步进电机控制系统设计.docx
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步进电机控制系统设计
步进电机控制系统设计
摘 要
步进电机是一种用电脉冲进行控制,将电脉冲信号转换成相位移的电机,其机械位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比,每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度.脉冲的数量决定了旋转的总角度,脉冲的频率决定了电机运转的速度.当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
课程设计采用TDN-AC/ACS计算机控制技术实验箱中的35BYJ46型四相八拍步进电机为对象,设计以8088为核心的步进电机控制系统。
关键词:
步进电机控制系统;调速。
Design For StepperMotorControlSystem
Abstract
Step-by-stepstheelectricalmachineryisonekinduseselectricitythepulsetocarryonthecontrol,transformstheelectricitypulsesignalthephasedisplacementtheelectricalmachinery,itsmechanicaldisplacementandtherotationalspeedseparatelyareproportionalwiththeinputelectricalmachinerywindingpulseintegerandthepulsefrequency,eachpulsesignalmaycausetostep-by-steptheelectricalmachinerytorevolveafixedangle.Pulsequantityhaddecidedtherevolvingtotalangle,thepulsefrequencyhasdecidedtheelectricalmachineryrevolutionspeed.Whenstep-by-stepsthedrivertoreceivetoapulsesignal,itstep-by-stepstheelectricalmachineryontheactuation(tobecalled“stepaccordingtoahypothesisdirectionalrotationfixedangleelongation”),itsrevolvingismovesgraduallybythefixedangle.Maycontroltheangulardisplacementthroughthecontrolpulseinteger,thusachievestheaccuratelocalizationthegoal;Simultaneouslymaycontrolthespeedandtheaccelerationthroughthecontrolpulsefrequencywhichtheelectricalmachineryrotates,thusachievesthevelocitymodulationthegoal.
ThecurriculumdesignsusesTDN-AC/ACSinthecomputercontroltechnologyexperimentboxthe35BYJ46four-phaseeightracketstostep-by-steptheelectricalmachineryisanobject,designsstep-by-stepstheelectricalmachinerycontrolsystemtake8088asthecore.
KeyWords:
DesignForStepperMotorControlSystem;
Adjustablespeed
第1章.课程设计主旨
1.1 课程设计内容:
采用TDN-AC/ACS计算机控制技术实验箱中的35BYJ46型四相八拍步进电机为对象,设计以8088为核心的步进电机控制系统。
1.2 课程设计要求:
提高综合运用于解决实际问题的能力,利用8255A并行接口进行微机和外设的通信,加深对8255A并行接口的理解和应用能力,更熟练的掌握汇编语言基本指令合常用语句的应用,体会从实际问题抽象出模型,并利用模型解决实际为题的能力,以此为契机积累实践经验和实际动手解决问题的能力。
本实验要求再熟悉汇编语言基本指令和8255A工作原理的基础上,利用汇编程序输出符合条件的脉冲信号,经外电路放大后可以驱动步进电机转动,最终达到步进电机调速控制的目的。
通过本次试验了解步进电机及其他类型电动机的基本工作原理,以及基本参数合常用符号的意义,为以后的工作学习打下良好的基础。
1、硬件的设计和实现
1)以8088CPU为基础设计计算机控制系统硬件电路,包括支持计算机工作的外围电路(EPROM、RAM、键盘、显示、通信端口等)。
2)设计步进电机驱动电路。
设计以8255为接口芯片的步进电机控制电路。
