华北科技学院计算机系综合性实验
实 验 报 告
课程名称 微机原理及应用 实验学期 2011 至 2012 学年 第 二 学期 学生所在系部 电子信息工程学院 年级 2009 专业班级 学生姓名 学号 任课教师
实验成绩
计算机系制
华北科技学院计算机系综合性实验报告
《 微机原理及应用》课程综合性实验报告
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步进控制实验报告
姓 名:曹健
学 号:200707201133 专业班级:B07072011 其他组员:林杉、卢维 指导老师: 章红
20xx年7月5日
目录
第一章 步进电机工作原理简介
1.1、步进电机工作原理简介
1.2、四相步进电机的工作原理简介
第二章 步进电机系统具体设计过程与实现
2.1系统设计
2.1.1步进电机运动规律及速度控制方法
2.1.2步进电机的速度特性
2.1.3 步进电机控制系统结构
2.1.4 步进电机起动及加/减速控制方案
2.1.5 步进电机的换向
2.1.6定时器初值的确定
2.1.7步进电机升降速数学模型
2.2完成方式
2.3实验过程
第三章 课程设计体会
第四章 参考资料
第一章 步进电机工作原理简介
1.1、步进电机工作原理简介:
步进电机是一种能将电脉冲信号转换成机械角位移或线位移的执行元件,它实际上是一种单相或多相同步电机。电脉冲信号通过环形脉冲分配器,励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列,轮流和直流电源接通后,就会在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场,使转子转过一定角度(称为步距角),在正常运行情况下,电机转过的总角度与输入的脉冲数成正比;电机的转速与输入脉冲频率保持严格的对应关系, 步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关;电机的运动方向由脉冲相序控制。 因为步进电机不需要A/D 转换,能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移,所以被认为是理想的数控执行元件。广泛应用于数控机床、打印绘图仪等数控设备中。
1.2、四相步进电机的工作原理简介:
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
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: 图2.步进电机工作时序波形图
第二章 步进电机系统具体设计过程与实现
2.1系统设计
2.1.1步进电机运动规律及速度控制方法
步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式,必须使用专用的步进电机驱动控制器。正是这个特点步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。如图3 所示,它一般有脉冲发生单元、脉冲分配单元、功率驱动单元保护和反馈单元组成。除功率驱动单元以外,其他部分越来越趋向用软件实现。
图3
2.1.2步进电机的速度特性
软件控制方法(并行控制)
步进电机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数。其角速度与脉冲频率成正比,而且在时间上与脉冲同步。因而在转子齿数和运行拍数一定的情况下,只要控制脉冲频率即可获得所需速度。由于步进电机是借助它的同步转矩而启动的,为了不发生失步,启动频率是不高的。特别是随着功率的增加,转子直径增大,惯量增大,启动频率和最高运行频率可能相差10倍之多。
为了充分发挥电机的快速性能,通常使电机在低于启动频率下启动,然后逐步增加脉冲频率直到所希望的速度,所选择的变化速率要保证电机不发生失步,并尽量缩短启动加速时
间。为了保证电机的定位精度,在停止以前必须使电机从最高速度逐步减小脉冲率降到能够停止的速度(等于或稍大于启动速度)。因此,步进电机拖动负载高速移动一定距离并精确定位时,一般来说都应包括“启动-加速-高速运行(匀速)-减速-停止”五个阶段,速度特性通常为梯形,如果移动的距离很短则为三角形速度特性,如图4所示。该实验系统中的脉冲分配器由软件实现的,由数据采集卡中的DO1~DO4作为并行驱动驱动,驱动四相反应式步进电机。如电机以四相八拍方式工作,正转时相状态是:A AB B BC C CD D DA A。
