 驱 动 的 一 体 化 ， 使 步 进 电 机 体 积 更 小 巧 、 性 能 更 优 越 ， 性 价 比更 高 ， 在 大 量 的 民 用 设 备 中 批 量 化 使 用 ， 如 家 庭 机 器 人 、 民 用 智 能 化 设 备 等 ； 研 究 方 向 之 二 是 在功 率 或 机 座 号 相 对 较 大 的 步 进 电 动 机 中 ， 与 属 于 BIDCM(稀 土 永 磁 无 刷 直 流 电 机 )的 交 流 伺 服 电动 机 系 统 会 合 ， 具 体 来 说 可 能 会 借 鉴 交 流 伺 服 系 统 的 控 制 技 术 ， 但 保 留 了 部 分 步 进 电 动 机 的 特 点 ，形 成 一 种 新 的 “步 进 伺 服 电 动 机 ”或 “伺 服 步 进 电 动 机 ”， 在 克 服 低 频 振 荡 、 高 频 过 载 能 力 小 、快 速 性 不 足 和 效 率 低 等 方 面 取 得 突 破 性 进 展 ， 从 而 在 现 代 军 事 、 精 密 机 械 加 工 、 航 空 航 天 等 领 域的 应 用 越 来 越 深 入 。 21.2 选题的目的和意义步 进 电 机 已 被 广 泛 地 应 用 并 且 其 应 用 前 景 十 分 乐 观 ， 因 此 学 习 和 掌 握 步 进 电 机 是 非 常 必 要 的 。但 步 进 电 机 并 不 能 象 普 通 的 直 流 电 机 ， 交 流 电 机 在 常 规 下 使 用 。 它 必 须 由 形 脉 冲 信 号 、 功 率 驱 动电 路 等 组 成 控 制 系 统 方 可 使 用 。 因 此 通 过 运 用 所 学 的 专 业 知 识 ， 掌 握 四 相 步 进 电 机 接 口 电 路 原 理*大学课程设计报告1和 步 进 电 机 正 、 反 转 工 作 原 理 以 及 转 速 控 制 原 理 ， 设 计 出 相 应 硬 件 电 路 和 软 件 实 现 对 四 相 步 进 电机 的 实 时 控 制 ， 达 到 加 深 对 所 学 知 识 的 理 解 和 掌 握 ， 运 用 所 学 的 理 论 和 方 法 进 行 实 践 、 解 决 问 题和 认 识 步 进 电 机 、 简 单 控 制 步 进 电 机 的 目 的 。1.3 本课程设计的主要内容1） 阐 述 步 进 电 机 与 8255A 的 接 口 电 路 原 理 。2） 编 写 出 使 步 进 电 机 低 速 正 、 反 转 和 高 速 正 、 反 转 以 及 显 示 转 速 状 态 的 程 序 。3） 在 实 验 箱 上 调 试 程 序 ， 达 到 所 设 计 的 结 果 。*大学课程设计报告2第 2 章 步进电机转速实时控制2.1 设计方案本设计采用电压为 DC12V 的四相八拍步进电机 35BYJ46 型电机，用 ULN2003 作为步进电动机驱动电路主芯片，以 8255A 作为 8086 并行输出接口， 8086 对步进电机的控制信号则通过 8255A送到 ULN2003。通过输入预先设定好的转速状态对应值，即可控制电机的转速状态。转向与转速，通过查表的方式实现，以逐次递增方向查表，依次输出表中数据，则步进电机正转；以逐次递减方向查表，则步进电机反转，即通过一个表实现步进电机的正转与反转。转速则通过调用延时子程序，当调用延时较长的子程序时，则步进电机转速慢，当调用延时较短的子程序时，步进电机转速加快。2.2 硬件系统基本原理2.2.1 步进电机 35BYJ461） 四 相 步 进 电 机 励 磁 线 圈 及 其 励 磁 顺 序本 设 计 采 用 的 步 进 电 机 为 35BYJ46型 四 相 八 拍 电 机 ， 电 压 为 DC12V， 其 励 磁 线 圈 及 其 励 磁 顺序 如 图 2-1和 表 2-1所 示 ：1354 2图 2-1 励磁线圈*大学课程设计报告3表 2-1 励磁顺序2） 四 相 步 进 电 机 驱 动 原 理四 相 步 进 电 机 示 意 图 见 图 2-2， 电 气 连 接 图 见 图 2-3， 转 子 由 一 个 永 久 磁 铁 构 成 ， 定 子 分 别 由四 组 绕 组 构 成 。 