步进电机控制系统设计.docx

1、步进电机控制系统设计设计题目步进电机控制系统设计设计要求1.基本要求：控制步进电机转动，要求转速 1步/1秒；设计实 现接口驱动电路。2.提高要求.改善步进电机的控制性能，控制步进电机转/停；正转/反转； 改变转速（至少3挡）；设计过程（包括：设计方案、上机设计与仿真结果、硬件实验方案及实验结果、收 获和体会）成绩 评定指导 教师 评语课程 设计 等级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， 具有快速启动能力，定位精度高，能够直接接受数字量，因此被广泛地应用于数字控制系 统中，如数模转换装置、精确定位、计算机外围设备等，在现代控制领域起着非 常重要的作用。本设计运用了 808

2、6 CPU芯片以及74273芯片、8255A芯片和步进电机以及 7位小功率驱动芯片ULN2003A、指示灯等辅助硬件电路，设计了步进电机正反 转及调速系统。绘制软件流程图，进行了软件设计并编写了源程序， 最后对软硬 件系统进行联合调试。该步进电机的正反转及调速系统具有控制步进电机正反转 的功能，还可以对步进电机进行调速。关键词：步进电机；正反转；调速控制；ULN2003A芯片；8086微机系统1、 课程设计任务书1.1任务和目的 41.2设计题目 41.3内容和要求 41.4列出使用元器件和设备清单 42、 绪论 43、 步进电机的总体方案 64、 步进电机的硬件设计 74.1总体设计思路 7

3、4.2电路原理图 104.3线路连接图 115、 步进电机软件设计 125. 1流程图 125.2控制程序 14&调试说明 196.1调试过程 196.2调试缺陷 197、 总结收获 198、 参考文献 20附录：元器件及设计清单1.课程设计任务书1.1任务和目的掌握微机硬件和软件综合设计的方法。1.2设计题目步进电机控制系统设计1.3内容和要求1.基本要求：控制步进电机转动，要求转速 1步/1秒；设计实现接口驱动电路 。2.提高要求：改善步进电机的控制性能，控制步进电机转/停；正转/反转；改变转速（至少3挡）；1.4列出使用元器件和设备清单8086cpu可编程并行接口 8255指示灯 键盘7

4、4LS138译码器 驱动模块 步进电机2.绪论步进电机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为 Step motor或Steeping motor、Stepper servo Steppe,等等。目前，随着电子技术、控制技术以及电动机本体的发展和变化， 传统电机分类间 的界面越来越模糊，这是机电一体化元件组件的必然趋势。 就传统的步进电机来说，步进电动机可以简单的定义为，根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态 就前进一定角度（或长度），若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电动机。 从广义上讲，步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机， 也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同

5、步的同步电动机。步进电动机的机理是基于最基本的电磁铁作用，其原理模型起源于 1830年至I860年间。步进电机是工业过程控制及仪表中的主要控制元件之一。例如，在 机械结构中，可以用丝杠把角度变成直线位移， 也可以用它带动螺旋电位器，调 节电压和电流，从而实现对执行机构的控制。在数字控制系统中，由于它可以直 接接受计算机来的数字信号，而不需要进行数 /模转换，所以用起来非常方便。步进电机角位移与控制脉冲间精确同步， 若将角位移的改变转变为线性位移、 位置、体积、流量等物理量变化，便可实现对它们的控制。步进电机作为执行元件的一个显著特点，就是具有快速启停能力。如果负载不超 过步进电机所提供的动态转

6、矩值，就能够在“一刹那”间使步进电机启动或停转。 一般步进电机的步进速率为2001000步/秒，如果步进电机是以逐渐加速到最高 转速，然后再逐渐减速到零的方式工作，其步进速率增加12倍，仍然不会失掉步进电机的另外一个显著特点是精度高。 在没有齿轮传动的情况下，步距角（即 每步所转过的角度）可以由 90o低到每步0.36Q另一方面，无论是变磁阻式步 进电机还是永磁式步进电机，它们都能精确的返回到原来的位置。如一个 24步（每步为15 o的步进电机，当其向正方向步进 48步时刚好转两转。如果再反 向转48步，电机将精确地回到原始的位置。正因为步进电机具有快速启停，精确步进以及能直接接受数字量的特点

