1、微機原理課程設計報告(步進電機控制)學院：電氣工程學院一、課題內容和提示：編程提示：（1）步進電機驅動原理是通過對每相線圈中的電流的順序切換來使電機做步進式旋轉。調節輸入脈沖的頻率可改變步進電機的轉速。（2）編寫程序使步進電機按正轉10圈，反轉5圈，再正轉10圈，再反轉5圈的規律旋轉。（3）調整延時參數，使步進電機的轉動速度為每秒5轉。報告要求：每秒5轉對應的延時參數是多少？，這個數字與微機的速度有什么關系？為什么？二、設計思路：（1）前言：步進電機具有控制簡便、定位準確等特點。隨著科學技術的發展,在許多領域將得到廣泛的應用。鑒于傳統的脈沖系統移植性不好,本文提出微機控制系統代替脈沖發生器和脈

2、沖分配器,用軟件的方法產生控制脈沖,通過軟件編程可以任意設定步進電機的轉速、旋轉角度、轉動次數和控制步進電機的運行狀態。以簡化控制電路,降低生產成本,提高系統的運行效率和靈活性。在此基礎上提出了雙三拍步進電機程序控制的硬件接口電路、程序流程圖和匯編程序。步進電機是自動控制系統中常用的執行部件。步進電機的輸入信號為脈沖電流,它能將輸入的脈沖信號轉換為階躍型的角位移或直線位移,因而步進電機可看作是一個串行的數/模轉換器。由于步進電機能夠直接接受數字信號,而不需數/模轉換,所以使用微機控制步進電機顯得非常方便。（2）步進電機優點:(1)通常不需要反饋就能對位置和速度進行控制;(2)位置誤差不會積累;

3、(3)與數組設備兼容,能夠直接接收數字信號;(4)可以快速啟停。（3）步進電機工作原理：以磁阻式步進電機為例,介紹一下步進電機的工作原理,下圖是磁阻式步進電機工作原理的示意圖。它的定子上有六個極,轉子有四個極。定子磁極上繞有三組繞組,每組繞組由相互串聯的兩個線圈構成。一組繞組叫做一相。因此,下圖所示的電機為三相步進電機。直流電源通過開關I、和,驅動電流流過繞在定子上的繞組。狀態(1) ,開關I閉合,A相通電。由于A相繞組受到激磁,空氣隙里出現如箭頭所示的磁場。A相上的兩個定子磁極和兩個轉子齒對準,轉子處于平衡狀態。若再閉合開關R激勵B相,如狀態(2)所示, B相的定子磁極以同樣的方式產生磁場。

4、在磁力線的張力作用下,產生逆時針方向的轉矩。于是,轉子沿逆時針方向轉過一個固定的角度,到達狀態(3)。圖中,轉過的角度為15。如果現在打開開關I,去掉A相的激磁,轉子將再轉15,到達狀態(4)。因此,轉子的角位置可以用這種開關方式進行控制。若開關以某種時序轉換,則轉子就能以步進運動的方式連續旋轉;若進一步使時序轉換的速度可調,則平均速度也能用這種開關方式進行控制。實際上,驅動步進電機的開關是晶體管,開關信號由數字集成電路或微機產生。通過前面的介紹可以看到,步進電機是一種把開關激勵的變化變換成精確的轉子位置增量運動的執行機構。（4）步進電機工作方式：4. 1步進電機的傳動方式4. 1. 1三相單

5、三拍工作方式在這種工作方式下,A、B、C三相輪流通電,電流切換三次,磁場旋轉一周,轉子向前轉過一個齒距角。因此這種通電方式叫做三相單三拍工作方式。這時步距角b (度)為b = 360 /mz() 式中:m定子相數; z 轉子齒數4. 1. 2三相六拍工作方式在這種工作方式下,首先A相通電,轉子齒與A相定子齒對齊。第二拍,A相繼續通電,同時接通B相,A、B各自建立的磁場形成一個合成磁場,這時轉子齒既不對準A相也不對準B相,而是對準A、B兩極軸線的角等分線,使轉子齒相對于A相定子齒轉過1 /6齒距,即1. 5。第三拍,A相切斷,僅B相保持接通。這時,由B相建立的磁場與單三拍時B相通電的情況一樣。依

