步進電機一體化控制系統范文10篇

摘要:本文應用單片機、步進電機驅動芯片、字符型LCD和鍵盤陣列，構建了集步進電機控制器和驅動器為一體的步進電機控制系統。二維工作臺作為被控對象通過步進電機驅動滾珠絲桿在X/Y軸方向聯動。文中討論了一種以最少參數確定一條圓弧軌跡的插補方法和步進電機變頻調速的方法。步進電機控制系統的開發采用了軟硬件協同仿真的方法，可以有效地減少系統開發的周期和成本。最后給出了步進電機控制系統的應用實例。

關鍵詞:步進電機控制系統，插補算法，變頻調速，軟硬件協同仿真

1引言

作為一種數字伺服執行元件，步進電機具有結構簡單、運行可靠、控制方便、控制性能好等優點，廣泛應用在數控機床、機器人、自動化儀表等領域。為了實現步進電機的簡易運動控制，一般以單片機作為控制系統的微處理器，通過步進電機專用驅動芯片實現步進電機的速度和位置定位控制。

2圓弧插補改進算法

逐點比較插補算法因其算法簡單、易實現且最大誤差不超過一個脈沖當量，在步進電機的位置控制中應用的相當廣泛[1]。圓弧插補中，為了確定一條圓弧的軌跡，可采用：給出圓心坐標、起點坐標和終點坐標;給出半徑、起點和終點坐標;給出圓弧的三點坐標等。在算法實現時這些參數若要存放在單片機內部資源有限的數據存儲器（RAM）中，如果要經過復雜的運算才能確定一段圓弧，不但給微處理器帶來負擔，而且要經過多步運算，往往會影響到算法的精確度。因此選取一種簡單且精確度高的插補算法是非常必要的。本文提出了一種改進算法：在圓弧插補中，無論圓弧在任何位置，是順圓或是逆圓，都以此圓弧的圓心作為原點來確定其他坐標。因此只須給出圓弧的起點坐標和圓弧角度就可以確定該圓弧。如果一個軸坐標用4個字節存儲（如12.36），而角度用2個字節存儲（如45°），則只需要10個字節即可確定一段二維的圓弧。較之起其他方法，最多可節省14個存儲單元。現以第I象限逆圓弧為例，計算其終點坐標。如圖1所示，（X0，Y0）為圓弧的起點坐標，（Xe，Ye）為圓弧的終點坐標，θ為圓弧的角度。

1圓弧插補改進算法

逐點比較插補算法因其算法簡單、易實現且最大誤差不超過一個脈沖當量，在步進電機的位置控制中應用的相當廣泛[1]。圓弧插補中，為了確定一條圓弧的軌跡，可采用：給出圓心坐標、起點坐標和終點坐標;給出半徑、起點和終點坐標;給出圓弧的三點坐標等。在算法實現時這些參數若要存放在單片機內部資源有限的數據存儲器（RAM）中，如果要經過復雜的運算才能確定一段圓弧，不但給微處理器帶來負擔，而且要經過多步運算，往往會影響到算法的精確度。因此選取一種簡單且精確度高的插補算法是非常必要的。本文提出了一種改進算法：在圓弧插補中，無論圓弧在任何位置，是順圓或是逆圓，都以此圓弧的圓心作為原點來確定其他坐標。因此只須給出圓弧的起點坐標和圓弧角度就可以確定該圓弧。如果一個軸坐標用4個字節存儲（如12.36），而角度用2個字節存儲（如45°），則只需要10個字節即可確定一段二維的圓弧。較之起其他方法，最多可節省14個存儲單元。現以第I象限逆圓弧為例，計算其終點坐標。如圖1所示，（X0，Y0）為圓弧的起點坐標，（Xe，Ye）為圓弧的終點坐標，θ為圓弧的角度。

圖1圓弧軌跡示意圖

圓弧半徑：，

終點坐標：

終點坐標相對X軸的角度：

本畢業設計課題是屬于教師擬定性課題，主要是研究基于單片機的對步進電機的有效控制。步進電機是一種能將數字輸入脈沖轉換成旋轉或直線增量運動的電磁執行元件，每輸入一個脈沖電機轉軸步進一個步距角增量。電機總的回轉角與輸入脈沖數成正比例，相應的轉速取決于輸入脈沖頻率。

步進電機是機電一體化產品中關鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進電機慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點。廣泛應用于機電一體化產品中，如：數控機床、包裝機械、計算機外圍設備、復印機、傳真機等。

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

選擇步進電機時，首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率。而在選用功率步進電機時，首先要計算機械系統的負載轉矩，電機的矩頻特性能滿足機械負載并有一定的余量保證其運行可靠。在實際工作過程中，各種頻率下的負載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內。一般地說最大靜力矩Mjmax大的電機，負載力矩大[1]。

摘要：信息時代的高新技術流向傳統產業，引起后者的深刻變革。作為傳統產業之一的機械工業，在這場新技術革命沖擊下，產品結構和生產系統結構都發生了質的躍變，微電子技術、微計算機技術使信息和智能與機械裝置和動力設備相結合，促使機械工業開始了一場大規模的機電一體化技術革命……