7、， 所以使 其在定位场合中得到了广泛的应用。 如在绘图机、打印机及光学仪器中，都采用 步进电机来定位绘图笔，印字头或光学镜头。特别是在工业过程控制的位置控制 系统中，由于步进电机精度高以及不用位移传感器即可达到精确地定位、 应用越来越广。3.步进电机的总体方案步进电机总体方案流程图总体方案说明：系统采用8086cpu,选用普通5V六线四相步进电机，以开关键盘 为输入，以ULN2003作为驱动器，可编程并行接口 8255来扩展接口实现步进电 机的起停、正反转、调速。4.步进电机的硬件设计4.1 总体设计思路4.1.1硬件流程图4.1.2步进电机的工作机理步进电机工作机理是通过对它每相线圈中的电流

8、的顺序切换来使电机作步 进式旋转。驱动电路由脉冲信号来控制，所以调节脉冲信号的频率便可以改变步 进电机的转速。微机控制步进电机最合适。本实验使用国产20BY-0型步进电机， 它使用+5V直流电源，每相电流为0.16A，电机线圈由四相组成，即 A、B、C、 D。当某项绕组通电时，对应的磁极就会产生磁场，并与转子形成磁路。若此时 定子的小齿与转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下，转子转动一定的角度， 使转子齿和定子齿对齐。由此可见，“错齿”是促进步进电机旋转的根本原因。步进电机驱动方式可以采用双四拍( AB BCCD DAAB )方式，也可以采用单四拍 (A - B - C-D - A ) 方式，

9、或单八拍 (A AB B BC CCDDDA A ) 方式，也 可以是 双八拍 (AB ABC BCBCDCDCDA DA DAB AB )方式。实际控制时公 共端是接在+5V上的，所以实际控制脉冲是低有效地。8255A的PA 口输出的脉 冲信号经(MC1413或ULN2003A )倒相驱动后，向步进电机输出脉冲信号序列。 当开关K4=1，步进电机驱动方式采用单八拍工作方式，当开关 K4=0时，步进电机驱动方式采用单四拍驱动方式。当 K2=1时为逆时针转动，K2=0是为顺时 针转动。步序ABCD0111011100211013100141011500116011170110表4-3步序ABCD

10、0111010110201113001141001511016110171100表4-4以上为步进电机正转时的控制顺序及数学模型4.1.3步进电机的工作时序图L单四拍双四拍八拍421步进电机OY口Y口10瞬中 A相 B相 C相DIB图3-7为8255A的引脚图图3-8为8086处理器芯片引脚图4.2电路原理图图4-5 步进电机原理图一15 1 A,B,C,D为四相输入。电路略图由反相器、电感 以及若干电阻构成。图4-6步进电机电路图图4-5为步进电机原理图。其中 图4-6为步进电机电路图TLP_FLTLnJLi nnnjTimrLnJirLTLriJum.n n n1BB图4-7 图4-84.

11、3线路连接图4.3.1开关电路及发光二极管：见图4-9为开关电路图，K1 , K2, K3, K4分别接PC7 PC6 PC5 PC4 其中：K1为低电平时表示关闭开启及停止转动，高电平时表示开启转动。K2为低电平时表示逆时针转动，高电平时为顺时针转动。K3为低电平时表示恒速转动，高电平表示加速运动。在加速过程中，反向转 动时以变速转动。关闭加速开关则以加速最后的速度运动。 加速都最大值显示黄 灯。K4为低电平时表示步进电机驱动方式采用单四拍驱动方式， 高电平表示步进电机驱动方式采用单八拍工作方式。当运行时，绿灯亮；当加速到一定时候，黄灯亮，绿灯灭，并且速度恒定不变；当步程结束时，红灯亮。图4

12、-9开关及显示灯电路4.3.2线路连接图图4-10为线路连接图Mt1EMHE4t#w _RE-”MMREFT羞圭圭亠二Mr和竝竝別以址占 迂珀MP5M VrtIdcaWMH FPArpp PFfrI PF Fp -F I br p fer p F1335.步进电机软件设计5.1流程图步进电机的流程图如下图所示。以下流程可以实现：1、 对需要走得步程进行检测，直到走完为止进行踏步。2、 确定是否启动步进电机3、 实现正反转的选择。7、 实现加速功能。在转动过程中，若一直加速，则到一定速度后，将以最高速 度匀速千运动，并且黄灯点亮。若一直匀速运动，绿灯点亮。若在加速过程中，且未达到最大速度时，关闭

