2873.B機(jī)床加工模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告包含源代碼 模擬機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)測(cè)試說(shuō)明

1、 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2008級(jí)硬件課程設(shè)計(jì)報(bào)告 第11頁(yè)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院硬件課程設(shè)計(jì)報(bào)告姓 名： 學(xué) 號(hào)： 專 業(yè)： 班 級(jí)： 設(shè)計(jì)題目： 機(jī)床加工模擬系統(tǒng) 成 員： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 副教授 2008年 7月 課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師評(píng)閱書(shū)指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：成 績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日目 錄1 問(wèn)題的提出 11.2 問(wèn)題的描述.41.3小組分工12 需求分析12.1 儀器設(shè)備12.2 步進(jìn)電機(jī)的基本概念12.3 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理22.4 設(shè)計(jì)方案23 電路設(shè)計(jì)及其主要功能53.1 初始方案的電路設(shè)計(jì)53.2 實(shí)際方案的電路設(shè)計(jì)64分析與測(cè)試94.1 電路分析94.2 測(cè)試分析105

2、 設(shè)計(jì)小結(jié)101 問(wèn)題的提出1.1問(wèn)題提出步進(jìn)電機(jī)是一般普通電機(jī)的高級(jí)發(fā)展階段，它綜合體現(xiàn)了電機(jī)的機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、電磁學(xué)、控制理論等諸多方面的研究和發(fā)展水平，是一個(gè)復(fù)雜的綜合系統(tǒng)。那么對(duì)給定的步進(jìn)電機(jī)，如何運(yùn)用所學(xué)的硬件知識(shí)、電磁學(xué)理論及相關(guān)實(shí)驗(yàn)器材，來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向呢？根據(jù)所設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，它在實(shí)際生活中又有哪些方面的應(yīng)用？問(wèn)題描述：本課題主要環(huán)節(jié)是步進(jìn)機(jī)的使用，所謂步進(jìn)，就是一步一步地執(zhí)行命令，這里可以通過(guò)8255發(fā)出幾組脈沖方波信號(hào)，然后將這幾組信號(hào)組合，如果有兩組信號(hào)，就會(huì)有四種方式，若是三組，則有八種方式，把信號(hào)組合通過(guò)接口傳送給步進(jìn)機(jī)，不

3、同的組合方式對(duì)應(yīng)不同的操作指令，該指令包括步進(jìn)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度以及方向，而信號(hào)的密集程度則對(duì)應(yīng)步進(jìn)機(jī)的轉(zhuǎn)速，執(zhí)行時(shí)間則可以通過(guò)8253來(lái)控制。本課題的另外一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)是實(shí)現(xiàn)軟硬結(jié)合，就是編程實(shí)現(xiàn)對(duì)8255等芯片的控制，這需要熟悉匯編語(yǔ)言。1.3小組分工在本次硬件課程設(shè)計(jì)中，8255芯片和匯編程序控制部分由xxx同學(xué)負(fù)責(zé)；步進(jìn)電機(jī)原理部分及過(guò)程模擬部分由xxx同學(xué)負(fù)責(zé)； 2 需求分析2.1 儀器設(shè)備微型計(jì)算機(jī)1臺(tái)；通用微型計(jì)算機(jī)接口實(shí)驗(yàn)臺(tái)1個(gè)（含有8255a芯片）；小功率四相四拍步進(jìn)電機(jī)1只（附帶接口等套件）；導(dǎo)線若干； 2.2 步進(jìn)電機(jī)的基本概念步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频拈_(kāi)環(huán)控制元件

4、。即當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（即步進(jìn)角）。我們可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)也可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（pm）,反應(yīng)式（vr）和混合式（hb）。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度； 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩

5、相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。步進(jìn)電機(jī)相數(shù)是指產(chǎn)生不同對(duì)極n、s與磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。（常用m表示）步進(jìn)電機(jī)拍數(shù)是指完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需要的脈沖數(shù)。（常用n表示）步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角是指對(duì)應(yīng)每一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移。且 3600/zr*n （其中zr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)，n為運(yùn)行拍數(shù)） 2.3 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)的工作，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中控制信號(hào)8255芯片產(chǎn)生。如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；如果按反序通電換相，則步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)動(dòng)一步，再發(fā)送一個(gè)脈沖，

