步进电机一体化控制系统范文10篇

摘要:本文应用单片机、步进电机驱动芯片、字符型LCD和键盘阵列，构建了集步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。二维工作台作为被控对象通过步进电机驱动滚珠丝杆在X/Y轴方向联动。文中讨论了一种以最少参数确定一条圆弧轨迹的插补方法和步进电机变频调速的方法。步进电机控制系统的开发采用了软硬件协同仿真的方法，可以有效地减少系统开发的周期和成本。最后给出了步进电机控制系统的应用实例。

关键词:步进电机控制系统，插补算法，变频调速，软硬件协同仿真

1引言

作为一种数字伺服执行元件，步进电机具有结构简单、运行可靠、控制方便、控制性能好等优点，广泛应用在数控机床、机器人、自动化仪表等领域。为了实现步进电机的简易运动控制，一般以单片机作为控制系统的微处理器，通过步进电机专用驱动芯片实现步进电机的速度和位置定位控制。

2圆弧插补改进算法

逐点比较插补算法因其算法简单、易实现且最大误差不超过一个脉冲当量，在步进电机的位置控制中应用的相当广泛[1]。圆弧插补中，为了确定一条圆弧的轨迹，可采用：给出圆心坐标、起点坐标和终点坐标;给出半径、起点和终点坐标;给出圆弧的三点坐标等。在算法实现时这些参数若要存放在单片机内部资源有限的数据存储器（RAM）中，如果要经过复杂的运算才能确定一段圆弧，不但给微处理器带来负担，而且要经过多步运算，往往会影响到算法的精确度。因此选取一种简单且精确度高的插补算法是非常必要的。本文提出了一种改进算法：在圆弧插补中，无论圆弧在任何位置，是顺圆或是逆圆，都以此圆弧的圆心作为原点来确定其他坐标。因此只须给出圆弧的起点坐标和圆弧角度就可以确定该圆弧。如果一个轴坐标用4个字节存储（如12.36），而角度用2个字节存储（如45°），则只需要10个字节即可确定一段二维的圆弧。较之起其他方法，最多可节省14个存储单元。现以第I象限逆圆弧为例，计算其终点坐标。如图1所示，（X0，Y0）为圆弧的起点坐标，（Xe，Ye）为圆弧的终点坐标，θ为圆弧的角度。

1圆弧插补改进算法

逐点比较插补算法因其算法简单、易实现且最大误差不超过一个脉冲当量，在步进电机的位置控制中应用的相当广泛[1]。圆弧插补中，为了确定一条圆弧的轨迹，可采用：给出圆心坐标、起点坐标和终点坐标;给出半径、起点和终点坐标;给出圆弧的三点坐标等。在算法实现时这些参数若要存放在单片机内部资源有限的数据存储器（RAM）中，如果要经过复杂的运算才能确定一段圆弧，不但给微处理器带来负担，而且要经过多步运算，往往会影响到算法的精确度。因此选取一种简单且精确度高的插补算法是非常必要的。本文提出了一种改进算法：在圆弧插补中，无论圆弧在任何位置，是顺圆或是逆圆，都以此圆弧的圆心作为原点来确定其他坐标。因此只须给出圆弧的起点坐标和圆弧角度就可以确定该圆弧。如果一个轴坐标用4个字节存储（如12.36），而角度用2个字节存储（如45°），则只需要10个字节即可确定一段二维的圆弧。较之起其他方法，最多可节省14个存储单元。现以第I象限逆圆弧为例，计算其终点坐标。如图1所示，（X0，Y0）为圆弧的起点坐标，（Xe，Ye）为圆弧的终点坐标，θ为圆弧的角度。

图1圆弧轨迹示意图

圆弧半径：，

终点坐标：

终点坐标相对X轴的角度：

本毕业设计课题是属于教师拟定性课题，主要是研究基于单片机的对步进电机的有效控制。步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件，每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。

