PAGE20PAGE1成績課程設計報告設計題目步進電機控制系統設計課程名稱計算機控制技術B姓名學號班級教師設計日期步進電機控制系統設計摘要步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的概率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無積累誤差等特點，使得在速度、位置領域用步進電機來控制變的非常簡單。本次課程設計采用TDN-AC/ACS計算機控制技術實驗箱中的35BYJ46型四相八拍步進電機為對象，以8088CPU為基礎設計計算機控制系統硬件電路、8088為核心的步進電機控制系統，編寫步進電機控制程序，從而實現步進電機的變速運轉以及正反向運轉。關鍵詞：步進電機、四相八拍、電脈沖信號、變速運轉、正反向運轉SteppermotorcontrolsystemdesignAbstractSteppermotoristheelectricpulsesignalintoangulardisplacementorlineardisplacementoftheopen-loopcontrolcomponents.Inthecaseofnon-overloaded,themotorspeedtostopthelocationoftheprobabilitydependsonlyonthepulseandthepulsenumber,regardlessofloadchanges,thatis,toaddapulsemotor,themotoristurnedastepangle.Theexistenceofthislinearrelationship,withonlyperiodicerrorofthesteppermotorwithouttheaccumulationoferrors,etc.,makesthespeedandpositiontocontrolthesteppermotorareasbecomeverysimple.Thecurriculumdesignusecomputer-controlledtechnologyexperimentsTDN-AC/ACSboxin35BYJ46four-phaseeight-shotsteppermotorfortheobjectto8088CPU-basedcomputercontrolsystemhardwarecircuitdesign,8088asthecoreofthesteppermotorcontrolsystem,writesteppermotorcontrolprogram,inordertoachievevariablespeedoperationofthesteppermotorandtheprosandconstorunning.KeyWords：SteppermotorFour-phaseeight-shotElectricalpulsesVariable-speedoperationForwardandreverseoperation目錄第一章：步進電機介紹……………………11.1：步進電機工作原理……………11.2：步進電機控制系統原理……1第二章：系統設計及硬件介紹………32.1：系統描述……………32.2：硬件選取及其簡介……………32.2.1：硬件選取………32.2.2：執行機構選取………………32.2.3：8088cpu介紹………………42.2.4：8255接口芯片介紹…….42.2.5：ULN2803………5第三章：實驗設計……………73.1：實驗線路……………73.2：8255口輸出電平在各步中的情況圖…73.3:8088擴展數據存儲器和8255接口電路原理圖…73.4:系統結構圖…………8第四章：程序設計……………94.1流程圖……………………94.2：實驗程序………………9第五章：系統運行分析……………………125.1：過程分析……………125.2：運行結果……………12總結…………………13參考文獻…………13附錄…………………14第一章：步進電機介紹1.1：步進電機工作原理步進電機實際上是一個數字/角度轉換器，也是一個串行的數/模轉換器。其結構原理，如圖1-1所示。從圖1-1可以看出，電動機的定子上有6個等分的磁極，A，A'，B，B'，C，C'，相鄰的兩個磁極間的夾角為60°。相對的兩個磁極組成一相，如圖所示的結構為三相異步電機。