6、次類推,繞組以AABBBCCCAA時序(或反時序)轉換6次,磁場旋轉一周,轉子前進一個齒距,每次切換均使轉子轉動1. 5,故這種通電方式稱為三相六柏工作方式。其步距角b 為:b = 360 /2mz = 180 /mz() 4. 1. 3雙三拍工作方式這種工作方式每次都是有兩相導通,兩相繞組處在電壓之下,以ABBCCAAB (或反之)方式通電,故稱為雙三拍工作方式。以這種方式通電,轉子齒所處的位置相當于六拍控制方式中去掉單三拍后的三個位置。它的步距角計算公式與單三拍時的公式相同。由上述分析可知,要使磁阻式步進電機具有工作能力,最起碼的條件是定子極分度角不能被齒距角整除,且應滿足下列方程:極分度

7、角/齒距角= R + k1m進一步化簡得齒數z:z = q (mR + k) (2 - 3)式中:m相數; q每相的極數; k (m - 1)的正整數;R正整數,為0、1、2、3。按選定的相數和不同的極數,由上式就可推算出轉子齒數。因為三相雙三拍步進電機不易失步，控制精度比較高,所以本文對三相雙三拍步進電機進行控制,定子有三對磁極，運行時兩相同時通電,循環帶動轉子轉動。4. 2硬件接口電路傳統的步進電機控制系統采用硬件進行控制,用一個脈沖發生器產生頻率變化的脈沖信號,再經一個脈沖分配器把方向控制信號和脈沖信號轉換成有一定邏輯關系的環形脈沖;經驅動電路放大后就可以來驅動步進電機了。在這種控制中,

8、步進電機的脈沖由硬件電路產生,如果系統發生變化或使用不同類型的步進電機,需重新設計硬件電路,系統的可移植性不好。用微機控制系統代替脈沖發生器和脈沖分配器,就可以根據系統需要通過軟件編程的方法任意設定步進電機的轉速、旋轉角度、轉動次數和控制步進電機的運行狀態。這樣可簡化控制電路,降低生產成本,提高系統的運行效率和靈活性。4. 3脈沖的形成實現對步進電機的控制,微機應能輸出有一定周期的控制脈沖。步驟是:先輸出一個高電平,延時一段時間后,再輸入一個低電平,然后再延時。改變延時時間的長短,即可改變脈沖的周期,脈沖的周期由步進電機的工作頻率確定。4. 4旋轉方向控制步進電機的旋轉方向和內部繞組的通電順序

9、及通電方式有密切關系 810 。對于三相雙三拍工作方式:正相旋轉:ABBCCAAB，反相旋轉:ABCABCAB三相雙三拍控制模型如下表所示：(1)正轉控制模型: 步序通電方式控制模塊二進制十六進制1AB0000001103H2BC0000011006H3CA0000010105H(2)反轉控制模型步序通電方式控制模塊二進制十六進制1AB0000001103H2CA0000010105H3BC0000011006H4. 5轉速控制控制步進電機的運行速度,實際上是控制系統發出時鐘脈沖的頻率或換相的周期,即在升速過程中,使脈沖的輸出頻率逐漸增加;在減速過程中,使脈沖的輸出頻率逐漸減少。脈沖信號的頻率

10、可以用軟件延時和硬件中斷兩種方法來確定。采用軟件延時,一般是根據所需的時間常數來設計一個子程序,該程序包含一定的指令,設計者要對這些指令的執行時間進行嚴密的計算或者精確的測試,以便確定延時時間是否符合要求。每當延時子程序結束后,可以執行下面的操作,也可用輸出指令輸出一個信號作為定時輸出。采用軟件定時, CPU一直被占用,因此CPU利用率低。可編程的硬件定時器直接對系統時鐘脈沖或某一固定頻率的時鐘脈沖進行計數,計數值則由編程決定。當計數到預定的脈沖數時,產生中斷信號,得到所需的延時時間或定時間隔。由于計數的初始值由編程決定,因而在不改動硬件的情況下,只通過程序變化即可滿足不同的定時和計數要求,因

11、此使用很方便。三、程序設計正轉控制模型03H、06H、05H存放在相應內存單元中；反轉控制模型03H、05H、06H存放在相應內存單元中；主程序如下:CODE SEGMENTASSUME CS:CODEICCONPT EQU 0FF2BH ; 8255控制寄存器地址IOCPT EQU 0FF2AH ; 8255C口地址IOBPT EQU 0FF29H ; 8255B口地址IOAPT EQU 0FF28H ; 8255A口地址 ORG 1620H ;定義起始地址START:MOV AL,A4H ;寫控制寄存器，定義各口均為0方式輸出MOV DX,IOCONPTOUT DX,ALZHU:MOV C

