步進電機轉(zhuǎn)速實時控制課程設計

1、<p><b>　　微機原理</b></p><p><b>　　課程設計報告</b></p><p>　　題 目 步進電機轉(zhuǎn)速實時控制 </p><p>　　學 院 </p><p>　　專 業(yè)

2、 </p><p>　　學生姓名 </p><p>　　學 號 年級 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p><b>　　二〇年月</b></p>

3、<p>　　步進電機轉(zhuǎn)速實時控制</p><p>　　摘要：本設計采用電壓為DC12V的四相八拍35BYJ46型步進電機，以8255A作為8086并行輸出接口，并通過編寫匯編語言控制8255A的A口，進而控制步進電機轉(zhuǎn)速狀態(tài)。通過輸入預先設定好的轉(zhuǎn)速狀態(tài)對應值，即可控制電機的轉(zhuǎn)速狀態(tài)。轉(zhuǎn)向可以通過查表來實現(xiàn)，以逐次遞增方向查表，則步進電機正轉(zhuǎn)；以逐次遞減方向查表，則步進電機反轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)速則通過調(diào)用延時子

4、程序，當調(diào)用延時較長的子程序時，則步進電機轉(zhuǎn)速慢，當調(diào)用延時較短的子程序時，步進電機轉(zhuǎn)速加快。</p><p>　　關(guān)鍵詞：步進電機;8255A;控制</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 研究背景1<

5、/p><p>　　1.2 選題的目的和意義1</p><p>　　1.3 本課程設計的主要內(nèi)容2</p><p>　　第2章 步進電機轉(zhuǎn)速實時控制3</p><p>　　2.1 設計方案3</p><p>　　2.2 硬件系統(tǒng)基本原理3</p><p>　　2.2.1 步進電機35BYJ4

6、63</p><p>　　2.2.2 可編程并行接口芯片8255A6</p><p>　　2.3 系統(tǒng)軟件8</p><p>　　2.3.1 軟件框圖8</p><p>　　2.3.2 程序代碼10</p><p>　　第3章 結(jié)束語15</p><p><b>　　參考文

7、獻17</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 研究背景</b></p><p>　　在普通旋轉(zhuǎn)電機的基礎上產(chǎn)生的各種控制電機與普通電機本質(zhì)上并沒有差別，只是著重點不同。普通旋轉(zhuǎn)電機主要是進行能量變換，要求有較高的力能指標，而控制電機主要是對控制信號進行傳

8、遞和變換,要求有反應快、精度高、運行可靠等控制性能?？刂齐姍C因其各種特殊的控制性能而常在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件、檢測元件和解算元件。步進電機就是一種應用非常廣泛的控制電機。步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。當電機連續(xù)不斷地收到脈沖信號，電機就一步一步地轉(zhuǎn)動，這就是步進電機

9、名稱的由來。這一線性關(guān)系的存在，加上輸入的脈沖與其位移量有嚴格的對應關(guān)系,不會產(chǎn)生步距腳累積誤差的特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變化非常簡單。如各種數(shù)控機床、自動繪圖儀、機器人等。[1]</p><p>　　步進電動機經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已成為除直流電動機和交流電動機以外的應用最廣泛的第三類電動機。在開環(huán)高分辨率的定位系統(tǒng)中，至今還沒有發(fā)現(xiàn)更合適取代它的產(chǎn)品，特別是在一些功率相當小的系統(tǒng)中，步進電

10、機更具有無可替代的主流地位。預計未來步進電機的研究還會持續(xù)深入下去，研究方向之一是電機與驅(qū)動的一體化，使步進電機體積更小巧、性能更優(yōu)越，性價比更高，在大量的民用設備中批量化使用，如家庭機器人、民用智能化設備等；研究方向之二是在功率或機座號相對較大的步進電動機中，與屬于BIDCM(稀土永磁無刷直流電機)的交流伺服電動機系統(tǒng)會合，具體來說可能會借鑒交流伺服系統(tǒng)的控制技術(shù)，但保留了部分步進電動機的特點，形成一種新的“步進伺服電動機”或“伺服步