當某一繞組有電流通過時，該繞組相應的兩個磁極立即形成N極和S極，每個磁極上各有5個均勻分布的鋸齒小齒。圖表SEQ圖表\*ARABIC1.1步進電機原理圖1-2：步進電機控制系統原理步進電機控制系統主要是由步進控制器，功率放大器及步進電機組成。特別是采用微型機控制，更可以根據系統的需要靈活改變步進電機的控制方案，使用起來很方便。原理圖如下：808880888255A驅動器步進電機負載……微型機控制步進電機系統原理圖第二章：系統設計及硬件介紹2.1：系統描述：用8088cpu控制8255接口芯片，ULN2803驅動步進電機運轉。用計算機（windows98系統）啟動ACS2002軟件，裝入設計好匯編語言，調出示波器來運行程序，最終通過軟硬件結合的方式實現電機正反轉，修改程序可實現調速。2.2：硬件選取及其簡介2.2.1硬件選取1.8088cpu（擴展8255接口電路和數據存儲器）2.8255接口芯片3.4個發光二極管4.ULN2803驅動模塊5.四相八拍步進電機2.2.2：執行機構選取本設計所采用的是國產35BYJ46型步進電機，它使用+12V直流電源，步距角為3.75°。勵磁線圈：2.2.3：8088cpu介紹8088是一個Intel以8086為基礎的微處理器，擁有16位元暫存器和8位元外部資料總線。8088的原理圖及引腳如下圖：8088引腳圖2.2.4：8255接口芯片介紹8255接口芯片：8255是Intel公司生產的可編程并行I/O接口芯片，有3個8位并行I/O口。具有3個通道3種工作方式的可編程并行接口芯片（40引腳）。原理圖及引腳如下圖：8255引腳圖2.2.5：ULN2803ULN2803：采用AP=DIP16,AFW=SOL16封裝方式八路NPN達林頓連接晶體管陣系列特別適用于低邏輯電平數字電路（諸如TTL,CMOS或PMOS/NMOS）和較高的電流/電壓要求之間的接口，廣泛應用于計算機，工業用和消費類產品中的燈、繼電器、打印錘或其它類似負載中。所有器件具有集電極開路輸出和續流箱位二極管，用于抑制躍變。ULN2803的設計與標準TTL系列兼容，而ULN2804最適于6至15伏高電平CMOS或PMOS。ULN2803接線圖第三章：實驗設計3.1：實驗線路3.2：8255口輸出電平在各步中的情況圖：步序PB13PB12PB11PB10工作狀態輸出值10001A01H20011AB03H30010B02H40110BC06H50100C04H61100CD0CH71000D08H81001DA09H3.3:8088擴展數據存儲器和8255接口電路原理圖3.4:系統結構圖第四章：程序設計4.1流程圖4.2：實驗程序STACK SEGMENT STACKDW 256 DUP(?)STACK ENDSDATA SEGMENTTABLE1 DB 01H,03H,02H,06H,04H,0CH,08H,09H；正轉拍順序TABLE2 DB 09H,08H,0CH,04H,06H,02H,03H,01H；反轉拍順序DATA ENDS；8255B口輸出值CODE SEGMENTASSUME CS:CODE,DS:DATASTART: MOV AX,DATA MOV DS,AXMAIN: MOV AL,80H；給8255控制口送入控制字 OUT 63H,ALA0: MOV CX,0016H；正轉周期數A1: MOV BX,OFFSETTABLE1 PUSH CX MOV CX,0008H；步進電機正轉數為8A2: MOV AL,[BX]；8255輸出 OUT 61H,AL CALL DALLY；調用DALLY延時程序 INC BX LOOP A2；一個周期完否 POP CX LOOP A1；正轉完否 MOV CX,0024H；反轉周期A3: MOV BX,OFFSETTABLE2 PUSH CX MOV CX,0008H；步進電機反轉數為8A4: MOV AL,[BX] OUT 61H,AL CALL DALLY2 INC BX LOOP A4；一個周期完否 POP CX LOOP A3；反轉完否 JMP A0DALLY: PUSH CX；延時程序 MOV CX,0150H；改變CX可實現調速T1: PUSH AX POP AX LOOP T1 POP CX RETCODE ENDS END START第五章：系統運行分析5.1：過程分析一按照硬件電路圖來連接電路。