1 2 3 4CCCC图 2-2 电 机 定 子 和 转 子 示 意 图 + 1 2 V 1 2 3S 1 S 2 S 3图 2-3 电 气 连 接 示 意 图当 S1连 通 电 源 后 ， 定 子 磁 场 将 产 生 一 个 靠 近 转 子 为 N极 ， 远 离 转 子 为 S极 的 磁 场 ， 这 样 的 定子 磁 场 和 转 子 的 固 有 磁 场 发 生 作 用 ， 转 子 就 会 转 动 ， 正 确 地 S1、 S4的 送 电 次 序 ， 就 能 控 制 转 子旋 转 的 方 向 。例 如 ： 若 送 电 的 顺 序 为 S1闭 合 断 开 S2闭 合 断 开 S3闭 合 断 开 S4 闭 合 断 开 ， 周而 复 始 的 循 环 ， 在 定 子 和 转 子 共 同 作 用 下 ， 电 机 就 瞬 时 针 旋 转 如 图 2-4。1 2 3 4 5 6 7 85 + + + + + + + +4 - -3 - - -2 - - -1 - - -*大学课程设计报告4 4 1 2 3图 2-4 电机旋转模型若 送 电 的 顺 序 为 S4闭 合 断 开 S3闭 合 断 开 S2闭 合 断 开 S1闭 合 断 开 ， 周 复 始 的循 环 ， 则 电 机 就 逆 时 针 旋 转 。也 可 以 通 过 给 定 子 依 次 发 脉 冲 的 方 式 来 驱 动 电 机 ， 如 图 2-5所 示 ， 依 次 给 定 子 1， 定 子 2， 定子 3， 定 子 4发 送 脉 冲 ， 这 样 循 环 下 去 电 机 就 会 顺 时 针 旋 转 。1 234D 0 位D 1 位D 2 位D 3 位图 2-5 8255A 发出脉冲驱动电机（3）步进电机与 8255A 接口关系P A 0P A 1P A 2P A 3驱动电路步进电机54321M 2 T图 2-6 步进电机与 8255A 接口引脚图*大学课程设计报告52.2.2 可编程并行接口芯片 8255A1） 8255A简 介 3Intel 8086/8088 系列的可编程外设接口电路（ Programmable Peripheral Interface)简称 PPI，型号为 8255（改进型为 8255A 及 8255A-5） ，具有 24 条输入/输出引脚、可编程的通用并行输入/输出接口电路。它是一片使用单一+5V 电源的 40 脚双列直插式大规模集成电路。8255A 的通用性强，使用灵活，通过它 CPU 可直接与外设相连接。 8255A 是 一 个 并 行 输 入 、 输 出 器 件 ， 具 有 24 个 可 编 程 设 置 的 I/O 口 ， 包 括 3 组 8 位 的I/O 为 PA 口 、 PB 口 、 PC 口 ， 又 可 分 为 2 组 12 位 的 I/O 口 ： A 组 包 括 A 口 及 C 口 高 4 位 ， B组 包 括 B 口 及 C 组 的 低 4 位 。8 2 5 5 A43214 03 93 83 71 81 92 02 12 22 32 42 51 41 61 71 31 21 1P A 0P A 1P A 2P A 3P A 4P A 5P A 6P A 7P B 0P B 1P B 2P B 3P B 4P B 5P B 6P B 7P C 0P C 1P C 2P C 3P C 4P C 5P C 6P C 7D 0D 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7R DW RA 0A 1R E S TC SX D 0 3 4X D 1 3 3X D 2 3 2X D 3 3 1X D 4 3 0X D 5 2 9X D 6 2 8X D 7 2 7R D 5W R 3 6A 0 9A 1 8R E S T 3 5C S 6系统总线1 51 0图 2-7 8255 引脚图2）8255A 工作方式8255A 在使用前要写入一个方式控制字，选择 A、B、C 三个端口各自的工作方式，共有三种：方式 0：基本的输入输出方式，即无须联络就可以直接进行的 I/O 方式。其中 A、B、C 口的高四位或低四位可分别设置成输入或输出。 方式 1：选通 I/O，此时接口和外围设备需联络信号进行协调，只有 A 口和 B 口可以工作在方式 1，此时 C 口的某些线被规定为 A 口或 B 口与外围设备的联络信号，余下的线只有基本的 I/O 功能，即只工作在方式 0。*大学课程设计报告6方式 2：双向 I/O 方式，只有 A 口可以工作在这种方式，该 I/O 线即可输入又可输出，此时 C口有 5 条线被规定为 A 口和外围设备的双向联络线， C 口剩下的三条线可作为 B 口方式 1 的联络线，也可以和 B 口一起方式 0 的 I/O 线。