微机课设【武大电气】

(步进电机控制)

学院：电气工程学院

一、课题内容和提示：

编程提示：

（1）步进电机驱动原理是通过对每相线圈中的电流的顺序切换来使电机做步进式旋转。调节输入脉冲的频率可改变步进电机的转速。

（2）编写程序使步进电机按正转10圈，反转5圈，再正转10圈，再反转5圈的规律旋转。

（3）调整延时参数，使步进电机的转动速度为每秒5转。

报告要求：

每秒5转对应的延时参数是多少？，这个数字与微机的速度有什么关系？为什么？

二、设计思路：

（1）前言：

步进电机具有控制简便、定位准确等特点。随着科学技术的发展,在许多领域将得到广泛的应用。鉴于传统的脉冲系统移植性不好,本文提出微机控制系统代替脉冲发生器和脉冲分配器,用软件的方法产生控制脉冲,通过软件编程可以任意设定步进电机的转速、旋转角度、转动次数和控制步进电机的运行状态。以简化控制电路,降低生产成本,提高系统的运行效率和灵活性。在此基础上提出了双三拍步进电机程序控制的硬件接口电路、程序流程图和汇编程序。步进电机是自动控制系统中常用的执行部件。步进电机的输入信号为脉冲电流,它能将输入的脉冲信号转换为阶跃型的角位移或直线位移,因而步进电机可看作是一个串行的数/模转换器。由于步进电机能够直接接受数字信号,而不需数/模转换,所以使用微机控制步进电机显得非常方便。

（2）步进电机优点:

(1)通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制;

(2)位置误差不会积累;

(3)与数组设备兼容,能够直接接收数字信号;

(4)可以快速启停。

（3）步进电机工作原理：

以磁阻式步进电机为例,介绍一下步进电机的工作原理,下图是磁阻式步进电机工作原理的示意图。它的定子上有六个极,转子有四个极。定子磁极上绕有三组绕组,每组绕组由相互串联的两个线圈构成。一组绕组叫做一相。因此,下图所示的电机为三相步进电机。直流电源通过开关I、Ⅱ和Ⅲ,驱动电流流过绕在定子上的绕组。状态(1) ,开关I闭合,A相通电。由于A相绕组受到激磁,空气隙里出现如箭头所示的磁场。A相上的两个定子磁极和两个转子齿对准,转子处于平衡状态。若再闭合开关R激励B相,如状态(2)所示, B相的定子磁极以同样的方式产生磁场。在磁力线的张力作用下,产生逆时针方向的转矩。于是,转子沿逆时针方向转过一个固定的角度,到达状态(3)。图中,转过的角度为15°。如果现在打开开关I,去掉A相的激磁,转子将再转15°,到达状态(4)。因此,转子的角位置可以用这种开关方式进行控制。若开关以某种时序转换,则转子就能以步进运动的方式连续旋转;若进一步使时序转换的速度可调,则平均速度也能用这种开关方式进行控制。实际上,驱动步进电机的开关是晶体管,开关信号由数字集成电路或微机产生。通过前面的介绍可以看到,步进电机是一种把开关激励的变化变换成精确的转子位置增量运动的执行机构。

（4）步进电机工作方式：

4. 1　步进电机的传动方式

4. 1. 1　三相单三拍工作方式

在这种工作方式下,A、B、C三相轮流通电,电流切换三次,磁场旋转一周,转子向前转过一个齿距角。因此这种通电方式叫做三相单三拍工作方式。这时步距角θb (度)为θb = 360 /mz(°) 

式中:m──定子相数; z ──转子齿数

4. 1. 2　三相六拍工作方式

在这种工作方式下,首先A相通电,转子齿与A相定子齿对齐。第二拍,A相继续通电,同时接通B相,A、B各自建立的磁场形成一个合成磁场,这时转子齿既不对准A相也不对准B相,而是对准A、B两极轴线的角等分线,使转子齿相对于A相定子齿转过1 /6齿距,即1. 5°。第三拍,A相切断,仅B相保持接通。这时,由B相建立的磁场与单三拍时B相通电的情况一样。依次类推,绕组以A—AB—B—BC—C—CA—A时序(或反时序)转换6次,磁场旋转一周,转子前进一个齿距,每次切换均使转子转动1. 5°,故这种通电方式称为三相六柏工作方式。其步距角θb 为:θb = 360 /2mz = 180 /mz(°) 