13、开关，则停止加速，并且以停 止前得速度进行运动。8、 实现在步程走完后，能显示步程的数值以及点亮红灯表示停止。5.2控制程序CODE SEGMENTASSUME CS: CODEQS: CODE,ES: CODE,SS: CODEPTCON EQU OFFDBHPTA EQU 0FFD8HPTB EQU 0FFD9HPTC EQU 0FFDAHOUTBIT EQU 0FFDDH ;位控制口 / 键 扫 口OUTSEG EQU 0FFDCH ;段控制9 口ORG 1200HBEGIN: MOV BP, OFFSET STEPSTART: LEA DI, VALUMAIN: MOV AL, 88H

14、MOV DX, PTCONOUT DX, ALMOV DX, PTBMOV AL, OFFHOUT DX, ALWAIT11: MOV DX, PTCIN AL, DXMOV BL, ALTEST AL,80H ; 总开关是否开启JNZ SHOWRIGHT1: MOV DX, PTA LEA SI, MOAR JMP AGARIGHT2: MOV DX, PTA LEA SI, MOBR JMP AGALEFT1: MOV DX, PTALEA SI, MOALJMP AGALEFT2: MOV DX,PTALEA SI,MOBLJMP AGAJ - AGA: MOV AL,SIOUT DX,

15、 ALMOV DX, PTBMOV AL, 0FEHOUT DX, ALMOV DX, PTCIN AL, DXTEST AL,20H ; 检测是否加速运行JZ SPEEDJMP SBACKNEXT: JMP STARTJ -SBACK: CALL DELAY1SJUST: MOV DX,OUTBIT ;MOV AL, 01HOUT DX, ALMOV DX,OUTSEG ;.MOV AL, OCHOUT DX, ALDEC WORD PTR BPJZ STOPINC SIDEC AHJZ NEXTMOV DX, PTAJMP AGACLOSES: CALL DELAY4JMP SJUSTST

16、OP: MOV DX, PTAMOV AL, SIOUT DX, ALJMP DELAY6SPEED: MOV CX, DIMOV DX, PTCIN AL, DXTEST AL,20H ; 是否关闭加速JZ DELAY3JMP CLOSESEDA: MOV DX, PTBMOV AL, 0EFHOUT DX, ALCALL DELAY5JMP SJUSTDELAY1: MOV CX, DI; 定速快转LOOP $RETDELAY3: CMP CX, 03FFHJBE EDASUB CX, 0FHMOV DI,CX ; 未关闭加速度LOOP $JMP SJUSTDELAY4: MOV CX,

17、DILOOP $ ; 关闭加速后恒速RETDELAY5: MOV CX, DILOOP $RETDELAY6: MOV SI, OFFSET STEOLEA DI, FFDDMOV DX, PTBMOV AL, 7FHOUT DX, ALMOV CL, 04HMOV AX, SIAND AX, 0F000HROL AX, CLMOV BX, OFFSET FFDCXLATMOV DX, OUTSEGOUT DX, ALMOV CX, 0FFHMOV DX, OUTBITMOV AL, DI+0000HOUT DX, ALLOOP $MOV CX, 0FFHMOV AX, SIAND AX, 0

18、F00HMOV AL, AHMOV BX, OFFSET FFDCXLATMOV DX, OUTSEGOUT DX, ALMOV DX,OUTBITMOV AL,DI+0001HOUT DX, ALLOOP $MOV CL, 04HMOV AX, SIAND AX, 00F0HSHR AX, CLMOV BX, OFFSET FFDCXLATMOV DX, OUTSEGOUT DX, ALMOV CX, 0FFHMOV DX, OUTBITMOV AL,DI+0002HOUT DX, ALLOOP $MOV CX, 0FFHMOV AX, SIAND AX, OOOFHMOV BX, OFFS