图4 步进电机的速度曲线
2.1.3 步进电机控制系统结构
PC机在适当的时刻通过对硬件控制电路上的8253计数器0赋初值,设置好加减速过程的频率变化(即速度、加速度变化),以防止失步。例如,在点位控制中设置好速度曲线图,在起动和升速时,使步进电机产生足够的转矩驱动负载,跟上规定的速度和加速度;在减速时,下降特性使负载不产生过冲,停止在规定的位置。硬件控制电路板上的8253产生脉冲方波作为中断信号源,启动细分驱动电路中的固化程序以产生一定频率的脉冲,经功率放大后驱动步进电机运动。步进电机运动方向的改变及启动和停止均由计算机控制硬件控制电路实现。
图5 步进电机控制系统
软件和硬件结合起来一起进行控制,具有电路简单、控制方便等优点。在这种控制中,微机软件占用的存储单元少,程序开发不受定时限制。只要外部中断允许,微机就能在电机的每一步之间自由地执行其他任务,以实现多台步进电机的运动控制。
2.1.4 步进电机起动及加/减速控制方案
步进电动机的最高起动频率(突跳频率)一般为0.1KHz到3-4KHz,而最高运行频率则可以达到N*102 KHz。以超过最高起动频率的频率直接起动,将出现"失步"现象,甚至无法起动。较为理想的起动曲线,应是按指数规律起动。但实际应用对起动段的处理可采用按直线拟合的方法,即"阶梯升速法"。可按两种情况处理,①已知突跳频率则按突跳频率分段
起动,分段数n=f/fq。②未知突跳频率,则按段拟合至给定的起动频率,每段频率的递增量(后称阶梯频率)△f=f/8,即采用8段拟合。在运行控制过程中,将起始的速度(频率)分为n分作为阶梯频率,采用"阶梯升速法"将速度连续升到所需要的速度,然后锁定,按预置的曲线运行。如图6所示:
图6 阶梯升速起动
用单片机实现步进电机的加/减速控制,实际上就是控制发脉冲的频率,升速时,使脉冲频率增高,减速时相反。如果使用定时中断来控制电机的速度,加减速控制就是不断改变定时器的初值。速度从V1→V2如果是线性增加,则按给定的斜率升/降速;如果是突变,则按"阶梯升速法"处理。在此过程中要处理好两个问题:
①速度转换时间应尽量短;为了缩短速度转换的时间,可以采用建立数据表的方法。,结合各曲线段的频率和各段间的阶梯频率便可以建立一个连续的数据表,并通过转换程序将其转换为定时初值表。通过在不同的阶段调用相应的定时初值,控制电机的运行。定时初值的计算是在定时中断外实现的,并不占用中断时间,保证电机的高速运行。
②保证控制速度的精确性;要从一个速度准确达到另外一个速度,就要建立一个校验机制,以防超过或未达到所需速度。
2.1.5 步进电机的换向问题
步进电机换向时,一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内再换向,以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束后以及下一个方向的第一个CP脉冲前发出。如图7所示。对于CP脉冲的设计主要要求其有一定的脉冲宽度(一般不小于5μs)、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。
图7
在某一高速下的正、反向切换实质包含了降速→换向→升速三个过程。
2.1.6定时器初值的确定
步进电机的实时控制运用PC机,脉冲方波的产生采用8253定时器,其计数器0工作于方式0以产生脉冲方波,计数器1工作于方式1起记数作用,8253计数器0的钟频由2MHz晶振提供。设计算机赋给8253计数器0的初值为D1,则产生的脉冲方波频率为f1=f0/D1,周期为T1=1/f1=D1/f0,D1=f0T1=f0/f1。其中,f1为启动频率,f0为晶振频率。单片机控制
步进电机时也可以运用类似方式。
2.1.7步进电机升降速数学模型
为使步进电机在运行中不出现失步现象,一般要求其最高运行频率应小于(或等于)步进响应频率fs。在该频率下,步进电机可以任意启动、停止或反转而不发生失步现象。 步进电机升降速有两种驱动方式,即三角形与梯形驱动方式(见图1),而三角形驱动方式是梯形驱动的特例,因而我们只要研究梯形方式。电机的加速和减速是通过计算机不断地修改定时器初值来实现的。在电机加速阶段,从启动瞬时开始,每产生一个脉冲,定时器初值减小某一定值,则相应的脉冲周期减小,即脉冲频率增加;在减速阶段,定时器初值不断增加,则相应的脉冲周期增大,脉冲频率减小,对应梯形脉冲频率特性的减速阶段。该设计的关键是确定脉冲定时tn,脉冲时间间隔即脉冲周期Tn和脉冲频率fn。假设从启动瞬时开始计算脉冲数,加速阶段的脉冲数为n,并设启动瞬时为计时起点,定时器初值为D1,定时器初值的减量为△。从加速阶段的物理过程可知,第一个脉冲周期,即启动时的脉冲周期T1=D1/f0,t1=0。由于定时器初值的修改,第2个脉冲周期T2=(D1-△)/f0=T1-△/f0,脉冲定时t2=T1,则第n个脉冲的周期为:Tn=T1-(n-1)△/f0 (1)