首先由8088CPU擴展出程序存儲器和8255芯片，然后由8255芯片的PB口的PB0，PB1，PB2，PB3分別接驅動單元ULN2803的A相，B相，C相，D相，最后由驅動單元ULN2803輸出接到紅色發光二極管和步進電機各相上。二在window98系統環境下運行ACS2002軟件，裝入設計好的程序后點開示波器，然后運行程序。讓電機實現正轉反轉。經過認真觀察，確定本次實驗所用的步進電機步距角是3.75°，經計算得它的轉子側應該有12個槽位。三通過改動正反轉周期數使得步進電機正反轉的周期數不同，改動每一拍的延時程序使步進電機轉動不同的速度，達到調速的目的。5.2：運行結果示波器出現一條水平的橫線，步進電機以一定的速度開始運轉，正轉16圈后開始反轉，反轉24圈后開始正轉，如此往復下去。在轉動的同時，發光二極管在按照一定的規律閃爍。總結通過八個小時的課程設計和實驗，使我完全的掌握了ACS2002軟件，并且更加加深了對步進電機的理解。這次課設我學會了怎樣系統地設計一個軟硬件控制系統，加深了對8088、驅動模塊、步進電機等模塊工作方式的理解運用，也強化了軟件編寫和理解能力。在經過不懈的努力后，終于讓電機實現了正反轉。這時，老師又提出了關于硬件的問題，讓我們認清了自己的能力，只是會簡單地連線。在小組同學的討論和老師的啟發下，把硬件各部件的工作關系原理基本上弄清了。這次課設使得我認清了自己的不足，在課設的過程中也是自己學會了很多。特別是要感謝老師的耐心指導，使得我受益匪淺。參考文獻[1]信息工程自動化實驗室計算機控制技術實驗指導書.太原理工大學。[2]馬春燕。微機原理與接口技術。電子工業出版社，2009,12。附錄A：電路原理圖附錄B：程序清單STACK SEGMENT STACKDW 256 DUP(?)STACK ENDSDATA SEGMENTTABLE1 DB 01H,03H,02H,06H,04H,0CH,08H,09H；正轉拍順序TABLE2 DB 09H,08H,0CH,04H,06H,02H,03H,01H；反轉拍順序DATA ENDS；8255B口輸出值CODE SEGMENTASSUME CS:CODE,DS:DATASTART: MOV AX,DATA MOV DS,AXMAIN: MOV AL,80H；給8255控制口送入控制字 OUT 63H,ALA0: MOV CX,0016H；正轉周期數A1: MOV BX,OFFSETTABLE1 PUSH CX MOV CX,0008H；步進電機正轉數為8A2: MOV AL,[BX]；8255輸出 OUT 61H,AL CALL DALLY；調用DALLY延時程序 INC BX LOOP A2；一個周期完否 POP CX LOOP A1；正轉完否 MOV CX,0024H；反轉周期A3: MOV BX,OFFSETTABLE2 PUSH CX MOV CX,0008H；步進電機反轉數為8A4: MOV AL,[BX] OUT 61H,AL CALL DALLY2 INC BX LOOP A4；一個周期完否 POP CX LOOP A3；反轉完否 JMP A0DALLY: PUSH CX；延時程序 MOV CX,0150H；改變CX可實現調速T1: PUSH AX POP AX LOOP T1 POP CX RETCODE ENDS END START現代控制技術及PLC控制課程設計姓名學號班級專業機械電子工程院別機械工程學院指導教師目錄1引言2系統總體方案設計……………………32.1機械手臂搬運加工流程控制工藝分析………42.2機械手臂搬運加工流程控制系統硬件組成……52.3原理圖設計………62.4機械手臂搬運加工流程控制系統的I/O分配…73實現的效果……………84控制系統設計……………103.1控制程序流程圖設計……………103.2梯形圖……………133.3語句表………………17心得體會……………………19參考文獻……………………20