6、它再轉(zhuǎn)動(dòng)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快，通過(guò)用程序?qū)?255的脈沖進(jìn)行延時(shí)，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理： 2.3.1、結(jié)構(gòu)： 電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開(kāi)。0、1/3、2/3,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以表示），即a與齒1相對(duì)齊，b與齒2向右錯(cuò)開(kāi)1/3，c與齒3向右錯(cuò)開(kāi)2/3，a與齒5相對(duì)齊，（a就是a，齒5就是齒1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開(kāi)圖： 2.3.2、旋轉(zhuǎn)： 如a相通電，b，c相不通電時(shí)，由于磁場(chǎng)作用，齒1與a對(duì)齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。 如b相通電，a，c相不通電時(shí)，齒2應(yīng)與b對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子

7、向右移過(guò)1/3，此時(shí)齒3與c偏移為1/3，齒4與a偏移（-1/3）=2/3。如c相通電，a，b相不通電，齒3應(yīng)與c對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過(guò)1/3，此時(shí)齒4與a偏移為1/3對(duì)齊。 如a相通電，b，c相不通電，齒4與a對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又向右移過(guò)1/3 這樣經(jīng)過(guò)a、b、c、a分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到a相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距，如果不斷地按a，b，c，a通電，電機(jī)就每步（每脈沖）1/3,向右旋轉(zhuǎn)。如按a，c，b，a通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 由此可見(jiàn)：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。 不過(guò)，出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用a-ab

8、-b-bcc-ca-a這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來(lái)每步1/3改變?yōu)?/6。甚至于通過(guò)二相電流不同的組合，使其1/3變?yōu)?/12，1/24，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(jù)。2.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案由于本次設(shè)計(jì)中實(shí)驗(yàn)室提供了四相四拍的小功率步進(jìn)電機(jī)，采用四相四拍步進(jìn)電機(jī)來(lái)完成最終的設(shè)計(jì)。本方案中使用的步進(jìn)電機(jī)為四相四拍步進(jìn)電機(jī)，即：1（ba）、2（bb）、3（bc）、4（bd）。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式為二相激勵(lì)方式，各繞組通電順序如表（2）：順序 相 1（ba）2（bb）3（bc）4（bd）01100101102001131001表（2）表中首先向12繞組輸入驅(qū)動(dòng)電流，接著23，34，41，又返回到12，按

9、這種順序切換，電機(jī)即可按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。若繞組通電中的順序?yàn)?4，34，23，12，則電機(jī)可按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。該四相四拍步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)圖如圖（2）：圖（2）可通過(guò)對(duì)8255a芯片不同的延時(shí)來(lái)得到不同頻率的輸出脈沖，從而得到不同的步進(jìn)旋轉(zhuǎn)速度。并且我們可根據(jù)公式 3600/zr*n 可計(jì)算出四相四拍步進(jìn)電機(jī)在每收到一個(gè)脈沖的情況下，轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)角為1.80（當(dāng)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為50時(shí)）。 得到四相四拍時(shí)的激磁波形圖如圖（3）： 圖（3）3 電路設(shè)計(jì)及其主要功能3.2 實(shí)驗(yàn)方案的電路設(shè)計(jì)對(duì)于實(shí)驗(yàn)方案，我們采用類似的思路。即利用8255a芯片產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁脈沖，開(kāi)關(guān)k0k6控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，k7控制步進(jìn)電機(jī)

