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1、计算机科学与技术学院硬件课程设计报告姓 名： 学 号： 专 业： 班 级： 设计题目： 机床加工模拟系统 成 员： 指导教师： 职 称： 副教授 2008年 7月 课程设计指导教师评阅书指导教师评语：成 绩： 指导教师签字： 年 月 日目 录1 问题的提出 11.2 问题的描述.41.3小组分工12 需求分析12.1 仪器设备12.2 步进电机的基本概念12.3 步进电机的驱动原理22.4 设计方案23 电路设计及其主要功能53.1 初始方案的电路设计53.2 实际方案的电路设计64分析与测试94.1 电路分析94.2 测试分析105 设计小结101 问题的提出1.1问题提出步进电机是一般普通
2、电机的高级发展阶段，它综合体现了电机的机构学、运动与动力学、现代设计理论、电磁学、控制理论等诸多方面的研究和发展水平，是一个复杂的综合系统。那么对给定的步进电机，如何运用所学的硬件知识、电磁学理论及相关实验器材，来控制步进电机的转速、转向呢？根据所设计的步进电机控制系统的特点，它在实际生活中又有哪些方面的应用？问题描述：本课题主要环节是步进机的使用，所谓步进，就是一步一步地执行命令，这里可以通过8255发出几组脉冲方波信号，然后将这几组信号组合，如果有两组信号，就会有四种方式，若是三组，则有八种方式，把信号组合通过接口传送给步进机，不同的组合方式对应不同的操作指令，该指令包括步进机的转动角度以
3、及方向，而信号的密集程度则对应步进机的转速，执行时间则可以通过8253来控制。本课题的另外一个关键环节是实现软硬结合，就是编程实现对8255等芯片的控制，这需要熟悉汇编语言。1.3小组分工在本次硬件课程设计中，8255芯片和汇编程序控制部分由XXX同学负责；步进电机原理部分及过程模拟部分由XXX同学负责； 2 需求分析2.1 仪器设备微型计算机1台；通用微型计算机接口实验台1个（含有8255A芯片）；小功率四相四拍步进电机1只（附带接口等套件）；导线若干； 2.2 步进电机的基本概念步进电机是一种将电脉冲信号转变为角位移的开环控制元件。即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
4、方向转动一个固定的角度（即步进角）。我们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；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转速和加速度，从而达到调速的目的。步进电机分三种：永磁式（PM）,反应式（VR）和混合式（HB）。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度； 反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.7
5、2度。这种步进电机的应用最为广泛。步进电机相数是指产生不同对极N、S与磁场的激磁线圈对数。（常用M表示）步进电机拍数是指完成一个磁场周期性变化所需要的脉冲数。（常用N表示）步进电机的步进角是指对应每一个脉冲信号，电机转子转过的角位移。且 3600/Zr*n （其中Zr为转子齿数，n为运行拍数） 2.3 步进电机的驱动原理步进电机的驱动电路根据控制信号的工作，在实验设计中控制信号8255芯片产生。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，则步进电机反转。如果给步进电机发送一个控制脉冲，它就转动一步，再发送一个脉冲，它再转动一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快，通过用
6、程序对8255的脉冲进行延时，就可以对步进电机进行调速。反应式步进电机原理： 2.3.1、结构： 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3、2/3,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3，C与齿3向右错开2/3，A与齿5相对齐，（A就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图： 2.3.2、旋转： 如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3，此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移（-1
7、/3）=2/3。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3，此时齿4与A偏移为1/3对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3,向右旋转。如按A，C，B，A通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3改变