引言要完成好電氣控制系統的設計任務，除掌握必要的電氣設計基礎知識外，還必須經過反復實踐，深入生產現場，將不斷積累的經驗應用到設計中來。課程設計正是為這一目的而安排的實踐性教學環節，它是一項初步的工程訓練。通過課程設計，了解一般電氣控制系統的設計要求、設計內容和設計方法。電氣設計包含原理設計和工藝設計兩個方面，不能忽視任何一面，對于應用型人才更應重視工藝設計。課程設計屬于練習性質，不強調設計結果直接用于生產。一、設計目的課程設計的主要目的是通過某一生產設備的電氣控制裝置的設計實踐，了解一般電氣控制系統設計過程、設計要求、應完成的工作內容和具體設計方法。通過設計也有助于復習、鞏固以往所學的知識，達到靈活應用的目的。電氣設計必須滿足生產設備和生產工藝的要求，因此，設計之前必須了解設備的用途、結構、操作要求和工藝過程，在此過程中培養從事設計工作的整體觀念。課程設計應強調能力培養為主，在獨立完成設計任務的同時，還要注意其他幾方面能力的培養與提高，如獨立工作能力與創造力；綜合運用專業及基礎知識的能力，解決實際工程技術問題的能力；查閱圖書資料、產品手冊和各種工具書的能力；工程繪圖的能力；書寫技術報告和編制技術資料的能力。二、設計要求1．有兩部機械對工作物進行加工，對象由輸送帶A送到加工位置，然后由機械手臂將加工物送至工作臺1的位置進行第一步驟加工。當第一步驟加工完成后，機械手臂將工作物夾起再送至工作臺2進行第二步驟加工；當第二步驟加工完成后，機械手臂將工作物放到輸送帶B送走，然后由7段數碼管顯示加工完成的數量。2．假設使用氣壓機械手臂，一開始手臂先下降，碰到下限開關開始做夾起動作，然后開始上升碰到上限開關后，手臂開始往右，當碰到第一工作站的極限開關時，機械手臂下降將工作物放置工作臺l然后上升等待機械對工作物加工；當工作物第一加工步驟完成時，機械手臂再依進行下降一夾住一上升一往右一下降一釋放等流程，將工件放置工作臺2上進行第二加工步驟。3．當第二加工步驟完成時，機械手臂再依進行下降一夾住一上升一往右一下降一釋放等流程，將工件放置輸送帶B送出，并由7段數碼管顯示出加工完成的數次。三、設計任務1、根據控制要求，進行電氣控制系統硬件電路設計，包括主電路、控制電路及PLC硬件配置電路。2、根據控制要求，編制PLC應用程序。3、編寫設計說明書，內容包括：①設計過程和有關說明。②基于PLC的電氣控制系統電路圖。③PLC控制程序（梯形圖和指令表）。④電器元器件的選擇和有關計算。⑤電氣設備明細表。⑥參考資料、參考書及參考手冊。⑦其他需要說明的問題，例如操作說明書、程序的調試過程、遇到的問題及解決方法、對課程設計的認識和建議等。系統總體方案設計機械手臂搬運加工流程控制工藝分析機械手能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。目前機械手的主要發展經歷可以分為三代：第一代機械手主要是靠人工進行控制，控制方式為開環式，沒有識別能力；改進的方向主要是將低成本和提高精度；第二代機械手設有電子計算機控制系統，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把接收到的信息反饋，使機械手具有感覺機能；第三代機械手能獨立完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯系，并逐步發展成為柔性系統FMS和柔性制造單元FMC中重要的環節。機械手主要由手部、運動機構和控制系統三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現規定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數。機械手的運動機構主要包括由兩個電磁閥控制的液壓鋼來實現機械手的上升下降運動及夾緊工件的動作，兩個轉速不同的電動機分別通過兩線圈控制電動機的正反轉，從而實現小車的快進、慢進、快退、慢退的運動運動；其動作轉換靠設置在各個不同部位的行程開關產生的通斷信號傳輸到PLC控制器，通過PLC內部程序輸出不同的信號，從而驅動外部線圈來控制電動機或電磁閥產生不同的動作，可實現機械手的精確定位；其動作過程包括：下降、夾緊、上升、慢進、快進、慢進、延時、下降、放松、上升、慢退、快退、慢退；其操作方式包括：回原位、手動、單步、單周期、連續；來滿足生產中的各種操作要求。本次設計使用氣壓機械手臂，一開始手臂先下降，碰到下限開關開始做夾起動作，然后開始上升碰到上限開關后，手臂開始往右，當碰到第一工作站的極限開關時，機械手臂下降將工作物放置工作臺l然后上升等待機械對工作物加工；當工作物第一加工步驟完成時，機械手臂再依進行下降一夾住一上升一往右一下降一釋放等流程，將工件放置工作臺2上進行第二加工步驟。當第二加工步驟完成時，機械手臂再依進行下降一夾住一上升一往右一下降一釋放等流程，將工件放置輸送帶B送出，并由7段數碼管顯示出加工完成的數次。動作示意圖如圖1-2所示。原位原位左移上升放松下降右移上升夾緊下降圖1-2機械手控制動作示意圖機械手臂搬運加工流程控制系統硬件組成本設計中采用的機械手，水平軸、垂直軸采用步進電機控制，底盤的旋轉采用直流電機控制，抓取物體的電磁閥采用氣動形式。