10、的轉(zhuǎn)向。8255a芯片的片選端cs接300h307h，輸出端pa0pa3接電機(jī)線圈接口a、b、c、d，輸入端口pc0pc7接電平開(kāi)關(guān)k0k7。具體功能： 當(dāng)k0k6中任一開(kāi)關(guān)為“1”（向上拔）時(shí)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)，全部都為“0”時(shí)停止。其中k0為“1”時(shí)電機(jī)速度最慢，k6為“1”時(shí)電機(jī)速度最快。當(dāng)k7向上拔時(shí)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，向下拔時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。 具體電路圖如圖（5）：圖（5）5 分析與測(cè)試5.1 電路分析本次課程設(shè)計(jì)我們采用的是四相四拍的步進(jìn)電機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)該步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)電路連接之前，我們先編寫(xiě)一控制發(fā)光二極管亮滅的匯編小程序來(lái)測(cè)試芯片是否損壞及線路連接是否良好。當(dāng)測(cè)試完畢后，進(jìn)行實(shí)際

11、的電路連接。8255a端口作為輸出端，c端口作為輸入端。8255a芯片的片選端cs接300h307h，輸出端pa0pa3接電機(jī)線圈接口a、b、c、d；輸入端口pc0pc7接電平開(kāi)關(guān)k0k7，步進(jìn)電機(jī)接12v電源。5.3 測(cè)試分析以上理論設(shè)計(jì)通過(guò)實(shí)物連接、檢測(cè)；整個(gè)匯編程序運(yùn)行良好，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)按預(yù)定程序運(yùn)行。表明上述設(shè)計(jì)具有很好的實(shí)際可行性，也體現(xiàn)了8255a其良好的編程性能和控制功能；該步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的匯編程序控制的關(guān)鍵在于8255a芯片如何進(jìn)行勵(lì)磁脈沖的輸出；以及如何有效地進(jìn)行軟件延時(shí)；如何對(duì)勵(lì)磁數(shù)據(jù)進(jìn)行移位從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。我想只要把這三個(gè)問(wèn)題解決了，芯片編程工作就很好做了；在上

12、述的匯編程序控制中這三方面的問(wèn)題基本上得到了圓滿的解決，所以以上設(shè)計(jì)方案基本上是成功的。按照電路設(shè)計(jì)圖把電路連接完畢后，先將匯編源程序存入d盤(pán)中，再將匯編源程序復(fù)制到fd88運(yùn)行環(huán)境中。進(jìn)行調(diào)試且運(yùn)行無(wú)誤后，則開(kāi)始啟動(dòng)電機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行單步調(diào)試。剛開(kāi)始時(shí)開(kāi)關(guān)k0k7都撥為“0”，這時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，然后依次從k0k6單個(gè)撥動(dòng)不同的開(kāi)關(guān)則可使步進(jìn)電機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)。并且通過(guò)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)k7即可調(diào)整轉(zhuǎn)向；總的說(shuō)來(lái)該步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的控制操作較為簡(jiǎn)單容易。6 實(shí)驗(yàn)體會(huì)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)在實(shí)際生活中有著廣泛的用途。尤其是近幾年來(lái)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)在數(shù)字控制裝置中的應(yīng)用日益廣泛。步進(jìn)電機(jī)不僅能夠完成其他交流、直流

13、電機(jī)所完成的功能，而且能夠?qū)崿F(xiàn)其他電機(jī)所不能實(shí)現(xiàn)的各種復(fù)雜的控制功能，所以例如在數(shù)控機(jī)床中，將加工零件的圖形、尺寸及工藝要求編制成一定符號(hào)的加工指令，輸入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)根據(jù)給定的數(shù)據(jù)和要求進(jìn)行運(yùn)算，而后發(fā)出電脈沖信號(hào)。計(jì)算機(jī)每發(fā)一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)便轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)裝置所帶動(dòng)的工作臺(tái)或刀架就移動(dòng)一個(gè)很小的距離（或轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)很小的角度）。因此在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單，更易于達(dá)到自動(dòng)加工零件的目的。此外，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)在機(jī)器人控制、航空航天等高科技領(lǐng)域更是發(fā)揮了它重要的作用。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。這次步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)讓我學(xué)到了步進(jìn)電機(jī)、 8255芯片和雙機(jī)通訊實(shí)驗(yàn)箱的使用，更重要的是讓我學(xué)會(huì)了程序出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)調(diào)試的辦法，學(xué)習(xí)到了程序出問(wèn)題后怎樣去解決的基本方法。在做本