脉冲定时为:
(2)
脉冲频率为:1/fn=Tn=T1-(n-1)△/f0 (3)
上式分别显示了脉冲数n与脉冲频率fn和时间tn的关系。令△/f0=δ,即加速阶段相邻两脉冲周期的减量,则上述公式简化为:
tn=(n-1)T1-(n-2)(n-1)δ/2 (4)
1/fn=T1-(n-1)δ (5)
联立(4)、(5),并简化fn与tn的关系,得出加速阶段的数学模型为:
(6)
其中,是常数,其值与定时器初值及定时器变化量有关,A=-δ, B=(2T1+δ)2,C=8δ。 加速阶段脉冲频率的变化为:
(7)
从(6)、(7)式可以看出,在加速阶段,脉冲频率不断升高,且加速度以二次函数增加。这种加速方法对步进电机运行十分有利,因为启动时,加速度平缓,一旦步进电机具有一定的速度,加速度增加很快。这样一方面使加速度平稳过渡,有利于提高机器的定位精度,另一方面可以缩短加速过程,提高快速性能。
对于减速阶段,按照与上述类似的分析方法,可以得出脉冲频率特性的表达方式为:
(8)
(9)
其中,A=-δ, B=(2T1-δ)2,C=8δ,T1为减速开始时脉冲周期,δ为减速阶段相邻两个脉冲周期的增量。由于T1>>δ,则B=4T12,由(8)、(9)式可以看出,脉冲频率在减速阶段不断下降,且加速度为负,绝对值以二次函数减小。这种减速性能对步进电机同样有利,它使步进电机在减速时能够平稳地停止而没有冲击,提高了机器的定位精度。 综上所述,可以得出本设计的脉冲频率特性(见图6)。
图6 脉冲频率特性
2.2 实验完成方式
实验实现的方式主要是程序的编写。按语言方式可分为:VB,汇编,C。具体实现如下:
2.2.1 四相八拍VB脚本程序
dim n
sub Initialize(arg) SetDO FALSE ,1 SetDO FALSE ,2 SetDO FALSE,3 SetDO FALSE ,4 end sub
sub TakeOneStep (arg) n=n+1 if n=1 then
SetDO TRUE ,1 SetDO FALSE ,2 SetDO FALSE ,3 SetDO FALSE ,4 end if
if n=2 then SetDO TRUE,1 SetDO TRUE ,2 SetDO FALSE ,3 SetDO FALSE ,4 end if
if n=3 then
SetDO FALSE ,1 SetDO TRUE ,2 SetDO FALSE ,3 SetDO FALSE ,4 end if
if n=4 then
SetDO FALSE,1 SetDO TRUE,2 SetDO TRUE,3 SetDO FALSE,4 end if
if n=5 then
SetDO FALSE,1 SetDO FALSE,2 SetDO TRUE,3 SetDO FALSE,4 end if
if n=6 then
SetDO FALSE,1 SetDO FALSE,2 SetDO TRUE,3
SetDO TRUE,4 end if
if n=7 then
SetDO FALSE,1 SetDO FALSE,2 SetDO FALSE,3 SetDO TRUE,4 end if
if n=8 then
SetDO TRUE,1 SetDO FALSE,2 SetDO FALSE,3 SetDO TRUE,4 n=0 end if end sub
sub Finalize (arg) SetDO FALSE ,1 SetDO FALSE ,2 SetDO FALSE,3 SetDO FALSE ,4 end sub
2.2.2四相八拍汇编程序
ORG 0000H
LJMP MAIN
ORG 0030H
MAIN: JNB P3.0,FWD ;p3.0口控制电机的正转
JNB P3.1,BCK ;p3.1口控制电机的反转
JNB P3.3,SPEED ;p3.3口控制电机的加速
LJMP MAI
FWD: MOV R0,#0 ;控制电动机正转程序段
FWD1: MOV DPTR,#FORW ;将控制电机正转的表头地址送入DPTR
MOV A,R0