步進電機的控制，由對應的步進電機驅動器電路完成。完成本設計需要的實驗設備有：1）機械手模型2）計算機3）導線4）氣泵5）晶體管輸出型可編程控制器機械手的控制面板分以下幾個模塊：1.步進電機驅動及步進電機驅動器電流設定為0.63A，細分設定為8細分，將24V電源接入驅動器，此時驅動器的電源指示燈應點亮；將24V與OPTO端（驅動器使能端）連接起來；PUL端是脈沖輸入端；DIR是方向控制輸入端。2.直流電機本設計用的氣夾電機和底座電機均是24V直流電機，PLC控制兩個直流繼電器的吸合來控制電機的正轉和反轉。3.旋轉編碼盤在本設計模型的底座上有一個旋轉編碼盤，在底座旋轉時，在此產生一個VP-P為24V的方波信號，可以提供給PLC的高速計數器，用于機械手的定位控制。4.接近開關在本設計模型中底座和氣夾的限位通過4個電感式接近開關來完成。接近開關與觸頭接近時接近指示燈點亮、輸出低電平，否則為高電平。5.行程開關在本設計模型中兩個滾珠絲桿的限位通過4個滾軸式行程開關來完成。當行程開關壓下時，常開觸點閉合，給PLC一個控制信號。原理圖設計(1)主電路設計主電路如圖所示。L1L1L2L3QFQFQF上升/下降KM1KM2左/右移KM3KM4夾緊/放松KM5M1M2YA4外圍接24VPLC機械手主電路圖主電路FRFV控制電路設計KV1KV1KV2KV3KV4KV5KM2KM3KM4KM5220V/380V控制電路機械手臂搬運加工流程控制系統的I/O分配根據機械手動作的要求及機械手實物教學實驗裝置說明指導，輸入、輸出點分配情況如表2-1所示。表2-1PLC的I/O分配表名稱輸入名稱輸出啟動按鈕I0.0原始位置指示燈Q0.0復位按鈕I0.1抓緊電磁閥Q0.1上限位開關I0.2下行接觸器Q0.2下限位開關I0.3上行接觸器Q0.3左限位開關I0.4右行接觸器Q0.4右限位開關I0.5左行接觸器Q0.5實現的效果打開電源，按下起動按鈕時，開機復位。機械手若不在原點則PLC向驅動器一同時輸入脈沖信號和電平信號，步進電機一反轉，橫軸后縮。當后縮到位時碰到后限位開關，然后主機向驅動器二輸入脈沖信號，步進電機二正轉，機械手上升。上升到底時碰到上限位開關，上升停止，回到原點。主機向驅動器二同時輸入脈沖信號和電平信號，步進電機二反轉，機械手下降。降到底時碰到下限位開關，下降停止，氣夾電磁閥斷電，機械手夾緊。夾緊后，主機向驅動器二只輸入脈沖信號，步進電機二正轉，機械手上升。上升到頂時，碰到上限位開關，上升停止。PLC向驅動器一只輸入脈沖信號，步進電機一正轉，機械手前伸，前伸到位時，碰到前限位開關前伸停止。主機向驅動器二同時輸入脈沖信號和電平信號，步進電機二反轉，機械手下降。降到底時碰到下限位開關下降停止，同時夾緊電磁閥斷電，機械手放松。放松后，主機向驅動器二只輸入脈沖信號，步進電機二正轉，機械手上升。上升到頂時，碰到上限位開關上升停止。上升到頂時，碰到上限位開關，上升停止。PLC向驅動器一同時輸入脈沖信號和電平信號，步進電機一反轉，橫軸后縮。機械手后縮，當后縮到底時碰到后限位開關，然后主機向驅動器二同時輸入脈沖信號和電平信號，步進電機二反轉，機械手下降。下降到底時碰到下限位開關，下降停止，回到原點。至此，機械手經過八步動作完成一個循環。流程圖開始開始I0.0＝１１１杜莎夫人ｐ１１１１１１１１I0.4=I0.0=I0.2=I0.0=I0.1=I0.0=接通Q0.2、Q0.0，前伸接通Q1.1，上升YYYYYYYNNNNNNNI0.3=I0.3=I0.0=接通I0.0、T0，夾緊I0.0=1T0=1接通Q0.1，上升I0.2=I0.0=1接通Q0.0，前伸I0.0=1I0.5=YYYYYYYNNNNNNNN接通Q0.3、Q0.1，下降接通Q0.3、Q0.1，下降I0.3=10.0=1接通I0.0、T1，放松I0.0=1T1=1接通Q0.1，上升I0.2=1I0.0=1接通Q0.2、Q0.0，后縮I0.1=1I0.4=1YYYYYYYYNNNNNNNN梯形圖LDI0.0OM0.0ANI0.1=M0.0LDSM0.1SS0.0,1LSCRS0.0LDI0.2AI0.4ANQ0.1=Q0.0LDI0.0SCRTS0.1SCRELSCRS0.1LDNI0.3=M1.0LDI0.3SCRTS0.2SCRELSCRS0.2LDSM0.0SQ0.1,1SCRELSCRS0.3LDNI0.2=M1.1LDI0.2=S0