11、進電動機”，在克服低頻振蕩、高頻過載能力小、快速性不足和效率低等方面取得突破性進展，從而在現(xiàn)代軍事、精密機械加工、航空航天等領域的應用越來越深入。[2]</p><p>　　1.2 選題的目的和意義</p><p>　　步進電機已被廣泛地應用并且其應用前景十分樂觀，因此學習和掌握步進電機是非常必要的。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。它必須由形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等

12、組成控制系統(tǒng)方可使用。因此通過運用所學的專業(yè)知識，掌握四相步進電機接口電路原理和步進電機正、反轉(zhuǎn)工作原理以及轉(zhuǎn)速控制原理，設計出相應硬件電路和軟件實現(xiàn)對四相步進電機的實時控制，達到加深對所學知識的理解和掌握，運用所學的理論和方法進行實踐、解決問題和認識步進電機、簡單控制步進電機的目的。</p><p>　　1.3 本課程設計的主要內(nèi)容</p><p>　　1）闡述步進電機與8255A的接口

13、電路原理。</p><p>　　2）編寫出使步進電機低速正、反轉(zhuǎn)和高速正、反轉(zhuǎn)以及顯示轉(zhuǎn)速狀態(tài)的程序。</p><p>　　3）在實驗箱上調(diào)試程序，達到所設計的結(jié)果。</p><p>　　第2章 步進電機轉(zhuǎn)速實時控制</p><p><b>　　2.1 設計方案</b></p><p>　　本設計

14、采用電壓為DC12V的四相八拍步進電機35BYJ46型電機，用ULN2003作為步進電動機驅(qū)動電路主芯片，以8255A作為8086并行輸出接口，8086對步進電機的控制信號則通過8255A送到ULN2003。</p><p>　　通過輸入預先設定好的轉(zhuǎn)速狀態(tài)對應值，即可控制電機的轉(zhuǎn)速狀態(tài)。轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速，通過查表的方式實現(xiàn)，以逐次遞增方向查表，依次輸出表中數(shù)據(jù)，則步進電機正轉(zhuǎn)；以逐次遞減方向查表，則步進電機反轉(zhuǎn)，即通

15、過一個表實現(xiàn)步進電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)速則通過調(diào)用延時子程序，當調(diào)用延時較長的子程序時，則步進電機轉(zhuǎn)速慢，當調(diào)用延時較短的子程序時，步進電機轉(zhuǎn)速加快。</p><p>　　2.2 硬件系統(tǒng)基本原理</p><p>　　2.2.1 步進電機35BYJ46</p><p>　　1）四相步進電機勵磁線圈及其勵磁順序</p><p>　　本設計采用的步

16、進電機為35BYJ46型四相八拍電機，電壓為DC12V，其勵磁線圈及其勵磁順序如圖2-1和表2-1所示：</p><p><b>　　圖2-1勵磁線圈</b></p><p><b>　　表2-1勵磁順序</b></p><p>　　2）四相步進電機驅(qū)動原理</p><p>　　四相步進電機示意圖見

17、圖2-2，電氣連接圖見圖2-3，轉(zhuǎn)子由一個永久磁鐵構(gòu)成，定子分別由四組繞組構(gòu)成。</p><p>　　圖 2-2 電機定子和轉(zhuǎn)子示意圖 </p><p>　　圖 2-3 電氣連接示意圖</p><p>　　當S1連通電源后，定子磁場將產(chǎn)生一個靠近轉(zhuǎn)子為N極，遠離轉(zhuǎn)子為S極的磁場，這樣的定子磁場和轉(zhuǎn)子的固有磁場發(fā)生作用，轉(zhuǎn)子就會轉(zhuǎn)動，正確地S1、S4的送電次序，就能控

