2022年步进电机转速实时控制 .pdf

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名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 20 页 -I 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;控制名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 20 页 -II 目 录第 1章 绪论.1 1.1 研究背景.1 1.2 选题的目的和意义.1 1.3 本课程设计的主要内容.2 第 2章 步进电机转速实时控制.3 2.1 设计方案.3 2.2 硬件系统基本原理.3 2.2.1 步进电机 35BYJ46.3 2.2.2 可编程并行接口芯片8255A.6 2.3 系统软件.8 2.3.1 软件框图.8 2.3.2 程序代码.10 第 3章 结束语.15 参考文献.17 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 20 页 -*大学课程设计报告1 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名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 20 页 -*大学课程设计报告2 原理和步进电机正、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。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 20 页 -*大学课程设计报告3 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 35BYJ46 1）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：13542图 2-1 励磁线圈名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 20 页 -*大学课程设计报告4 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。1234CCCC图 2-2 电机定子和转子示意图+12V 1 23S1S2S3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 8 5+4-3-2-1-名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 20 页 -*大学课程设计报告5 41 23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。1234D0位D1位D2位D3位图 2-5 8255A 发出脉冲驱动电机（3）步进电机与8255A 接口关系PA0PA1PA2PA3驱动电路步进电机54321M2T图 2-6 步进电机与8255A接口引脚图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 20 页 -*大学课程设计报告6 2.2.2 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。8255A4321403938371819202122232425141617131211PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7D0D1D2D3D4D5D6D7RDWRA0A1RESTCSXD0 34XD1 33XD2 32XD3 31XD4 30XD5 29XD6 28XD7 27RD 5WR 36A0 9A1 8REST 35CS 6系统总线1510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。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名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 20 页 -*大学课程设计报告7 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1D7D6D5D4D3D2D1D0标志位端口 A的工作方式00=方式 001=方式 11 =方式 2PC0-31=输入0=输出PB1=输入0=输出端口 B工作方式00=方式 001=方式 1PC0-71=输入0=输出PA1=输入0=输出图 2-8 8255A 工作方式控制字1D7D6D5D4D3D2D1D0标志位0 0 0 PC00 0 1 PC10 1 0 PC20 1 1 PC31 0 0 PC41 0 1 PC51 1 0 PC61 1 1 PC71=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、A0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A1A0端口0 0A 端口地址0 1B 端口地址1 0C 端口地址1 1控制端口地址名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 20 页 -*大学课程设计报告8 2.3 系统软件2.3.1 软件框图4给定输出数据 TEXT给定转速数据 SPEED给定转速数据表 TABLE 初始化 8255A输出提示信息输入值到 ALAL 数据转换AL=AL-1ZF=0?AL=AL-1ZF=0?AL=AL-1ZF=0?AL=AL-1ZF=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 主程序方框图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 20 页 -*大学课程设计报告9 转速的实现转动步数 DXBX=TABLE 首地址(正转)BX=TABLE 末地址(反转)CX=TABLE 中数据个数输出 BX 到A口,调用延时函数BX=BX+1(正转),BX=BX-1(反转)DX=DX-1DX=0?返回CX=CX-1CX=0?YNNY图 2-11 转速子程序方框图延时子程序PUSH CXCX=0FFFH(慢速);CX=00FFH(快速)PUSH BXPOP BXCX=0?