8、为1/6。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3变为1/12，1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。2.4 实验设计方案由于本次设计中实验室提供了四相四拍的小功率步进电机，采用四相四拍步进电机来完成最终的设计。本方案中使用的步进电机为四相四拍步进电机，即：1（BA）、2（BB）、3（BC）、4（BD）。步进电机的驱动方式为二相激励方式，各绕组通电顺序如表（2）：顺序 相 1（BA）2（BB）3（BC）4（BD）01100101102001131001表（2）表中首先向12绕组输入驱动电流，接着23，34，41，又返回到12，按这种顺序切换，电机即可按顺时针方向旋转。若绕组通电中的顺序为
9、14，34，23，12，则电机可按逆时针方向旋转。该四相四拍步进电机简图如图（2）：图（2）可通过对8255A芯片不同的延时来得到不同频率的输出脉冲，从而得到不同的步进旋转速度。并且我们可根据公式 3600/Zr*n 可计算出四相四拍步进电机在每收到一个脉冲的情况下，转动的步进角为1.80（当转子齿数为50时）。 得到四相四拍时的激磁波形图如图（3）： 图（3）3 电路设计及其主要功能3.2 实验方案的电路设计对于实验方案，我们采用类似的思路。即利用8255A芯片产生步进电机的励磁脉冲，开关K0K6控制步进电机的转速，K7控制步进电机的转向。8255A芯片的片选端CS接300H307H，输出端
10、PA0PA3接电机线圈接口A、B、C、D，输入端口PC0PC7接电平开关K0K7。具体功能： 当K0K6中任一开关为“1”（向上拔）时步进电机启动，全部都为“0”时停止。其中K0为“1”时电机速度最慢，K6为“1”时电机速度最快。当K7向上拔时步进电机正转，向下拔时电机反转。 具体电路图如图（5）：图（5）5 分析与测试5.1 电路分析本次课程设计我们采用的是四相四拍的步进电机来设计该步进电机控制系统。在步进电机控制系统电路连接之前，我们先编写一控制发光二极管亮灭的汇编小程序来测试芯片是否损坏及线路连接是否良好。当测试完毕后，进行实际的电路连接。8255A端口作为输出端，C端口作为输入端。82
11、55A芯片的片选端CS接300H307H，输出端PA0PA3接电机线圈接口A、B、C、D；输入端口PC0PC7接电平开关K0K7，步进电机接12V电源。5.3 测试分析以上理论设计通过实物连接、检测；整个汇编程序运行良好，步进电机控制系统按预定程序运行。表明上述设计具有很好的实际可行性，也体现了8255A其良好的编程性能和控制功能；该步进电机控制系统的汇编程序控制的关键在于8255A芯片如何进行励磁脉冲的输出；以及如何有效地进行软件延时；如何对励磁数据进行移位从而控制电机的转向。我想只要把这三个问题解决了，芯片编程工作就很好做了；在上述的汇编程序控制中这三方面的问题基本上得到了圆满的解决，所以
12、以上设计方案基本上是成功的。按照电路设计图把电路连接完毕后，先将汇编源程序存入D盘中，再将汇编源程序复制到FD88运行环境中。进行调试且运行无误后，则开始启动电机，并对其进行单步调试。刚开始时开关K0K7都拨为“0”，这时电机不转动，然后依次从K0K6单个拨动不同的开关则可使步进电机在不同的转速下转动。并且通过拨动开关K7即可调整转向；总的说来该步进电机控制系统的控制操作较为简单容易。6 实验体会步进电机控制系统在实际生活中有着广泛的用途。尤其是近几年来步进电机控制系统在数字控制装置中的应用日益广泛。步进电机不仅能够完成其他交流、直流电机所完成的功能，而且能够实现其他电机所不能实现的各种复杂的
13、控制功能，所以例如在数控机床中，将加工零件的图形、尺寸及工艺要求编制成一定符号的加工指令，输入计算机。计算机根据给定的数据和要求进行运算，而后发出电脉冲信号。计算机每发一个脉冲，步进电机便转过一定角度，由步进电机通过传动装置所带动的工作台或刀架就移动一个很小的距离（或转过一个很小的角度）。因此在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单，更易于达到自动加工零件的目的。此外，步进电机控制系统在机器人控制、航空航天等高科技领域更是发挥了它重要的作用。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此
14、用好步进电机涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。这次步进电机控制系统的设计让我学到了步进电机、 8255芯片和双机通讯实验箱的使用，更重要的是让我学会了程序出现问题时调试的办法，学习到了程序出问题后怎样去解决的基本方法。在做本次课程设计的过程中，我查阅大量的相关资料了。从网上找资料，是为了让自己的设计更加完善，更加符合实际标准，同时借鉴别人的优秀思路和方法，从中找到适合自己的方面结合实际情况，做出符合自己课程设计的思路。查阅大量的相关资料是十分必要的，同时也是必不可少的。我们是在作设计，要做的一切都要有据可依，有理可寻。此次实验中，通过同学们的合作，共同能够完成课程设计，使我们更加明白了团队合作的重要性，对我们以后的学习和工作有很大的帮助。