18、制轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向。</p><p>　　例如：若送電的順序為S1閉合→斷開→S2閉合→斷開→S3閉合→斷開S4→閉合→斷開，周而復始的循環(huán)，在定子和轉(zhuǎn)子共同作用下，電機就瞬時針旋轉(zhuǎn)如圖2-4。</p><p>　　圖2-4 電機旋轉(zhuǎn)模型</p><p>　　若送電的順序為S4閉合→斷開→S3閉合→斷開→S2閉合→斷開→S1閉合→斷開，周復始的循環(huán)，則電機就逆時針旋轉(zhuǎn)

19、。</p><p>　　也可以通過給定子依次發(fā)脈沖的方式來驅(qū)動電機，如圖2-5所示，依次給定子1，定子2，定子3，定子4發(fā)送脈沖，這樣循環(huán)下去電機就會順時針旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　圖2-5 8255A發(fā)出脈沖驅(qū)動電機</p><p>　　步進電機與8255A接口關(guān)系</p><p>　　圖 2-6 步進電機與8255A接口引腳圖</

20、p><p>　　2.2.2 可編程并行接口芯片8255A</p><p>　　1）8255A簡介[3]</p><p>　　Intel 8086/8088 系列的可編程外設接口電路（Programmable Peripheral Interface)簡稱 PPI，型號為8255（改進型為8255A及8255A-5），具有24條輸入/輸出引腳、可編程的通用并行輸入/輸出接

21、口電路。它是一片使用單一+5V電源的40腳雙列直插式大規(guī)模集成電路。8255A的通用性強，使用靈活，通過它CPU可直接與外設相連接。 </p><p>　　8255A是一個并行輸入、輸出器件，具有24個可編程設置的I/O口，包括3組8位的I/O為PA口、PB口、PC口，又可分為2組12位的I/O口：A組包括A口及C口高4位，B組包括B口及C組的低4位。</p><p>　　圖 2-7 82

22、55引腳圖</p><p>　　2）8255A工作方式</p><p>　　8255A在使用前要寫入一個方式控制字，選擇A、B、C三個端口各自的工作方式，共有三種：</p><p>　　方式0：基本的輸入輸出方式，即無須聯(lián)絡就可以直接進行的 I/O方式。其中A、B、C口的高四位或低四位可分別設置成輸入或輸出。 </p><p>　　方式1：選

23、通I/O，此時接口和外圍設備需聯(lián)絡信號進行協(xié)調(diào)，只有A口和B口可以工作在方式1，此時C口的某些線被規(guī)定為A口或B口與外圍設備的聯(lián)絡信號，余下的線只有基本的I/O功能，即只工作在方式0。</p><p>　　方式2：雙向I/O方式，只有A口可以工作在這種方式，該I/O線即可輸入又可輸出，此時C口有5條線被規(guī)定為A口和外圍設備的雙向聯(lián)絡線，C口剩下的三條線可作為B口方式1的聯(lián)絡線，也可以和B口一起方式0的I/O線。&

24、lt;/p><p>　　3）8255A的工作方式控制字和C口按位置位/復位控制字格式</p><p>　　圖2-8 8255A工作方式控制字</p><p>　　圖2-9 8255A C口按位置位/復位控制字</p><p>　　4）8255A的端口地址編碼</p><p>　　8255A中的讀寫控制邏輯電路完成三個數(shù)據(jù)端

25、口和一個控制端口的譯碼，管理數(shù)據(jù)信息、控制字和狀態(tài)字的傳送，接受來自CPU地址總線的A 1、A0和有關(guān)控制信號，向8255A的A、B組控制部件發(fā)送命令。它的A口、B口、C口和控制口的編碼如下表。</p><p>　　表 2-1 8255A端口地址編碼</p><p><b>　　2.3 系統(tǒng)軟件</b></p><p>　　2.3.1 軟件框圖

26、[4]</p><p>　　圖 2-10 主程序方框圖</p><p>　　圖 2-11 轉(zhuǎn)速子程序方框圖</p><p>　　圖 2-12 延時子程序方框圖</p><p>　　2.3.2 程序代碼</p><p>　　DATASEGMENT</p><p>　　TABLEDB01