19、ET FFDCXLATMOV DX, OUTSEGOUT DX, ALMOV DX,OUTBITMOV AL,DI+0003HOUT DX, ALLOOP $MOV CX, 0FFHMOV AL, 0F9HMOV DX, OUTSEG OUT DX, ALMOV DX,OUTBITMOV AL,DI+0004H OUT DX, ALLOOP $MOV CX, 0FFHMOV AL,90HMOV DX, OUTSEGOUT DX, ALMOV DX,OUTBITMOV AL,DI+0005HOUT DX, ALLOOP $JMP DELAY6ORG 5000HMOAR DB 03H, 06H,

20、0CH, 09HMOAL DB 03H, 09H, 0CH, 06HMOBR DB 0EH, 0CH, 0DH, 09H, 0BH, 03H, 07H, 06HMOBL DB 0EH, 06H, 07H, 03H, 0BH, 09H, 0DH, 0CHVALU DW 3FFFHSTEP DW 1038HSTEO DW 1038HFFDC DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90HFFDD DB 20H, 10H, 08H, 04H, 02H, 01HCODE ENDSEND BEGIN6.调试说明6.1调试过程以模拟设备为调试对象进行调试。然

21、后通过开关K4和K2选择模式与转向。当K4在下时选择模式A,在上时 选择模式E。当K2在下时，选择逆时针旋转，在上时旋转顺时针旋转。接着打开总开关K1，此时，显示管显示P,指针开始按照设定的要求旋转, 绿灯亮。接着打开开关，是开关K3向上，此时开始加速。若步程较大，则加速一定 时候，使K3向下时停止加速，以最后加速度的大小恒速运动。若开关一直开启 向上，当速度到达3FFH时，黄灯亮，表示速度达到最大值。接着一段时间后， 红灯亮，表示步程走完。6.2调试缺陷缺陷1 ：未能实现实时性显示步程变化 缺陷2:未能设置减速过程。缺陷3:未能键盘输入速度或步程7.总结收获在为期数十天的微机原理课程设计过程

22、中，我接受了来自同学老师的帮助， 在此表示真挚的感谢。一个学期以来，我很认真的学习微机原理，对微机实验很感兴趣。这次课程 设计为我的喜爱创造了一个平台，让我徜徉在设计开发的海洋中。从拿到任务书 知道自己的设计项目开始，我便去了解步进电机的工作机理， 很快，变了解了相 关信息，包括步进电机的模式，应用等。接下来的一顿时间，我把大量的时间花 在编程调试上，程序不断的修改完善，有时为程序的完善而乐此不疲，又有时为 一个上午的时间也不能提高一点应用功能而扼腕叹息。 在编程过程中，我虚心向同学老师请教问题，老师鼓励自己多思考，这确实给我很大的发挥空间。程序员 需要细腻而严密的思路，不能状态不佳而不能兼顾

23、程序始末。 在反复的修改完善 过程中，以前学的微机原理相关知识自动浮现脑海， 为我的编程提供了源源不断 的动力。这次步进电机的综合实验我们学到了 8086和8255A的配合使用 涉进电机、键盘、驱动电路和指示灯的显示，更重要的是学会了程序出问题时调试的方法， 并养成了 Debug的习惯，学到了程序出问题后怎样去解决的基本方法。同时，原本打算采用定时中断来动态显示步进量的变化也最终因为中断掌握 不佳而放弃，着实让我觉得欠佳，在接下来，我认为自己在中断与定时的学习上， 还需花时间去研读。本课程设计的功能以如前所述，相关缺陷不足也有说明，还 望老师帮助指正。参考文献【1】 坂本正文 著.步进电机应用

24、技术.科学出版社.2010【2】 杨居义 著.微机原理与接口技术项目教程.清华大学出版社.2010【3】余祖俊著.微机检测与控制应用系统设计.北方交通大学出版社.2001【4】 周明德 蒋本珊 著.微机原理与接口技术实验指导与习题集.人民邮电出版 社.2002【5】 潘新民 王燕芳 编著.微型计算机控制技术.人民邮电出版社.1999【6】 刘宝廷 程树康等著.步进电机及其驱动控制系统 .哈尔滨工业大学出版社.1997【7】 胥保文 编.微型计算机原理与接口实验指导书.江苏大学测控系.2003【8】许立梓何小敏等编.微型计算机原理及应用.机械工业出版社.200附录:元器件及设计清单1个1只1个1个3个若干4个实验四相步进电机8086CPU地址译码器接口芯片8255A发光二极管导线开关