步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。

Abstract

Thisarticlemainlyelaboratedhasbeenhangingthemovementcontrolsystemmerit,introducedwashangingthemovementcontrolsystemfunction,theprincipleandthedesignprocess.Ishangingthemovementcontrolsystemisoneofincontrolengineeringdomainimportantapplications,itsmaintargetistoiscontrolledtheobjectthemovementcondition,includingpath,speedandpositionimplementationcheck.Themovementcontrolsystemcompareswithothercontrolsystems,hasthesystemmodelsimply,thecheckalgorithmisunitary,alsonotcomplexcharacteristicandsoonnon-linearityandcouplingsituation.Alsoispreciselybecausethemovementcontrolsystemcanimplementtothepath,therunningrate,thepointingaccuracyaswellastherepetitionprecisionaccuracycontrolrequirement,hasthebroadapplicationforegroundineachcategoryofcontrolengineering,thereforethemovementcontrolsystemhasatpresentbecomeinthecheckstudyapplicationdomainverymuchsignificanttheresearchdirection.Throughthemonolithicintegratedcircuittosteppingmonitorcheck,implementedthemotor-driventocausetheobjectatontheboardwhichinclinedthemovement,ThecontrolsectionistheSST89E52monolithicmicrocomputerwhichSSTCorporationproducesprimarily,withwhenthe1602LCDliquidcrystalscreenandaccordingtoturnedhasimplementedwiththeuserinteractive,throughthekeyboardentrydifferentcontrolcommand,theliquid-crystaldisplaywasallowedtodisplaythesettingvalueandtherunthecoordinates.TheelectricalmachinerycontrolsectionusedLM324Nfourtotransportputsandisconnectedtheelectronicprimarydevicevoluntarilytodevelopthe42BYG205steppingmonitoractuationelectriccircuittoimplementtheelectricalmachineryaccuracycontrol.Thealgorithmpartiallyforwillsuitthemonolithicintegratedcircuitsystemtooperatecarriesonoptimizesmanytimes,willreducethemicroprocessortheoperand.Hascompletedtheobjectvoluntarilythemovementandaccordingtothedifferentsetuppathmovement.

KeywordsMagneto;1602LCD;LM324N;Drivecircuit

选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大[1]。

摘要：信息时代的高新技术流向传统产业，引起后者的深刻变革。作为传统产业之一的机械工业，在这场新技术革命冲击下，产品结构和生产系统结构都发生了质的跃变，微电子技术、微计算机技术使信息和智能与机械装置和动力设备相结合，促使机械工业开始了一场大规模的机电一体化技术革命……

关键词：运动控制系统上位控制单元方案

信息时代的高新技术流向传统产业，引起后者的深刻变革。作为传统产业之一的机械工业，在这场新技术革命冲击下，产品结构和生产系统结构都发生了质的跃变，微电子技术、微计算机技术使信息和智能与机械装置和动力设备相结合，促使机械工业开始了一场大规模的机电一体化技术革命。随着计算机电子电力和传感器技术的发展，各先进国家机电一体化产品层出不穷。机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、冶金机械、化工机械以及工业机器人、智能机器人等许多门类产品每年都有新的进展。机电一体化技术已越来越受到各方面的关注，它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的作用。在机电一体化技术迅速发展的同时，运动控制技术作为其关键组成部分，也得到前所未有的大发展。

在一个运动控制系统中“上位控制”和“执行机构”是系统中举足轻重的两个组成部分。“执行机构”部分一般不外乎：步进电机，伺服电机，以及直流电机等。它们作为执行机构，带动刀具或工件动作，我们称之为“四肢”；“上位控制”单元的方案主要有四种：单片机系统，专业运动控制PLC，PC+运动控制卡，专用控制系统。“上位控制”是“指挥”执行机构动作的，我们也称之为“大脑”。以下，我们将分述系统中的“大脑”中的各个部分，并详尽地论述“PC+运动控制卡”方案。

一、用单片机系统来实现运动控制。

此系统由单片机芯片、外围扩展芯片以及通过搭建外围电路组成。在“位置控制”方式时，通过单片机的I/O口发数字脉冲信号来控制执行机构行走；“速度控制”方式时，需加D/A转换模块输出模拟量信号达到控制。此方案优点在于成本较低，但由于一般单片机I/O口产生脉冲频率不高，对于分辨率高的执行机构尤其是对于控制伺服电机来说，存在速度达不到，控制精度受限等缺点。对于运动控制复杂的场合，例如升降速的处理，多轴联动，直线、圆弧插补等功能实现起来都需要自己编写算法，这必将带来开发起来难度较大，研发周期较长，调试过程烦琐，系统一旦定型不太容易扩充功能、升级、柔性不强等问题。因此这种方案一般适用于产品批量较大、运动控制系统功能简单、且有丰富的单片机系统开发经验的用户。