总结步进电机的控制模型。
3)以试验箱上的运算放大器模块为基础构建对象模型。
2、软件设计和实现
1)画出系统程序框图;
2)分配系统资源,编写系统初始化和主程序模块;
3)编写步进电机控制程序,要求能够实现变速运转以及正反向运转;
4)编写输出控制程序模块。
第2章.步进电机原理及控制
2.1 步进电机控制原理
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,电机则转过一个步进角。
这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点,使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
步进电机的两个重要参数是相数和拍数。
相数:
产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。
常用m表示。
拍数:
完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态,或指电机转过一个齿距角所需脉冲数,用n表示。
以四相电机为例,有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。
电机正反转控制:
当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA或A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A时为正转,通电时序为DA-CD-BC-AB或DA-D-CD-C-BC-B-AB-A-DA时为反转。
使用、控制步进电机必须由环形脉冲,功率放大等组成的控制系统,其方框图如下:
脉冲信号的产生:
脉冲信号一般由单片机或CPU产生,一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右,电机转速越高,占空比则越大。
信号分配:
四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB,步距角为0.9度。
2.2 步进电机的主要特性
1、步进电机必须加驱动才可以运转,驱动信号必须为脉冲信号,没有脉冲的时候,步进电机静止,如果加入适当的脉冲信号,就会以一定的角度(称为步角)转动。
转动的速度和脉冲的频率成正比。
2、步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。
3、改变脉冲的顺序,可以方便的改变转动的方向。
2.3 步进电机的驱动
步进电机的驱动一般有两种方法,一种是通过CPU直接来驱动,这种方法一般不宜采用,因为CPU的输出电流脉冲是特别小的它不能足以让步进电机的转动;别一种是通过CPU来间接驱动,就是把从CPU输出的信号进行放大,然后直接驱动或是再通过光电隔离间接来驱动步进电机,这种方法比较安全可靠。
固本次设计应采用CPU间接驱动步进电机。
原理图如下:
功率放大:
功率放大是驱动系统最为重要的部分。
步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流(而样本上的电流均为静态电流)。
平均电流越大电机力矩越大,要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。
因而不同的场合采取不同的的驱动方式,到目前为止,驱动方式一般有以下几种:
恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。
2.4 步进电机正反转控制
本实验使用35BYJ46型四项八拍电机,电压为DC12V,其励磁线圈及励磁顺序如下所示:
1
2
3
4
5
6
7
8
5
+
+
+
+
+
+
+
+
4
-
-
3
-
-
-
2
-
-
-
1
-
-
-
8255A口输出电平在各步中的情况如下:
步进电机在正转的情况如下:
步序
PB13
PB12
PB11
PB10
对应B口输出值
1
0
0
0
1
01H
2
0
0
1
1
03H
3
0
0
1
0
02H
4
0
1
1
0
06H
5
0
1
0
0
04H
6
1
1
0
0
0CH
7
1
0
0
0
08H
8
1
0
0
1
09H
步进电机在反转的情况如下:
步序
PB13
PB12
PB11
PB10
对应B口输出值
1
1
0
0
1
09H
2
1
0
0
0
08H
3
1
1
0
0
0CH
4
0
1
0
0
04H
5
0
1
1
0
06H
6
0
0
1
0
02H
7
0
0
1
1
03H
8
0
0
0
1
01H
第3章课程设计硬件介绍
3.1 TDN-AC/ACS系统简介
TDN-AC/ACS系统由如下个单元电路构成
信号源发生单元电路:
U1SG&U15SIN
采样保持器及单稳单元电路:
U2SH
运算模拟单元电路:
U3~U8
非线性用单元电路:
U9NC
数/模转换单元电路:
U10DAC
模/数转换单元电路:
U12ADC
状态指示灯单元:
U11D
单节拍脉冲发生单元:
U13SP
电位器单元:
U14P
-5V电源发生单元:
U16A
信号测量单元:
U19SC
驱动单元:
U17DRIVER
电机单元:
U18MOTOR
高效开关电源:
8088CPU板和PC机进行通讯的串口
实验所用单元:
驱动单元:
U17DRIVER
电机单元:
U18MOTOR
3.2 8088CPU简介
8088是一个Intel以8086为基础的微处理器,拥有16位元暂存器和8位元外部资料总线。
8088CPU内部用两个独立的功能部件组成,分别为BIU和EU。
BIU(BusInterfaceUnit)由段寄存器、IP、指令队列、地址加法器和控制逻辑组成。
BIU的功能是负责从内存中取指令送入指令队列,实现CPU与存储器、I/O接口之间的数据传送。
EU(ExecutionUnit)EU由通用寄存器、F寄存器、ALU和EU控制部件组成。
EU的功能是分析指令和执行指令。
3.3 8255简介
8255作为主机与外设的连接芯片,必须提供与主机相连的3个总线接口,即数据线、地址线、控制线接口。
同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。
由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分,因而8255内部结构分为3个部分:
与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。
3.4驱动
ULN2803A:
采用AP=DIP16,AFW=SOL16封装方式。
适于6至15伏高电平CMOS或PMOS驱动。
第4章.设计思路
首先通过汇编程序使8086向8255A输出控制信号,对8255A的工作方式进行设置,再控制8255A有序而不断的向步进电机驱动放大电路发送脉冲信号,此脉冲信号经放大后便可以带动步进电机正常转动。
每发送一个脉冲信号周期,步进电机就转动一次,通过8086连续不断的发送,这样电机就可以保持不停的转动。
而且,改变步进电机步进每步之间的延时时间就可以达到调速的目的。
第5章.原理图及接线图
5.1 接线原理图
5.2 课程设计接线图:
第6章.程序流程图
第7章.课程设计的验证内容
7.1电路原理图(见附录A)
7.2 软件编程
STACK SEGMENTSTACK
DW256DUP(?
)
STACK ENDS
DATA SEGMENT
TABLE DB01H,03H,02H,06H,04H,0CH,08H,09H ;Stepofmotor
DB01H,03H,02H,06H,04H,0CH,08H,09H
DB01H,03H,02H,06H,04H,0CH,08H,09H
DB01H,03H,02H,06H,04H,0CH,08H,09H
TABLE1 DB09H,08H,0CH,04H,06H,02H,03H,01H
DB09H,08H,0CH,04H,06H,02H,03H,01H
DB09H,08H,0CH,04H,06H,02H,03H,01H
DB09H,08H,0CH,04H,06H,02H,03H,01H
DATA ENDS
CODE SEGMENT
ASSUME CS:
CODE,DS:
DATA
START:
MOV AX,DATA
MOV DS,AX
MAIN:
MOV AL,80H ;8255控制字
OUT 63H,AL
MOV DX,0030H ;延时每次增加30
M:
MOV CX,16
M1:
MOV BX,OFFSETTABLE
MOV CX,0020H ;步数
M2:
PUSH CX
MOV AL,[BX] ;8255out
OUT 61H,AL
CALL DALLY ;延时
INC BX
LOOP M2
POP CX
MOV CX,16
M3:
MOV DI,OFFSETTABLE1 ;DI指向TABLE1首地址
MOV CX,0020H ;步进电机步数
M4:
PUSH CX
MOV AL,[DI]
OUT 61H,AL
CALL DALLY ;延时
INC DI ;DI指向下一地址
LOOP M4 ;循环进步
POP CX
JMP M
DALLY:
PUSH CX ;延时程序
ADD DX,0500H
MOV CX,DX ;CX每次增加30,达到变延时,即变速
A3:
PUSH AX
POP AX
LOOP A3
POP CX
RET
CODE ENDS
END START
7.3实验验证:
经过7月5日在实验室中的软硬件配合实现了课程设计要求中内容,即正反转和自动调速。
第8章.课程设计心得:
通过这次课程设计再一次实践了软件和硬件的应用,对汇编语言常用指令和语句有了更为深入的理解,对汇编语言的应用有了更深的体会。
对8255A的实际使用方法有了较为熟练的掌握,对其结构和工作原理理解的更为透彻。
重要的是通过本次综合实验很大的提高了实际动手解决问题的能力,学会了现实当中如何运用所学知识解决遇到问题的方法,积累了实践经验,为以后的实际学习研究打下了良好的基础。
第9章.参考文献:
《计算机控制技术实验指导书》
《计算机控制技术》
《微机原理接口技术》
- 配套讲稿:
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- 步进 电机 控制系统 设计