3）8255A 的工作方式控制字和 C 口按位置位/复位控制字格式1 D 7 D 6 D 5 D 4 D 3D 2D 1D 0标志位 端口 A 的工作方式0 0 = 方式 00 1 = 方式 11 = 方式 2P C 0 - 31 = 输入0 = 输出P B1 = 输入0 = 输出端口 B 工作方式0 0 = 方式 00 1 = 方式 1P C 0 - 71 = 输入0 = 输出P A1 = 输入0 = 输出图 2-8 8255A 工作方式控制字1 D 7 D 6 D 5 D 4 D 3D 2D 1D 0标志位0 0 0 P C 00 0 1 P C 10 1 0 P C 20 1 1 P C 31 0 0 P C 41 0 1 P C 51 1 0 P C 61 1 1 P C 71 = 置位0 = 复位图 2-9 8255A C 口按位置位/复位控制字4）8255A 的端口地址编码8255A 中的读写控制逻辑电路完成三个数据端口和一个控制端口的译码，管理数据信息、控制字和状态字的传送，接受来自 CPU 地址总线的 A 1、A 0 和有关控制信号，向 8255A 的 A、B 组控制部件发送命令。它的 A 口、B 口、C 口和控制口的编码如下表。表 2-1 8255A 端口地址编码A1 A0 端 口0 0 A 端 口 地 址0 1 B 端 口 地 址1 0 C 端 口 地 址*大学课程设计报告71 1 控 制 端 口 地 址2.3 系统软件2.3.1 软件框图 4给定输出数据 T E X T给定转速数据 S P E E D给定转速数据表 T A B L E 初始化 8 2 5 5 A输出提示信息输入值到 A LA L 数据转换A L = A L - 1Z F = 0 ?A L = A L - 1Z F = 0 ?A L = A L - 1Z F = 0 ?A L = A L - 1Z F = 0 ?结束主程序NNNN转速状态 1转速状态 2转速状态 3转速状态 4YYYY图 2-10 主程序方框图*大学课程设计报告8转速的实现转动步数 D XB X = T A B L E 首地址 ( 正转 )B X = T A B L E 末地址 ( 反转 )C X = T A B L E 中数据个数输出 B X 到 A 口 , 调用延时函数B X = B X + 1 ( 正转 ) , B X = B X - 1 ( 反转 )D X = D X - 1D X = 0 ?返回C X = C X - 1C X = 0 ?YNNY图 2-11 转速子程序方框图延时子程序P U S H C XC X = 0 F F F H ( 慢速 ) ; C X = 0 0 F F H ( 快速 )P U S H B XP O P B XC X = 0 ?返回YN图 2-12 延时子程序方框图*大学课程设计报告92.3.2 程序代码DATA SEGMENTTABLE DB 01H,03H,02H,06H,04H,0CH,08H,09HTEXT DB 45H,6EH,74H,65H,72H,32H,61H,32H,73H,70H,65H,65H,64H,3AHSPEED1 DB 46H,6FH,72H,77H,61H,72H,64H,32H,53H,6CH,6FH,77HSPEED2 DB 46H,6FH,72H,77H,61H,72H,64H,32H,46h,61H,73H,74HSPEED3 DB 52H,65H,76H,65H,72H,73H,65H,32H,53H,6CH,6FH,77HSPEED4 DB 52H,65H,76H,65H,72H,73H,65H,32H,46H,61H,73H,74HSPEED0 DB 00HDATA ENDSSTACK SEGMENT STACKDW 256 DUP(?)STACK ENDSCODE SEGMENTASSUME CS: CODE,DS: DATA,SS: STACKSTART: MOV AX,DATAMOV DS,AXMOV AL,80HOUT 63H,ALA0: MOV DX,00FFH ；提示输入控制电机转速状态对应值MOV CX,SPEED1-TEXTB0: MOV AH,01HMOV BX,OFFSET TEXTMOV AL ,BXINT 10HINC BXLOOP B0MOV AH,00HINT 