27、H,03H,02H,06H,04H,0CH,08H,09H</p><p>　　TEXTDB45H,6EH,74H,65H,72H,32H,61H,32H,73H,70H,65H,65H,64H,3AH</p><p>　　SPEED1DB 46H,6FH,72H,77H,61H,72H,64H,32H,53H,6CH,6FH,77H</p><p&

28、gt;　　SPEED2DB 46H,6FH,72H,77H,61H,72H,64H,32H,46h,61H,73H,74H</p><p>　　SPEED3DB 52H,65H,76H,65H,72H,73H,65H,32H,53H,6CH,6FH,77H</p><p>　　SPEED4DB 52H,65H,76H,65H,72H,73H,65H,32

29、H,46H,61H,73H,74H</p><p>　　SPEED0DB 00H</p><p>　　DATA ENDS</p><p>　　STACKSEGMENT STACK</p><p>　　DW 256 DUP(?)</p><p>　　STACKENDS</p><

30、;p>　　CODE SEGMENT</p><p>　　ASSUMECS: CODE,DS: DATA,SS: STACK</p><p>　　START: MOVAX,DATA</p><p><b>　　MOVDS,AX</b></p><p>　　MOVAL,80H</p&g

31、t;<p>　　OUT63H,AL</p><p>　　A0:MOVDX,00FFH；提示輸入控制電機轉(zhuǎn)速狀態(tài)對應值</p><p>　　MOVCX,SPEED1-TEXT</p><p>　　B0: MOVAH,01H</p><p>　　MOVBX,OFFSET TEXT</p&g

32、t;<p>　　MOVAL ,[BX]</p><p><b>　　INT10H</b></p><p><b>　　INCBX</b></p><p><b>　　LOOPB0</b></p><p>　　MOVAH,00H</p>

33、<p><b>　　INT16H</b></p><p>　　SUBAL,30H</p><p><b>　　DECAL</b></p><p><b>　　JZX1</b></p><p><b>　　DECAL</b><

34、/p><p><b>　　JZX2</b></p><p><b>　　DECAL</b></p><p><b>　　JZX3</b></p><p><b>　　DECAL</b></p><p><b>　　

35、JZX4</b></p><p><b>　　JMPEXIT</b></p><p>　　X1:MOVCX,SPEED2-SPEED1；轉(zhuǎn)速1：低速正轉(zhuǎn)</p><p>　　A1:MOVAH,01H</p><p>　　MOVBX,OFFSET SPEED1</p>

36、<p>　　MOVAL,[BX]</p><p><b>　　INT10H</b></p><p><b>　　INCBX</b></p><p><b>　　LOOPA1</b></p><p>　　B1:MOVBX,OFFSET TABLE

37、</p><p>　　MOVCX,08H</p><p>　　C1:MOVAL,[BX]</p><p>　　OUT60H,AL</p><p>　　CALLDALAY0</p><p><b>　　INCBX</b></p><p><b>　

38、　DECDX</b></p><p><b>　　JZA0</b></p><p><b>　　LOOPC1</b></p><p><b>　　JMPB1</b></p><p>　　X2:MOVCX,SPEED3-SPEED2；轉(zhuǎn)速2：高速

39、正轉(zhuǎn)</p><p>　　A2:MOVAH,01H</p><p>　　MOVBX,OFFSET SPEED2</p><p>　　MOVAL,[BX]</p><p><b>　　INT10H</b></p><p><b>　　INCBX</b>&l

40、t;/p><p><b>　　LOOPA2</b></p><p>　　B2:MOVBX,OFFSET TABLE</p><p>　　MOVCX,08H</p><p>　　C2:MOVAL,[BX]</p><p>　　OUT60H,AL</p><p&