【摘要】当前通过PLC来实现生产线的自动化控制应用已经非常成熟，以PLC为中心，加上光电传感检测及变频驱动或伺服驱动，构建自动化控制的一体化系统，能提高自动化控制的精度，从而提高生产效率和产品质量。文章基于PLC设计了一套工艺较复杂的自动控制一体化系统，从设计思路到系统实现两个方面进行阐述，用PLC分段多级控制各工序，用光电技术进行检测，用气动机械手及机器人进行驱动，实现一套小型生产线的上料、灌装、分拣、检测、分类、包装和入库等全智能自动化控制过程，并通过实物组建、安装及调试运行。

【关键词】PLC；光机电一体化技术；自动控制

随着PLC、传感器和机器人技术的深入应用，作为一门光学、微电子学、计算机信息、自动控制技术和机械制造及其他相关技术交叉与融合的综合性高新技术，光机电一体化自动控制在生产实际中得到迅猛发展。本文利用光机电一体化技术和机器人技术，设计了一套控制精度较高的自动控制一体化实训系统，能够完成产品的分拣、检测、运输及入库等功能。

1设计思路

1.1设计总思路

光机电一体化技术的特征是在机电一体化概念的基础上，强调光、光电子、激光和光纤通信等技术的作用，属于应用领域更为宽阔的机电一体化技术。与传统的机械产品相比较，光机电一体化产品具有体积小、成本低、高精度、多功能、柔性化、智能化、高可靠性、高稳定性、应用范围广等优点。光机电一体化控制系统一般包括本体机械部分、计算机控制部分、执行装置和驱动部分、传感器4个部分[1]。在对自动化控制系统开展设计之前，首先分析工件加工、运输等工艺过程，从而确定设计目标、功能要素和功能模块，拟定系统总体设计方案，划分成各个分系统模块的功能需求，根据分系统功能需求设计分系统实现方案，并对各种方案进行可行性评价，考虑工效实用性、可靠性、稳定性及人机安全性等各种相关因素，最终确定最优方案。

一、改造原理及改造方案

1.改造原理

目前，数控系统种类繁多，按数控系统的性能价格比分为：经济型数控系统、标准型数控系统、全功能型数控系统和特殊型数控系统四大类产品。

经济型数控系统也称简易数控系统（simplenumericalcontrolsystem）。其特点是价格便宜、精度适中、功能简化、针对性强，比较适用于老设备技朮改造和产品更新。

标准型数控系统的特点是功能较全，价格适中，适用于中档的数控机床，应用较广。

多功能型数控系统的特点是功能齐全，价格较贵。适用于加工复杂零件的大中型机床以及FMS、CIMS中使用的数控机床。

一、改造原理及改造方案

1.改造原理

目前，数控系统种类繁多，按数控系统的性能价格比分为：经济型数控系统、标准型数控系统、全功能型数控系统和特殊型数控系统四大类产品。

经济型数控系统也称简易数控系统（simplenumericalcontrolsystem）。其特点是价格便宜、精度适中、功能简化、针对性强，比较适用于老设备技朮改造和产品更新。

标准型数控系统的特点是功能较全，价格适中，适用于中档的数控机床，应用较广。

多功能型数控系统的特点是功能齐全，价格较贵。适用于加工复杂零件的大中型机床以及FMS、CIMS中使用的数控机床。

摘要：近些年，我国经济发展十分迅速，而科学技术在其中发挥重要的作用。其中电工新技术水平的提高促进了机电一体化的发展，各国都正在积极推出机电一体化产品。所以电工新技术在机电一体化中的应用受到各方面的广泛关注。为了进一步促进电工新技术在机电一体化中的广泛应用，文章将首先对电子新技术进行深入的分析，在此基础上详细阐述电工新技术在机电一体化中的应用情况，以提供借鉴。

关键词：电工新技术；机电一体化；自动控制技术；应用

电工新技术对机电一体的发展有着重要的作用，能够为机电一体化技术提供各种各样的产品，逐渐丰富的机电一体化产品，对于机电一体化事业的发展有着积极的促进作用。所以要重视对电工新技术的开发，充分发挥电工新技术的基本功能，将电工新技术与机电一体化技术有机结合在一起，保障机电一体化产品处于稳定的生产环境中，提高机电产品的工作的质量和工作效率，最终实现更好地节约能源的目的，以将机电一体化事业推向一个高峰。为此要深入了解电工新技术的基本概念和未来的前景，积极促进电工新技术在机电一体化中的应用。