16H*大学课程设计报告10SUB AL,30HDEC ALJZ X1DEC ALJZ X2DEC ALJZ X3DEC ALJZ X4JMP EXITX1: MOV CX,SPEED2-SPEED1 ；转速 1：低速正转A1: MOV AH,01HMOV BX,OFFSET SPEED1MOV AL,BXINT 10HINC BXLOOP A1B1: MOV BX,OFFSET TABLEMOV CX,08HC1: MOV AL,BXOUT 60H,ALCALL DALAY0INC BXDEC DXJZ A0LOOP C1JMP B1X2: MOV CX,SPEED3-SPEED2 ；转速 2：高速正转A2: MOV AH,01HMOV BX,OFFSET SPEED2*大学课程设计报告11MOV AL,BXINT 10HINC BXLOOP A2B2: MOV BX,OFFSET TABLEMOV CX,08HC2: MOV AL,BXOUT 60H,ALCALL DALAY1INC BXDEC DXJZ A0LOOP C2JMP B2X3: MOV CX,SPEED4-SPEED3 ；转速 3：低速反转A3: MOV AH,01HMOV BX,OFFSET SPEED1MOV AL,BXINT 10HINC BXLOOP A3B3: MOV BX,OFFSET TABLEADD BX,0007HMOV CX,08HC3: MOV AL,BXOUT 60H,ALCALL DALAY0DEC BXDEC DXJZ JF*大学课程设计报告12LOOP C3JMP B3X4: MOV CX,SPEED0-SPEED4 ；转速 4：高速反转A4: MOV AH,01HMOV BX,OFFSET SPEED4MOV AL,BXINT 10HINC BXLOOP A4B4: MOV BX,OFFSET TABLEADD BX,0007HMOV CX,08HC4: MOV AL,BXOUT 60H,ALCALL DALAY1DEC BXDEC DXJZ JFLOOP C4JMP B4JF: JMP FAR PTR A0DALAY0 PROC ；延时子程序，慢速PUSH CXMOV CX,0FFFHA5: PUSH AXPOP AXLOOP A5POP CXRETDALAY0 ENDP*大学课程设计报告13DALAY1 PROC ；延时子程序，快速PUSH CXMOV CX,00FFHA6: PUSH AXPOP AXLOOP A6POP CXRETDALAY1 ENDPEXIT: CODE ENDEND START*大学课程设计报告14第 3 章 结束语这是我第一次做课程设计，刚开始觉得简单，认为和平时的实验课没什么区别，最多就是一个要求较多的实验而已。但通过这一周的课程设计，才发现自己的看法是错的。总的来说，这次课程设计让我发现自己所学是多么不足，课本和实际是多么的遥远，另一方面，自己的动手能力，查阅资料的能力有所提高。下面就按编写此次课程设计报告的顺序介绍一下自己所感所得。首先就是写绪论。当我看到本次课程设计的题目，很快就联想到这学期所学的电机原理和拖动以及计算机原理和接口技术。翻看电机原理和拖动后，对步进电机有所了解。但这只是停留在理解步进电机原理层面，对步进电机的产生背景和应用前景都不是很了解。通过网络搜索和近几年期刊杂志以及学术论文的查阅，才较为全面的了解步进电机。和自己查阅的资料来看，课本上的东西还是几十年甚至一百多年的东西，几乎和实际应用相差很远。现在实际应用对步进电机有很大改善，对其性能有很大提高，其配套设施的复杂程度也和步进电机的复杂程度相差不多。所以在学习书本上的知识的同时一定要了解这些知识在现实中的应用，这样才更好的学习书本知识，掌握知识，应用知识。在书写第二章时，用自己的话对步进电机原理的叙述始终说不清楚，不得不再翻书和查阅资料。学习如何清楚阐述原理，让人能更快更好的了解自己说表达的东西。在此过程中发现，之所以不能清楚说明其原理，是因为自己对步进电机的原理掌握和理解得不是很好。要让别人理解一样的东西之前，自己一定要先对其有全面的认识和了解。在对控制芯片的应用时发现对 8255A 的了解和掌握情况还是好的，我想这主要是在前几次实验中对 8255A 有过应用，在应用 8255A 之前对 8255A的功能和功能的实现都有学习和理解。要想更好地理解、掌握