步进电机设计实验开题报告 - 图文

步进电机控制电路设计

论文题目 步进电机控制电路的设计

步进电机控制电路设计

自动化专业微机原理课程设计开题报告

指导教师 设计内容分析论证（可加附页） 此次我们所设计的是一个步进电机控制系统，主要由8086CPU，并行输入/输出接口8255A，4相步进电机，7段数码管，及一些其他相关元件设计而成。可以通过开关来控制系统的启/停工作，当系统运转时，用开关来控制方向，使同样由开关来选择工作模式，这次设计使用键盘来输入运转步数。运转时，用4位7段数码管来输出剩余步数。最后根据思路所设计出来的硬件图设计相适应的软件，详细的设计方案见附录。 系统总体设计思路：本次设计采用8086作为控制的核心元件，利用8255的C口控制步进电机，同时获取控制转动方向（即正转和反转），A口连接键盘，以选取不同档的移动速度，B口连接LED显示器，以显示当前的速度档，8253作为定时器，提供必要的时钟和延时信号。 系统对8255的A口进行查询，确定用户设置的速度档，并通过8255的B口显示速度档。延迟时间通过8255的C口的第四位循环送节拍信号来驱动步进电机工作。循环送节拍信号的方向有C口高四位中的第5位确定，此第5位在硬件上与控制转动方向开关相连。 设计条件要求设计进程安排要求：键盘控制步进电机的正反转、调节转速，连续转动或转动指定步数；并能将相应的数据用四位数码管显示。 目标：能基本实现步进电机的前进和后退，能调节电机的速度，我们从中能掌握自己课本中的所学，可以把自己学到的知识很到的运用的实验中，培养我们的实践能力。 文献资料准备附录：设计方案 一、总体方案

本次设计采用8086作为控制的核心元件，利用8255的C口控制步进电机，同时获取控制转动方向（即正转和反转），A口连接键盘，以选取不同档的移动

三人任务分配： 第一周设计任务：（1）明确课题对程序功能，运算精度等方面的要求及硬件条件； （2）把复杂问题分解为若干模块，确定各模块处理方法，画出流程图； 第二周设计任务：（3）编制程序，根据流程图精心选择合适的指令和寻址方式来编制源程序； （4）对程序进行汇编，调试和修改，直到程序运行结果正确为止； （5）实验报告的整合与撰写。 【1】彭虎，周佩玲，傅忠谦.微机原理与接口技术.北京：电子工业出版社,2008 【2】张齐，朱宁西.单片机应用系统设计技术——基于C51的Proteus仿真.北京：电子工业出版社,2009 【3】周荷琴，吴秀清.微型计算机原理与节后技术.合肥：中国科技大学出版社,2008 【4】彭虎，周佩玲，傅忠谦.微机原理与接口技术学习指导.北京：电子工业出版社,2008 开题批注 速度，B口连接LED显示器，以显示当前的速度档，8253作为定时器，提供必要的时钟信号。

系统对8255的A口进行查询，确定用户设置的速度档，并通过8255的B口显示速度档。延迟时间通过8255的C口的第四位循环送节拍信号来驱动步进电机工作。循环送节拍信号的方向有C口高四位中的第5位确定，此第5位在硬件上与控制转动方向开关相连。

整个控制系统主要由四部分组成，各部分主要功能介绍如下： (1) 键盘控制电路部分

本设计主要是利用键盘键控制步进电机的速度，以数字设定步进电机的速度，使步进电机能做相应运动。

(2) 显示电路控制部分

在此次设计里，显示器件采用了8段LED显示器。通过它来显示步进电机要运行的步数。

(3) 步进电机的励磁控制

步进电动机的励磁方式可以分为全步励磁及半步励磁。适当控制步进电机A、B、C、D的励磁信号，即可控制步进电机的转动。每输出一个脉冲信号，步进电动机只走一步。因此，依序不断地送出脉冲信号，即可令步进电动机连续转动。在本设计中，通过设置8253的定时器的初始值来实现端口输出相应的相序脉冲，从而实现对步进电机的控制。 (4) 步进电机的驱动电路

在本设计中，使用单极性驱动电路来实现对步进电机的驱动。本设计采用软硬件结合的办法实现延时，具体思路：8253通道0的输出与8255的C口的第4位即PC4相连，程序通过对8253通道0的编程使通道0输出一定宽度的脉冲，这个宽度就是对步进电机输出的两次节拍之间的间隔。程序对PC4进行循环检测，当发现8253通道0输出的脉冲发生跳变时，结束检测，这时循环检测的时间就是所需要的延迟时间。

最后，此步进电机控制系统实现了以下功能：

(1) 键盘功能键实现对步进电机运行方式的控制，数字键实现对电机参数的设置。

(2) 显示器能够显示电机运行的步数。

(3) 通过键盘输入预定步数，实现对步进电机带动负载进行预定工作的控制。

二、硬件方案

1、步进电机的基本介绍

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的电磁机械装置，是一种输出与输入数字脉冲对应的增量驱动元件，具有快速启动和停止的能力。当负荷不超过步进电机所提供的动态转矩值时，它就可能在一瞬间实现启动和停止。它的步矩角和转速不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件（如温度、气压、冲击和振动等）的影响，仅与脉冲频率有关。

步进电动机的角位移或线位移与脉冲数成正比，其转速n或线速度v与脉冲频率f成正比。在负载能力范围内，这些关系不因电源电压、负载大小以及环境条件的波动而变化。因而适用于在开环系统中作执行元件，使控制系统大为简化。步进电动机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速；能够快速起动、反转、和制动。它能直接将数字脉冲信号转换为角位移，很适合采用微型计算机控制。

步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机或则CPU产生。其基本原理作用如下：

(1)控制换相顺序通电换相这一过程称为脉冲分配。

例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C-D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A，B，C，D相的通断。

(2)控制步进电机的转向

如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。

(3)控制步进电机的速度

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，有以下2种方法：1)采用软件延时，即调用软件延时子程序使CPU 空运转，不进行任何操作，但需占用CPU的时间，效率较低；2）采用硬件定时器，通过设定时间常数装入定时器接口芯片进行定时，到达相应时间则进入中断子程序，不需占用CPU时间，效率较高。

2、主要性能指标

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用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，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。

步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度/（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。

定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）

静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。

2、步进电机的函数计算

主动轮直径为0.5m,步距角为0.9度，则步进的弧长是半径乘步距角之积，即?l?0.5*0.5m*0.9??/180?0.04m

如果移动的速度为V，则节拍频率为：

f?v/?l

采用8253通道0进行定时，其时钟输入端是fclko?2MHZ时，其计数初始值N可由下式确定：N?fclko f这样我们就可以得出速度档、速度、节拍频率f和计数初值N之间的数值对应关系,如表1所示：

表1 速度档等参数和计数初始值N之间的关系 速度档 1 2 3 4 5 6 7 8 速度（m/s） 0.1 0.2 0.5 0.8 1 1.2 1.5 2 f（HZ） 25 50 125 200 250 300 375 500 N 80 40 16 10 8 7 5 4 步数N，即8253计数器设置的初值，控制步进电机的定位精度。 3、步进电机的工作原理流程图

步进电机实际上是一个数字\\角度转换器，也是一个串行的数\\模转换器。步进电机的基本控制包括启停控制、转向控制、速度控制、换向控制4 个方面。从结构上看 ,步进电机分为三相、四相、五相等类型 ,常用的则以三相为主。本次课程设计我们选用四相步进电机进行系统设计。步进电机控制工作原理系统流程图如图1：

CPU 接口 驱动器 步进电机 负载 图1 步进电机控制工作原理系统流程图

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