步进电机综合实验

微机原理综合性实验报告题目：步进电机控制实验学院：班级：学号：姓名：指导教师：日期：2008年5月26日步进电机控制系统设计一、实验设计的目的与要求通过步进电机控制系统实验设计，用8255扩展端口控制步进电机，编写程序输出脉冲序列到8255的PA口，控制步进电机正传，反转，加速，减速。进一步掌握微机原理与接口的理论和实际方法。培养和锻炼开发控制系统的能力。为今后单片机的学习与应用开发打下良好的基础。要求了解步进电机控制的基本原理，掌握控制步进电机的转动的编程方法，进一步了解单片机控制外部设备的常用电路。二、步进电机原理1.步进电机的工作原理该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。图1四相步进电机步进示意图微机原理与接口综合实验实验设计1开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示：a.单四拍b.双四拍c八拍2.步进电机的驱动原理步进电动机是一种数字元件，易于数字电路接口，但一般数字电路的信号的能量远远不足以驱动步进电动机。因此，必须有一个与之匹配的驱动电路来驱动步进电动机。对步进电动机驱动一般有如下要求：(1)能够提供较快的电流上升和下降速度，使电流波形尽量接近矩形。(2)具有供截止期间释放电流流通的回路，以降低绕组两端的反电动势，加快电流衰减。(3)具有较高的功率及效率。步进电动机的驱动方式很多，如单极性驱动、双极性驱动、高低压驱动、斩波驱动、细分驱动、集成电路驱动等。三、步进电机的控制1.ULN2003由于集成电路集驱动和保护于一体，作为小功率步进电动机的专用驱动芯片，ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成。该电路的特点如下：ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTLCMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。I44I55I66GNDGNDI33Q1AQ3BQ512Q710I11I22I77VCC9Q4DQ2CQ611ULN2003....图2.步进电机工作时序波形图微机原理与接口综合实验实验设计2ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。ULN2003A在各种控制电路中常用它作为驱动继电器的芯片，其芯片内部做了一个消线圈反电动势的二极管。ULN2003的输出端允许通过IC电流200mA，饱和压降VCE约1V左右，耐压BVCEO约为36V。输出电流大，故可以用来直接驱动步进电机。项目符号数值单位最大输入电压Vi(max)30V集电极-发射极电压Vo(max)50V最大基极输入电流IB(MAX)25mA输出电流Io500mA贮存温度Ts-65～150℃结温Tj175℃引线耐焊接温度TD300℃2、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。改变延时时间的长微机原理与接口综合实验实验设计3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。用软件形成环形脉冲的程序流程图3、正反转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。通过改变各相脉冲的先后顺序，就可以改变电机的旋转方向.4、转速控制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。微机原理与接口综合实验实验设计4五、硬件连接图微机原理与接口综合实验实验设计6六、程序设计1、程序流程图开始8255初始化设初始延时值输出一拍脉冲(A)延时输出下一个脉冲(B)延时输出下个脉冲(C)输出下一个脉冲(D)延时延时值减小是否提速是否最快否是微机原理与接口综合实验实验设计72、程序代码：;**************************************************************************************;本程序能实现步进电机的正反转与加速,具体过程如下:;正转加速一段时间，然后停止5秒，然后反向加速一段时间，然后再正转，如此循环往复.;能实现正-停-反,也能实现正-反-停.;**************************************************************************************MODEEQU080H;8255方式控制字CTLEQU8000H;8255端口A地址CONTRLEQU8003H;8255控制寄存器地址AEQU01HBEQU02HCEQU04HDEQU08HQSEQU300;步进电机转过的圈数DATASEGMENTDLY_CDW0;DLY_C用以控制延时的长短以实现步进电机的加速SOURCEDBA,A+B,B,B+C,C,C+D,D,D+A;步序表,使电机的工作方式为单/双8拍DATAENDSCODESEGMENTASSUMECS:CODE,DS:DATASTART:MOVAX,DATA;初始化数据段MOVDS,AX;**************************************************************************************;初始化8255,使8255的A口输出.;**************************************************************************************MOVDX,CONTRL;8255的控制寄存器地址送DXMOVAL,MODE;8255的A口输出,故初始化控制字为80HOUTDX,AL;将控制字从8255输出以配置8255的工作方式MOVDX,CTL;将A口地址送DXMOVAL,0;将0送ALOUTDX,AL;8255的端口写0以实现初始化MOVDLY_C,300H;延时初始值MOVCX,QS;将步进电机的圈数300送CX微机原理与接口综合实验实验设计8;**************************************************************************************;以下程序段实现的功能是让电机正向加速,速度达到最大值后匀速转动.;**************************************************************************************ZZ:MOVBX,0;将0送BX,让电机的初始步为ANEXT1:MOVDX,CTL;将8255的A口地址送DXMOVAL,SOURCE[BX];将电机的步序送ALOUTDX,AL;将步序表中的第一个步序通过A口输出CALLDELAY;调用延时子程序,用来控制电机转速INCBX;BX加1,为取下一个步序做准备CMPBX,7JBENEXT1;判断电机是否已经走完8拍PUSHCX;保存CX的值,因为下面还要用到CXMOVCX,DLY_C;将DLY_C的值送CXDECCX;CX(即DLY_C)减1以实现加速CMPCX,100H;CX与100H比较,判断电机转速是否已经达到最大值JNENN1;若电机转速尚未达到最大值,则转向NN1INCCX;若电机转速已经达到最大值,则CX加1以实现电机匀速转动NN1:MOVDLY_C,CX;将CX的值送DLY_C以实现在一个循环POPCX;恢复CXLOOPZZ;CX减1,让电机转下一圈;**************************************************************************************;以下代码段调用5次延时子程序以实现延时5秒.正式调试时时间稍大于5秒，;可见用软件延时不能实现精确延时.;**************************************************************************************TZ:MOVDX,CTL;将8255的A口地址送DXMOVAL,0;将0送ALOUTDX,AL;将0从A口输出,使电机静止不转CALLDELAY1S;调用5次延时1秒子程序,总共延时5秒CALLDELAY1SCALLDELAY1SCALLDELAY1SCALLDELAY1S;**************************************************************************************;反转加速一段时间，过程与正向加速类似,速度达到最大值后匀速转动.;**************************************************************************************MOVDLY_C,300H;延时初始值MOVCX,QS;将步进电机的圈数送CX,使电机反转300圈FZ:MOVBX,7;将7送BX使电机反转的初始相序为D+ANEXT2:MOVDX,CTL;将8255的A口地址送DXMOVAL,SOURCE[BX];将电机的步序送ALOUTDX,AL;将步序表中的第八个步序通过A口输出,以控制电机反转微机原理与接口综合实验实验设计9CALLDELAY;调用延时子程序,用来控制电机转速DECBX;BX减1,为取下一个步序做准备CMPBX,0JGENEXT2;判断电机是否已经反向走完8拍PUSHCX;保存CX的值,因为下面还要用到CXMOVCX,DLY_C;将DLY_C的值送CXDECCX;CX(即DLY_C)减1以实现加速CMPCX,100H;CX与100H比较,判断电机转速是否已经达到最大值JNENN2;若电机转速尚未达到最大值,则转向NN1INCCX;若电机转速已经达到最大值,则CX加1以实现电机匀速转动NN2:MOVDLY_C,CX;将CX的值送DLY_C以实现在一个循环POPCX;恢复CXLOOPFZ;CX减1,让电机转下一圈JMPSTART;无条件转到START处以实现下一个循环;*************************