4. 1. 3　双三拍工作方式

这种工作方式每次都是有两相导通,两相绕组处在电压之下,以AB─BC─CA─AB (或反之)方式通电,故称为双三拍工作方式。以这种方式通电,转子齿所处的位置相当于六拍控制方式中去掉单三拍后的三个位置。它的步距角计算公式与单三拍时的公式相同。由上述分析可知,要使磁阻式步进电机具有工作能力,最起码的条件是定子极分度角不能被齿距角整除,且应满足下列方程:

极分度角/齿距角= R + k·1m进一步化简得齿数z:z = q (mR + k) (2 - 3)式中:m──相数; q──每相的极数; k──≤ (m - 1)的正整数;R──正整数,为0、1、2、3⋯。按选定的相数和不同的极数,由上式就可推算出转子齿数。因为三相双三拍步进电机不易失步，控制精度比较高,所以本文对三相双三拍步进电机进行控制,定子有三对磁极，运行时两相同时通电,循环带动转子转动。

4. 2　硬件接口电路

传统的步进电机控制系统采用硬件进行控制,用一个脉冲发生器产生频率变化的脉冲信号,再经一个脉冲分配器把方向控制信号和脉冲信号转换成有一定逻辑关系的环形脉冲;经驱动电路放大后就可以来驱动步进电机了。在这种控制中,步进电机的脉冲由硬件电路产生,如果系统发生变化或使用不同类型的步进电机,需重新设计硬件电路,系统的可移植性不好。用微机控制系统代替脉冲发生器和脉冲分配器,就可以根据系统需要通过软件编程的方法任意设定步进电机的转速、旋转角度、转动次数和控制步进电机的运行状态。这样可简化控制电路,降低生产成本,提高系统的运行效率和灵活性。

4. 3　脉冲的形成

实现对步进电机的控制,微机应能输出有一定周期的控制脉冲。步骤是:先输出一个高电平,延时一段时间后,再输入一个低电平,然后再延时。改变延时时间的长短,即可改变脉冲的周期,脉冲的周期由步进电机的工作频率确定。

4. 4　旋转方向控制

步进电机的旋转方向和内部绕组的通电顺序及通电方式有密切关系[ 8～10 ]。对于三相双三拍工作方式:正相旋转:AB→BC→CA→AB，反相旋转:AB→CA→BC→AB

三相双三拍控制模型如下表所示：

(1)正转控制模型:                            

控制步进电机的运行速度,实际上是控制系统发出时钟脉冲的频率或换相的周期,即在升速过程中,使脉冲的输出频率逐渐增加;在减速过程中,使脉冲的输出频率逐渐减少。脉冲信号的频率可以用软件延时和硬件中断两种方法来确定。采用软件延时,一般是根据所需的时间常数来设计一个子程序,该程序包含一定的指令,设计者要对这些指令的执行时间进行严密的计算或者精确的测试,以便确定延时时间是否符合要求。每当延时子程序结束后,可以执行下面的操作,也可用输出指令输出一个信号作为定时输出。采用软件定时, CPU一直被占用,因此CPU利用率低。可编程的硬件定时器直接对系统时钟脉冲或某一固定频率的时钟脉冲进行计数,计数值则由编程决定。当计数到预定的脉冲数时,产生中断信号,得到所需的延时时间或定时间隔。由于计数的初始值由编程决定,因而在不改动硬件的情况下,只通过程序变化即可满足不同的定时和计数要求,因此使用很方便。

三、程序设计

正转控制模型03H、06H、05H存放在相应内存单元中；

反转控制模型03H、05H、06H存放在相应内存单元中；

主程序如下:

CODE SEGMENT

ASSUME CS:CODE

ICCONPT      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 ;定义起始地址

START:MOV AL,A4H ;写控制寄存器，定义各口均为0方式输出

MOV DX,IOCONPT

OUT DX,AL

ZHU:MOV CX,190H ; 正转圈数为10

MOV DX,IOAPT ;将A口地址送到DX

RM:PUSH CX ;保护设置的圈数

MOV AL,03H ;线圈AB通电

OUT DX,AL

CALL DELAY ;延时

MOV AL,06H ;线圈BC通电

OUT DX,AL

CALL DELAY ;延时

MOV AL,05H ;线圈CA通电

OUT DX,AL

CALL DELAY ;延时

POP CX ;弹出原来设置的正转圈数并减1循环

LOOP RM

MOV CX,C8H ; 反转圈数为5

LM:PUSH CX ;保护设置的反转圈数

MOV AL,03H ;线圈AB通电

OUT DX,AL

CALL DELAY ;延时

MOV AL,05H ;线圈CA通电

OUT DX,AL

CALL DELAY ;延时

MOV AL,06H ;线圈BC通电

OUT DX,AL

CALL DELAY ;延时

POP CX ;弹出原来设置的反转圈数并减1循环

LOOP LM

JMP ZHU

DELAY:MOV CX,03FFH ;设置延时

DELA:LOOP DELA

RET

CODE ENDS

END START

图4. 1　步进电机接口电路原理图

四、流程图：

8255初始化：方式0，A口输出

五、调试步骤及问题解决

     使用汇编语言调试器DEBUG进行调试，DEBUG程序是专门为汇编语言设计的一种调试工具。它能给DOS提供有力的纠错、跟踪和运行功能，并能检查系统的各个数据。该工具可以通过单步、设置断点等方法微程序设计者提供一种有效的调试手段。

     本程序在调试过程中，遇到了一些问题。开始运行时显示不能生成obj文件，根据最下方的提示框找到有一个地方字符输入有误，还有一个地方是由于写注释时用的中文，前面的分号输入时忘了切换输入法，导致出错。修改后解决了。再次运行程序时程序可以运行

六、收获和体会

实验收获：

试验调试前一定要做好充分的准备，这里面就包括对汇编语言的熟练运用，能够编写出符合试验要求的程序，还要预先在相关的软件上（例如：EMU）进行程序的调试，找出并解决问题。

调试之前，最好是先对整个系统的硬件和软件进行检查，如果是器件问题，那就麻烦了，应该立即更换器材。其实我们小组第一次就是由于器件的问题浪费了很长时间。

我们所用的软件和预先调试的软件不同且对源程序的要求不同，则要对程序进行相应的修改以得到正确的结果。其实我们在此次调试的过程中就得先对程序进行修改，但这个过程并不困难。

体会：

步进电机是机电一体化产品中的关键组件之一,是一种性能良好的数字化执行元件。随着计算机应用技术、电子技术和自动控制技术在国民经济各个领域中的普及与深入,步进电机的需要量越来越大。有资料说明,世界上步进电机的年产量以10%以上的速度增长。国内对步进电机的需求同样也与日俱增。实际工作中,很多工程技术人员和技术工人都希望比较全面地了解步进电机及其控制技术。

本次课题设计给了我们一个将课堂上所学的理论应用于实践的机会。真正做到了理论与实践相结合，用理论来指导实践，同时在实践的过程中也使我对自己在课堂上所学的相关理论知识得到了巩固和提高。从程序的设计到运行调试整个过程虽然有点复杂，但却真正有收获，有提高。因此觉得这样的课题设计是很有必要的。在设计程序的过程中让我体会到了理论知识学习的重要性，只有把理论知识学好学精才能在设计的过程中得心应手。也只有把理论知识掌握牢固了，在调试过程中出现了问题才能利用所学理论知识更快地分析出出现问题的原因，提高排查和解决问题的效率。在编写程序的过程中用到了一些以前没有学过的语句，如BIOS的一些功能调用。但是通过到图书馆借书和上网找资料学习最终弄清楚了，使自己的理论知识得到了拓展。程序编写和调试过程是一个非常考验人耐心和技巧的过程，只有沉着冷静，全心投入并且应用适当的技巧才能少出错，比如可以将程序编写和调试同时进行，先编写实现部分功能的程序，通过调试检查是否有错，这样可以缩小检查范围，避免了全部程序都写完了再调试不容易找到出错的地方的问题。

参考文献

[1]彭虎、周佩玲、傅忠谦.微机原理与接口技术（第2版）.北京：电子工业出版社，2008.3

[2]秦莲.汇编语言实用教程.北京：电子工业出版社，2010.8

[3]韩海.汇编语言程序设计.西安：西安电子科技大学出版社，2000.8

[4]邹逢新.微型计算机原理及其应用典型题解析与实战模拟.长沙：国防科技大学出版社，2001

[5]朱定华.微机原理、汇编与接口技术学习指导.北京：清华大学出版社，2004.7