1电工新技术分析

1.1电工新技术发展和应用的作用

目前，电工新技术已经形成一定的规模，电工新技术几乎可以应用到各个领域，其本身的应用范围很广，在可再生能源发电技术、轨道交通及电动车、医学诊疗技术、机电一体化技术等方面都有重要的应用价值和发展前景.电工新技术的应用极大地促进了我国生产力的发展，使我国的国民经济更加快速稳定。总之，近几年电工新技术虽然没有信息技术发展的迅速，但是本身具有巨大发展潜力，对于我国生活中的各个方面都有积极的影响，可以极大地提高人民的生活质量，提高我国的科学技术水平。所以，要积极促进电工新技术在机电一体化中的应用，充分发挥其经济优越性和实用性。

1PLC技术及机电一体化基本概念

PLC（ProgrammableLogicalController）为可编程序逻辑控制器的简称，指的是一种采用可编程的存储器，用于控制器内部程序的相应指令，并通过相应生产指令来控制不同类型的机械设备或生产过程的一种技术。PLC技术以微型处理设备为依托，统筹计算机技术、自动控制技术以及通信技术三者协调发展的工业技术。可编程逻辑控制器的主要结构有电源、CPU（中央处理单元）、存储器、输入输出接口电路及某些具体的功能模块和通信模块构成。[1]根据PLC的组成结构，可以分为整体式和模块式。用于教学过程中的三菱FX2N系列PLC、西门子S7-200PLC等都属于整体式的小型PLC装置。[2]机电一体化又称机械电子学，可有效地实现机械装置、电子化设计以及软件的结合。[3]PLC技术在工业应用中因使用方便、编程简单、性价比较高、硬件配套齐全、适应性强等特点，在机电一体化中得到了广泛的应用。各行各业的生产装备设计、制造以及后期维护都与机电一体化专业知识息息相关。目前教学过程中最能体现我国机电一体化水平的是智能机器人。机器人作为人工智能及神经网络技术的载体，其中可编程逻辑控制器在机器人的运动控制、开关逻辑控制等方面有着不可替代的地位。

2三菱PLC在机电一体化中的应用分析

随着工业进程的不断加快，我国工业自动化程度越来越高，对工业应用中的PLC开关逻辑控制技术、PLC数据处理技术等的要求越来越高。三菱PLC是大连三菱电机生产的产品,目前在市场上拥有较高的占有率，由于优异的性能在工业中应用广泛。2.1位置控制。位置控制是目前工业进城过程中比较重要的方面，在工业生产中发挥着非常重要的作用。三菱PLC应用于机电一体化的位置控制体现在可应用可编程逻辑控制器对步进电机进行智能控制，使工业生产过程中的步进电机绕组发出符合生产需求的脉冲信号，从而对步进电机进行合理定位，进一步对步进电机实现有效地圆周运动、直线运动等位置控制指令。[4]三菱PLC在机电一体化中的应用主要是通过某个单独的输入输出模块完成，具有强大的抗干扰能力和可靠性等优点，并能保证工业设备的安全、稳定运行。2.2开关逻辑控制。三菱PLC在机电一体化中的开关逻辑控制也是其PLC应用较为广泛的一个方面。PLC技术的出现使传统的电气电路逐渐退出了历史的舞台，在工业智能化进程中广泛应用,有效地实现了在机电一体化中开关量的逻辑控制。三菱PLC既可实现对工业设备的单独控制，又可实现集群控制，可满足工业一体化中的多重应用需求，在印刷机、各种生产应用流水线中应用广泛。将三菱PLC技术引入CNC机床数控系统中体现出优越的数据处理性能和图像显示性能，并能很好地完成逻辑处理任务。另外，PLC技术与CNC机床数控装置的的连接可实现开关逻辑控制电路的高可靠性，特别在对经济性要求较高的数控机床、数控机床改造等方面，三菱PLC体现出极大的优势，发展空间广阔。2.3数据处理。随着科学发展速度的加快以及计算机技术的普遍应用，三菱PLC技术也在不断拓展自身功能。目前三菱PLC的计算功能主要包括逻辑运算、矩阵以及函数运算等众多方式，运用计算功能对数据处理主要有数据检索、数据采集、数据存储空间和数据的模数转换等方面。PLC体现出来的优点在于可在工作过程中将采集得到的数据与自身存储器中原始数据进行比较，进而完成对采集数据的处理。PLC作为可编程逻辑控制器，因其不单单为简单的编辑器，还存在存储空间，在数据丢失时还可提供紧急数据备份，这在日常生活中是非常实用的。除此之外，三菱PLC的数据处理功能在大型机电控制系统中应用十分广泛，大多数食品工业中的数据处理采用的均为三菱PLC技术。2.4通信模块。PLC中的通信模块目前也是在机电一体化中应用较多的一个方面。PLC中的通信模块可同时满足相同PLC产品之间的通信，也可为不同设备之间的相互通信提供很大的便利。三菱PLC在不断进行技术革新的过程中，还推出特有的PLC通信系统网络，只有产品拥有相同网络协议的通信接口，便可十分便利的进行有效通信。随着工业生产自动控制水平的不断提高，PLC的通信模块的通用化程度也会逐渐普及。