41、gt;　　CALLDALAY1</p><p><b>　　INCBX</b></p><p><b>　　DECDX</b></p><p><b>　　JZA0</b></p><p><b>　　LOOPC2</b></p>

42、<p><b>　　JMPB2</b></p><p>　　X3:MOVCX,SPEED4-SPEED3；轉(zhuǎn)速3：低速反轉(zhuǎn)</p><p>　　A3:MOVAH,01H</p><p>　　MOVBX,OFFSET SPEED1</p><p>　　MOVAL,[BX]</

43、p><p><b>　　INT10H</b></p><p><b>　　INCBX</b></p><p><b>　　LOOPA3</b></p><p>　　B3:MOVBX,OFFSET TABLE</p><p>　　ADDB

44、X,0007H</p><p>　　MOVCX,08H</p><p>　　C3:MOVAL,[BX]</p><p>　　OUT60H,AL</p><p>　　CALLDALAY0</p><p><b>　　DECBX</b></p><p><

45、b>　　DECDX</b></p><p><b>　　JZJF</b></p><p><b>　　LOOPC3</b></p><p><b>　　JMPB3</b></p><p>　　X4:MOVCX,SPEED0-SPEED4；

46、轉(zhuǎn)速4：高速反轉(zhuǎn)</p><p>　　A4:MOVAH,01H</p><p>　　MOVBX,OFFSET SPEED4</p><p>　　MOVAL,[BX]</p><p><b>　　INT10H</b></p><p><b>　　INCBX</b

47、></p><p><b>　　LOOPA4</b></p><p>　　B4:MOVBX,OFFSET TABLE</p><p>　　ADDBX,0007H</p><p>　　MOVCX,08H</p><p>　　C4:MOVAL,[BX]</p>

48、<p>　　OUT60H,AL</p><p>　　CALLDALAY1</p><p><b>　　DECBX</b></p><p><b>　　DECDX</b></p><p><b>　　JZJF</b></p><p&g

49、t;<b>　　LOOPC4</b></p><p><b>　　JMPB4</b></p><p>　　JF:JMPFAR PTR A0</p><p>　　DALAY0PROC；延時子程序，慢速</p><p><b>　　PUSHCX</b&

50、gt;</p><p>　　MOVCX,0FFFH</p><p>　　A5:PUSHAX</p><p><b>　　POPAX</b></p><p><b>　　LOOPA5</b></p><p><b>　　POPCX</b>

51、;</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　DALAY0ENDP</p><p>　　DALAY1PROC；延時子程序，快速</p><p><b>　　PUSHCX</b></p><p>　　MOVCX,00FFH</p

52、><p>　　A6:PUSHAX</p><p><b>　　POPAX</b></p><p><b>　　LOOPA6</b></p><p><b>　　POPCX</b></p><p><b>　　RET</b&g

53、t;</p><p>　　DALAY1ENDP</p><p><b>　　EXIT: </b></p><p><b>　　CODEEND</b></p><p><b>　　ENDSTART</b></p><p><b>

54、　　第3章 結(jié)束語</b></p><p>　　這是我第一次做課程設計，剛開始覺得簡單，認為和平時的實驗課沒什么區(qū)別，最多就是一個要求較多的實驗而已。但通過這一周的課程設計，才發(fā)現(xiàn)自己的看法是錯的。總的來說，這次課程設計讓我發(fā)現(xiàn)自己所學是多么不足，課本和實際是多么的遙遠，另一方面，自己的動手能力，查閱資料的能力有所提高。下面就按編寫此次課程設計報告的順序介紹一下自己所感所得。</p>&

55、lt;p>　　首先就是寫緒論。當我看到本次課程設計的題目，很快就聯(lián)想到這學期所學的電機原理和拖動以及計算機原理和接口技術(shù)。翻看電機原理和拖動后，對步進電機有所了解。但這只是停留在理解步進電機原理層面，對步進電機的產(chǎn)生背景和應用前景都不是很了解。通過網(wǎng)絡搜索和近幾年期刊雜志以及學術(shù)論文的查閱，才較為全面的了解步進電機。和自己查閱的資料來看，課本上的東西還是幾十年甚至一百多年的東西，幾乎和實際應用相差很遠?，F(xiàn)在實際應用對步進電機有很大