12、X,190H ; 正轉圈數為10MOV DX,IOAPT ;將A口地址送到DXRM:PUSH CX ;保護設置的圈數MOV AL,03H ;線圈AB通電OUT DX,ALCALL DELAY ;延時MOV AL,06H ;線圈BC通電OUT DX,ALCALL DELAY ;延時MOV AL,05H ;線圈CA通電OUT DX,ALCALL DELAY ;延時POP CX ;彈出原來設置的正轉圈數并減1循環LOOP RMMOV CX,C8H ; 反轉圈數為5LM:PUSH CX ;保護設置的反轉圈數MOV AL,03H ;線圈AB通電OUT DX,ALCALL DELAY ;延時MOV AL,

13、05H ;線圈CA通電OUT DX,ALCALL DELAY ;延時MOV AL,06H ;線圈BC通電OUT DX,ALCALL DELAY ;延時POP CX ;彈出原來設置的反轉圈數并減1循環LOOP LMJMP ZHUDELAY:MOV CX,03FFH ;設置延時DELA:LOOP DELARETCODE ENDSEND START圖4. 1步進電機接口電路原理圖四、流程圖：8255初始化：方式0，A口輸出A口輸出：03H延時CX=120A口輸出:06H延時延時A口輸出:05HCX減1CX是否為0？否是CX=60五、調試步驟及問題解決 使用匯編語言調試器DEBUG進行調試，DEBUG

14、程序是專門為匯編語言設計的一種調試工具。它能給DOS提供有力的糾錯、跟蹤和運行功能，并能檢查系統的各個數據。該工具可以通過單步、設置斷點等方法微程序設計者提供一種有效的調試手段。 本程序在調試過程中，遇到了一些問題。開始運行時顯示不能生成obj文件，根據最下方的提示框找到有一個地方字符輸入有誤，還有一個地方是由于寫注釋時用的中文，前面的分號輸入時忘了切換輸入法，導致出錯。修改后解決了。再次運行程序時程序可以運行六、收獲和體會實驗收獲：試驗調試前一定要做好充分的準備，這里面就包括對匯編語言的熟練運用，能夠編寫出符合試驗要求的程序，還要預先在相關的軟件上（例如：EMU）進行程序的調試，找出并解決問

15、題。調試之前，最好是先對整個系統的硬件和軟件進行檢查，如果是器件問題，那就麻煩了，應該立即更換器材。其實我們小組第一次就是由于器件的問題浪費了很長時間。我們所用的軟件和預先調試的軟件不同且對源程序的要求不同，則要對程序進行相應的修改以得到正確的結果。其實我們在此次調試的過程中就得先對程序進行修改，但這個過程并不困難。體會：步進電機是機電一體化產品中的關鍵組件之一,是一種性能良好的數字化執行元件。隨著計算機應用技術、電子技術和自動控制技術在國民經濟各個領域中的普及與深入,步進電機的需要量越來越大。有資料說明,世界上步進電機的年產量以10%以上的速度增長。國內對步進電機的需求同樣也與日俱增。實際工

16、作中,很多工程技術人員和技術工人都希望比較全面地了解步進電機及其控制技術。本次課題設計給了我們一個將課堂上所學的理論應用于實踐的機會。真正做到了理論與實踐相結合，用理論來指導實踐，同時在實踐的過程中也使我對自己在課堂上所學的相關理論知識得到了鞏固和提高。從程序的設計到運行調試整個過程雖然有點復雜，但卻真正有收獲，有提高。因此覺得這樣的課題設計是很有必要的。在設計程序的過程中讓我體會到了理論知識學習的重要性，只有把理論知識學好學精才能在設計的過程中得心應手。也只有把理論知識掌握牢固了，在調試過程中出現了問題才能利用所學理論知識更快地分析出出現問題的原因，提高排查和解決問題的效率。在編寫程序的過程中用到了一些以前沒有學過的語句，如BIOS的一些功能調用。但是通過到圖書館借書和上網找資料學習最終弄清楚了，使自己的理論知識得到了拓展。程序編寫和調試過程是一個非常考驗人耐心和技巧的過程，只有沉著冷靜，全心投入并且應用適當的技巧才能少出錯，比如可以將程序編寫和調試同時進行