返回YN图 2-12 延时子程序方框图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 20 页 -*大学课程设计报告10 2.3.2 程序代码DATA SEGMENT TABLE DB 01H,03H,02H,06H,04H,0CH,08H,09H TEXT DB 45H,6EH,74H,65H,72H,32H,61H,32H,73H,70H,65H,65H,64H,3AH SPEED1 DB 46H,6FH,72H,77H,61H,72H,64H,32H,53H,6CH,6FH,77H SPEED2 DB 46H,6FH,72H,77H,61H,72H,64H,32H,46h,61H,73H,74H SPEED3 DB 52H,65H,76H,65H,72H,73H,65H,32H,53H,6CH,6FH,77H SPEED4 DB 52H,65H,76H,65H,72H,73H,65H,32H,46H,61H,73H,74H SPEED0 DB 00H DATA ENDS STACK SEGMENT STACK DW 256 DUP(?)STACK ENDS CODE SEGMENT ASSUME CS:CODE,DS:DA TA,SS:STACK START:MOV AX,DA TA MOV DS,AX MOV AL,80H OUT 63H,AL A0:MOV DX,00FFH；提示输入控制电机转速状态对应值MOV CX,SPEED1-TEXT B0:MOV AH,01H MOV BX,OFFSET TEXT MOV AL,BX INT 10H INC BX LOOP B0 MOV AH,00H INT 16H 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 20 页 -*大学课程设计报告11 SUB AL,30H DEC AL JZ X1 DEC AL JZ X2 DEC AL JZ X3 DEC AL JZ X4 JMP EXIT X1:MOV CX,SPEED2-SPEED1；转速 1：低速正转A1:MOV AH,01H MOV BX,OFFSET SPEED1 MOV AL,BX INT 10H INC BX LOOP A1 B1:MOV BX,OFFSET TABLE MOV CX,08H C1:MOV AL,BX OUT 60H,AL CALL DALAY0 INC BX DEC DX JZ A0 LOOP C1 JMP B1 X2:MOV CX,SPEED3-SPEED2；转速 2：高速正转A2:MOV AH,01H MOV BX,OFFSET SPEED2 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 20 页 -*大学课程设计报告12 MOV AL,BX INT 10H INC BX LOOP A2 B2:MOV BX,OFFSET TABLE MOV CX,08H C2:MOV AL,BX OUT 60H,AL CALL DALAY1 INC BX DEC DX JZ A0 LOOP C2 JMP B2 X3:MOV CX,SPEED4-SPEED3；转速 3：低速反转A3:MOV AH,01H MOV BX,OFFSET SPEED1 MOV AL,BX INT 10H INC BX LOOP A3 B3:MOV BX,OFFSET TABLE ADD BX,0007H MOV CX,08H C3:MOV AL,BX OUT 60H,AL CALL DALAY0 DEC BX DEC DX JZ JF 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 15 页，共 20 页 -*大学课程设计报告13 LOOP C3 JMP B3 X4:MOV CX,SPEED0-SPEED4；转速 4：高速反转A4:MOV AH,01H MOV BX,OFFSET SPEED4 MOV AL,BX INT 10H INC BX LOOP A4 B4:MOV BX,OFFSET TABLE ADD BX,0007H MOV CX,08H C4:MOV AL,BX OUT 60H,AL CALL DALAY1 DEC BX DEC DX JZ JF LOOP C4 JMP B4 JF:JMP FAR PTR A0 DALAY0 PROC；延时子程序，慢速PUSH CX MOV CX,0FFFH A5:PUSH AX POP AX LOOP A5 POP CX RET DALAY0 ENDP 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 16 页，共 20 页 -*大学课程设计报告14 DALAY1 PROC；延时子程序，快速PUSH CX MOV CX,00FFH A6:PUSH AX POP AX LOOP A6 POP CX RET DALAY1 ENDP EXIT:CODE END END START 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 17 页，共 20 页 -*大学课程设计报告15 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、掌握知识，最好的方法就是多运用这些知识，在运用中会对所学知识有更好的理解和掌握。另外，在此之间还初步掌握了Microsoft Visio 2010 绘图软件，有利于以后书写论文。软件部分。在编写好源程序后，调试过程中总是出现问题。最开始是书写问题，由于对汇编语言应用不多，一些不常用的语句经常写错，经常出现过输入字符不符合规范，经过仔细检查之后还是能轻易检查出来。但对于逻辑检查，还是出现了很大问题。首先，通用寄存器的混用，由于程序很长，用到的寄存器比较多，往往书写到后面是发现通用寄存器都用完了，于是就查看前面的程序看看是否还有通用寄存器可用。这也就是容易出现问题的时候，在编译的时候往往不易找出这些错误，而且修改起来是牵一发而动全身，工作量比较大。解决这样的问题最好就是在绘制程序流程图时把用到的寄存器列出，以免混淆。然后，在修改完后，编译时仍然有问题，经过认真仔细阅读程名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 18 页，共 20 页 -*大学课程设计报告16 序还是不能找出错误。但是为了完成此次课程设计任务，又反复重复上述过程，最后几近崩溃的边缘，但仍未找到错误点。最后还是按照书上的介绍，运用DEBUG 程序对源文件进行调试。虽然认为 DEBUG 很复杂，但仍一步一步调试程序，最后终于找到错误的地方是该用长转移到地方用了段转移。对源程序的调试过程让我认识到：一、书写程序要按照既定的格式和布局，以方便在出错的情况下找到错误和改正错误；二、调试要注意方法和步骤，这样既省时又有效；三、注意一些相似语句的微小区别，往往在这些地方容易出错。经过前期充分的准备和几次实验积累的经验，上机调试和功能验证环节还算顺利。因为，在准备过程中对步进电机的控制原理，控制系统都比较好的掌握，出现问题也能较有效地解决。最后书写摘要时认真总结步进电机的要点，发现摘要就是整篇的精华。以后在查找资料时可先关注摘要部分。此次，课程设计很快结束了，这一周忙碌而充实。在此次课程设计中学到的不知识步进电机的实时控制，更多的是学习的方法和经验。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 19 页，共 20 页 -*大学课程设计报告17 参考文献1 缪海滔.步进电机原理及维护.宁德师专学报，2006，4 2 谢辉，唐勇.步进电机发展回顾与前景展望.重庆三峡学院学报，2010，3 3 杨帮华.微机原理与接口技术.北京：清华大学出版社，2008：236-247 4 王 爽.汇 编 语 言.第 二 版.北京：清 华 大 学 出 版 社，2008：300-303 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 20 页，共 20 页 -