MOVC A,@A+DPTR ;将表头数据址送入累加器A中
JZ FWD 比较累加器中内容是否为0,如为0则跳转至FWD;
RL A
MOV P1,A;P1.1、P1.2、P1.3、P1.4与步进电机A,B,C,D相连接并控制转动方式 LCALL DELAY ;调用延时程序
JNB P3.2,MAIN ;判断P3.2位是否为0,为0则转移至MAIN,电机停止 JNB P3.3,SPEED;判断P3.3位是否为0,为0则转移;电机正向加速
INC R0
LJMP FWD1 ;程序循环,电机循环转动
BCK: MOV R0,#0 ;控制电动机反转程序段
BCK1: MOV A,R0
MOV DPTR,#BACK
MOVC A,@A+DPTR
JZ BCK
RL A
MOV P1,A
LCALL DELAY
JNB P3.2,MAIN
JNB P3.3,SPD
INC R0
LJMP BCK1
DELAY:MOV R2,#0C8H
MOV R4,#05H
LOOP1:MOV R3,#0F9H
NOP
LOOP2:DJNZ R3,LOOP2
DJNZ R2,LOOP1
DJNZ R4,LOOP1
RET
SPEED: MOV R0,#0 ;控制电动机加速程序段
FWD2: MOV DPTR,#FORW
MOV A,R0
MOVC A,@A+DPTR
JZ SPEED
RL A
MOV P1,A
LCALL DELAY1
JNB P3.2,MAIN
INC R0
LJMP FWD2
DELAY1:MOV R2,#0C8H
MOV R4,#02H
LOOP3:MOV R3,#0F9H
NOP
LOOP4:DJNZ R3,LOOP4
DJNZ R2,LOOP3
DJNZ R4,LOOP3
RET
MAI:JNB P3.0,FWD
JNB P3.1,BCK
JNB P3.3,SPEED
LJMP MAI
SPD: MOV R0,#0
BCK2: MOV A,R0
MOV DPTR,#BACK
MOVC A,@A+DPTR
JZ SPD
RL A
MOV P1,A
LCALL DELAY1
JNB P3.2,MAI
JNB P3.3,SPD
INC R0
LJMP BCK2
FORW: DB 01H,09H,08H,0CH,04H,06H,02H,03H,00H;步进电机四相八拍正转通电方式 BACK: DB 01H,03H,02H,06H,04H,0CH,08H,09H,00H;步进电机四相八拍反转通电方式 END
2.2.2 实验过程
开始我们直接用THBCC-1实验平台上数据采集单元D01—D04口给四相步进电机提供脉冲,D0—D4分别与步进电机的A B C D口相连。首先是做四相单拍的工作方式,用的VBS编写的控制程序。在此工作方式下,我们观察到电机每步走过的角度大约是10度,通过改变调试下的步长设置可以改变步进电机转动频率,当设置单位步长为1000毫秒时,电机大约是1秒钟走一步,当单位步长设置为10毫秒时,电机出现明显的丢步不能正常转动。当我们把工作方式改为四相八拍时,电机每一步走过的角度变为大约5度。
通过实验室现成设备对步进电机感性的认知,回来查找了很多有关步进电机的资料。主要是熟悉步进电机的正反转,加减速的控制方式,通过程序的编写来说实现以上功能。为了提高效率,我负责用汇编编写,卢维负责用C编写。为了提高成功率,以及硬件的匮乏,我们首先通过PROTEUS成功仿真,再将编好的程序代码编译-链接-可执行文件,将.Hex十六进制文件下载至单片机中。通过对步进电机运行的测试过程中,遇到很多问题。比如:接线接触不良,程序代码下载错误,软硬件间连接问题等等。
第四章 课程设计体会
通过这次课程设计还是学到很多东西。原理虽不是很复杂,但是在硬件实施上还是多多少少遇到些问题,最后还是得以一一解决。课程设计进行了分组,组员间需要协作完成整个课程设计,我们开始就明确分工,最后得以顺利完成,完成之后组员通过互相交流学习,团队永远胜于个人。这次课程设计硬件有点匮乏,当然这不是很好的理由。很多同学在没有人指导下经过自我摸索获得相关结果,大家在有压力情况下还能够有所成绩,值得肯定。对于自我而言,感觉惭愧,认识到平时自我主动性还是不够。在所剩的时间不多的日子里,多加强自我学习,自我约束,专业学习等。
第五章 实验参考书
《单片微型计算机原理及应用》——西安电子科技大学出版社 《51单片机C语言开发详解》——电子工业出版社
部分资料来源网络
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