步进电机实现的多轴运动控制系统

论文编号:JD521 论文字数:23920,页数:53   51单片机,程序:C语言

摘   要

电机及其控制在国民经济中起着重要的作用。随着现代科学技术的进步，特别是电力电子技术，微机应用和自动控制理论的进展，电机控制有了长足的发展。
本论文在分析了国内外多种类型的运动控制器的基础上，设计并制作了一种以MCS-51为核心器件的步进电机多轴运动控制系统。提出了一种主从式的控制模式，即基于Windows操作系统的台式机作为上位机，完成轨迹规划，数据存储和传输，用单片机最小系统实现轨迹插补的实时控制。论文以XY运动控制平台作为该控制器的应用实例,着重分析了步进电机单片机控制软硬件设计原理和方法；实现了上位计算机与单片机的正确通讯；用VB编制了上位机的可视化界面。而且采用内部时钟方式产生步进电机的驱动脉冲，而没有采用高脉冲发生器等外部方式，用软件来实现，从而降低硬件成本。上位机可以用直线和圆弧两种基本的轨迹规划出其他复杂的轨迹，下位机则主要采用直线和圆弧插补算法进行运动控制。此外，该控制器具有步进控制功能以外，还具有限位，复位等功能。通过该控制系统的设计，可以使我们了解多轴运动控制的基本原理。
关键字：运动控制;步进电机;多轴控制系统;插补算法;51单片机;VB;
         上位机与单片机的通讯

  本课题的主要研究任务为：
(1)运动控制器的硬件设计。包括单片机模块、通讯模块、独立式开关处理模块、二相步进电机驱动模块以及系统的抗干扰设计等。
(2)运动控制器的软件设计。包括下位机程序模块，上位机程序模块。
(3)该控制系统的调试运行。
该控制系统的应用范围十分广泛，在使用步进电机和数字式伺服电机的运动控制方案中，都可以使用它作为核心控制单元，典型的应用领域包括:
(1)数控机床、加工中心、X-Y-Z控制台、机器人;
(2)绘图仪、雕刻机、印刷机械、包装机械、纺织机械、绕线机;
(3)送料装置;
(4)医疗设备等。

目    录

1 概论  1
1.1运动控制概念的提出 1
1.2 运动控制系统的发展历程  1
1.2.1 直流和交流的运动控制系统  1
1.2.2 开环和闭环运动控制系统 1
1.2.3基于网络的运动控制系统  2
1.3 运动控制器的现状与发展趋势 2
1.4 本论文研究意义及主要任务 4
2 运动控制系统总体方案设计 5
2.1 步进电机及其选型  5
2.1.1 步进电机的特点 5
2.1.2步进电动机分类   5
2.1.3步进电机选型   5
2.1.4步进电机的驱动方法   6
2.1.5 步进电机运用中的注意点  7
2.2 步进电机的控制及软件设计  8
2.2.1 步进电机的点位控制  8
2.2.2 步进电机加减速控制  8
2.2.3 提高系统精度措施  9
2.3  步进电机的控制方案比较  10
2.3.1 基于C IPH9803芯片的步进电机控制  10
2.3.2 步进电机PLC的直接控制   10
2.3.3 步进电机计算机控制  11
2.3.4 用数字I/O卡实现步进电机控制   12
2.4 本控制系统步进电机及控制器选择   12
3 实现XY平台的运动控制系统硬件设计   13
3.1 运动控制系统的控制方案  14
3.2 控制系统硬件设计  14
3.2.1 cpu模块  14
3.2.2输入/ 输出模块硬件设计  14
3.2.3 PC机与单片机通讯硬件设计   16
3.2.4 步进电机驱动电路设计以及常用模拟驱动电路介绍  18
4  XY运动控制系统软件开发    24
4.1 上位机软件的开发  24
VB开发简介  24
上位机程序    24
4.1.3 MSCOMM及PC机同51单片机的通信流程  26
4.2 下位机软件的开发   29
4.2.1下位机主程序流程图   30
4.2.2通信模块流程图及部分子程序   31
4.2.3键盘扫描模块流程图及部分子程序   32
4.2.4插补算法及部分子程序   32
4.2.5步进电机正反转模块   37
控制系统的改进意见及结论   40
致谢    41
参考文献     42
附录（程序及原理图）   43