3结语

三菱PLC在位置控制、开关逻辑控制、数据处理等方面优势明显，目前三菱PLC的产品规模正朝着极大、极小的方向发展，大规模产品的输入输出口可达到14336个，小规模的产品正朝着模块化方向发展。从产品结构来看，三菱PLC的产品构成模块及比例构成在不断更新，各种专有模块不断出现。在我国经济结构转型升级过程中，PLC技术将会成为引领我国科技发展不断进步的强大引导力，在机电一体化中应用越来越广泛。

1自动化设备的应用

1.1人机界面。随着技术的不断进步，新技术在纺织机械上的使用也越来越多，人机交互界面的使用量和技术含量也在不断的提高。很多技术含量相对较高的纺织机械已经使用了触屏人机界面，譬如精梳机、数控细纱机等等。人机界面的普及使得纺织机械的操作更加简易，使得生产效率和质量都有很大的提高。1.2PLC的普及。青花、并条、并纱、浆纱等等都已经基本完成了PLC的普及工作，这使得纺织机械在技术上已经完成了传统的人工操作、人工控制向机电一体化转变工作的基本完成。PLC的普及使得纺织机械不再需要进行人工校准，使得大量复杂的控制过程变得更加简单，使得生产过程当中劳动者的体力消耗大量减轻，从而促使生产效率和产量都有极大的提升。PLC的普及和不断的技术革新，使得生产成本也有很大的降低，从而使得纺织机械自身的制造成本也随之降低。1.3交流伺服系统。交流伺服系统在纺织机械上的应用使得纺织机械的整体技术水平有了很大的提高，设备性能也随着技术水平的提高而变得越来越好。交流伺服系统使得纺织机械的精度变得越来越好，在很大程度上解决了传统机械的精度不够问题。相关设备生产出来的纺织产品，无论是次品率还是合格品的整体质量都要远远大于没有应用交流伺服系统的机械。1.4步进电机系统。步进电机的定位精度非常高，并且其转子惯量低以及没有累积误差的特点对于纺织产业来说非常重要，其控制简单的特点也非常利于其完成普及工作。因此，交流电机系统已经成为了现代纺织机械当中比不可少的一部分，是现代纺织机械机电一体化进程当中非常有代表性的一环。

2新技术的应用

2.1PCC的应用

当前应用最多、最广的控制器还是PLC，这类设备的应用无论是在输入、输出还是在实时监控功能上都非常适合应用于生产车间当中。但是随着PLC技术近年来更新速度的减缓，很多问题都不断的衍生出来。当前PLC的革新主要体现在其灵活性的改进上，其扩展性和监控能力的联接也有所提高。但是由于现代社会信息化生产的要求越来越强烈，传统模式已经暴露除了很多的问题，尤其是在生产效率上，传统PLC技术虽然仍能满足于当前阶段的生产需求，但面对着越来越高的要求，传统PLC机械也只能用数量来弥补。因此PCC这种在PLC基础上研发出现的系统便应运而生。PCC利用PC微处理器技术的优点，将其与现场的总线相连接，PCC可以应用到组网当中，具有很强的灵活性。同时，PCC系统平台也具有很强的开放性，能够在操作时进行多种复杂的控制。

2.2以PC为基础开发的控制系统