56、改善，對其性能有很大提高，其配套設施的復雜程度也和步進電機的復雜程度相差不多。所以在學習書本上的知識的同時一定要了解這些知識在現(xiàn)實中的應用，這樣才更好的學習書本知識，掌握知識，應用知識。</p><p>　　在書寫第二章時，用自己的話對步進電機原理的敘述始終說不清楚，不得不再翻書和查閱資料。學習如何清楚闡述原理，讓人能更快更好的了解自己說表達的東西。在此過程中發(fā)現(xiàn)，之所以不能清楚說明其原理，是因為自己對步進電機的

57、原理掌握和理解得不是很好。要讓別人理解一樣的東西之前，自己一定要先對其有全面的認識和了解。在對控制芯片的應用時發(fā)現(xiàn)對8255A的了解和掌握情況還是好的，我想這主要是在前幾次實驗中對8255A有過應用，在應用8255A之前對8255A的功能和功能的實現(xiàn)都有學習和理解。要想更好地理解、掌握知識，最好的方法就是多運用這些知識，在運用中會對所學知識有更好的理解和掌握。另外，在此之間還初步掌握了Microsoft Visio 2010 繪圖軟件，

58、有利于以后書寫論文。</p><p>　　軟件部分。在編寫好源程序后，調(diào)試過程中總是出現(xiàn)問題。最開始是書寫問題，由于對匯編語言應用不多，一些不常用的語句經(jīng)常寫錯，經(jīng)常出現(xiàn)過輸入字符不符合規(guī)范，經(jīng)過仔細檢查之后還是能輕易檢查出來。但對于邏輯檢查，還是出現(xiàn)了很大問題。首先，通用寄存器的混用，由于程序很長，用到的寄存器比較多，往往書寫到后面是發(fā)現(xiàn)通用寄存器都用完了，于是就查看前面的程序看看是否還有通用寄存器可用。這也就

59、是容易出現(xiàn)問題的時候，在編譯的時候往往不易找出這些錯誤，而且修改起來是牽一發(fā)而動全身，工作量比較大。解決這樣的問題最好就是在繪制程序流程圖時把用到的寄存器列出，以免混淆。然后，在修改完后，編譯時仍然有問題，經(jīng)過認真仔細閱讀程序還是不能找出錯誤。但是為了完成此次課程設計任務，又反復重復上述過程，最后幾近崩潰的邊緣，但仍未找到錯誤點。最后還是按照書上的介紹，運用DEBUG程序?qū)υ次募M行調(diào)試。雖然認為DEBUG很復雜，但仍一步一步調(diào)試程序，

60、最后終于找到錯誤的地方是該用長轉(zhuǎn)移到地方用了段轉(zhuǎn)移。對源程序的調(diào)試過程讓我認識到：一、書寫程序要按照既定的格式和布局，以方便在出錯的情況下找到錯誤和改正錯誤；二、調(diào)試要注意方法和步驟，這</p><p>　　經(jīng)過前期充分的準備和幾次實驗積累的經(jīng)驗，上機調(diào)試和功能驗證環(huán)節(jié)還算順利。因為，在準備過程中對步進電機的控制原理，控制系統(tǒng)都比較好的掌握，出現(xiàn)問題也能較有效地解決。最后書寫摘要時認真總結(jié)步進電機的要點，發(fā)現(xiàn)摘要

61、就是整篇的精華。以后在查找資料時可先關(guān)注摘要部分。</p><p>　　此次，課程設計很快結(jié)束了，這一周忙碌而充實。在此次課程設計中學到的不知識步進電機的實時控制，更多的是學習的方法和經(jīng)驗。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 繆海滔.步進電機原理及維護.寧德師專學報，2006，4</p>&