關鍵詞：運動控制系統上位控制單元方案

信息時代的高新技術流向傳統產業，引起后者的深刻變革。作為傳統產業之一的機械工業，在這場新技術革命沖擊下，產品結構和生產系統結構都發生了質的躍變，微電子技術、微計算機技術使信息和智能與機械裝置和動力設備相結合，促使機械工業開始了一場大規模的機電一體化技術革命。隨著計算機電子電力和傳感器技術的發展，各先進國家機電一體化產品層出不窮。機床、汽車、儀表、家用電器、輕工機械、紡織機械、包裝機械、印刷機械、冶金機械、化工機械以及工業機器人、智能機器人等許多門類產品每年都有新的進展。機電一體化技術已越來越受到各方面的關注，它在改善人民生活、提高工作效率、節約能源、降低材料消耗、增強企業競爭力等方面起著極大的作用。在機電一體化技術迅速發展的同時，運動控制技術作為其關鍵組成部分，也得到前所未有的大發展。

在一個運動控制系統中“上位控制”和“執行機構”是系統中舉足輕重的兩個組成部分。“執行機構”部分一般不外乎：步進電機，伺服電機，以及直流電機等。它們作為執行機構，帶動刀具或工件動作，我們稱之為“四肢”；“上位控制”單元的方案主要有四種：單片機系統，專業運動控制PLC，PC+運動控制卡，專用控制系統。“上位控制”是“指揮”執行機構動作的，我們也稱之為“大腦”。以下，我們將分述系統中的“大腦”中的各個部分，并詳盡地論述“PC+運動控制卡”方案。

一、用單片機系統來實現運動控制。

此系統由單片機芯片、外圍擴展芯片以及通過搭建外圍電路組成。在“位置控制”方式時，通過單片機的I/O口發數字脈沖信號來控制執行機構行走；“速度控制”方式時，需加D/A轉換模塊輸出模擬量信號達到控制。此方案優點在于成本較低，但由于一般單片機I/O口產生脈沖頻率不高，對于分辨率高的執行機構尤其是對于控制伺服電機來說，存在速度達不到，控制精度受限等缺點。對于運動控制復雜的場合，例如升降速的處理，多軸聯動，直線、圓弧插補等功能實現起來都需要自己編寫算法，這必將帶來開發起來難度較大，研發周期較長，調試過程煩瑣，系統一旦定型不太容易擴充功能、升級、柔性不強等問題。因此這種方案一般適用于產品批量較大、運動控制系統功能簡單、且有豐富的單片機系統開發經驗的用戶。

【摘要】當前通過PLC來實現生產線的自動化控制應用已經非常成熟，以PLC為中心，加上光電傳感檢測及變頻驅動或伺服驅動，構建自動化控制的一體化系統，能提高自動化控制的精度，從而提高生產效率和產品質量。文章基于PLC設計了一套工藝較復雜的自動控制一體化系統，從設計思路到系統實現兩個方面進行闡述，用PLC分段多級控制各工序，用光電技術進行檢測，用氣動機械手及機器人進行驅動，實現一套小型生產線的上料、灌裝、分揀、檢測、分類、包裝和入庫等全智能自動化控制過程，并通過實物組建、安裝及調試運行。

【關鍵詞】PLC；光機電一體化技術；自動控制

隨著PLC、傳感器和機器人技術的深入應用，作為一門光學、微電子學、計算機信息、自動控制技術和機械制造及其他相關技術交叉與融合的綜合性高新技術，光機電一體化自動控制在生產實際中得到迅猛發展。本文利用光機電一體化技術和機器人技術，設計了一套控制精度較高的自動控制一體化實訓系統，能夠完成產品的分揀、檢測、運輸及入庫等功能。

1設計思路

1.1設計總思路

光機電一體化技術的特征是在機電一體化概念的基礎上，強調光、光電子、激光和光纖通信等技術的作用，屬于應用領域更為寬闊的機電一體化技術。與傳統的機械產品相比較，光機電一體化產品具有體積小、成本低、高精度、多功能、柔性化、智能化、高可靠性、高穩定性、應用范圍廣等優點。光機電一體化控制系統一般包括本體機械部分、計算機控制部分、執行裝置和驅動部分、傳感器4個部分[1]。在對自動化控制系統開展設計之前，首先分析工件加工、運輸等工藝過程，從而確定設計目標、功能要素和功能模塊，擬定系統總體設計方案，劃分成各個分系統模塊的功能需求，根據分系統功能需求設計分系統實現方案，并對各種方案進行可行性評價，考慮工效實用性、可靠性、穩定性及人機安全性等各種相關因素，最終確定最優方案。

一、改造原理及改造方案

1.改造原理

目前，數控系統種類繁多，按數控系統的性能價格比分為：經濟型數控系統、標準型數控系統、全功能型數控系統和特殊型數控系統四大類產品。

經濟型數控系統也稱簡易數控系統（simplenumericalcontrolsystem）。其特點是價格便宜、精度適中、功能簡化、針對性強，比較適用于老設備技朮改造和產品更新。

標準型數控系統的特點是功能較全，價格適中，適用于中檔的數控機床，應用較廣。

多功能型數控系統的特點是功能齊全，價格較貴。適用于加工復雜零件的大中型機床以及FMS、CIMS中使用的數控機床。

一、改造原理及改造方案

1.改造原理

目前，數控系統種類繁多，按數控系統的性能價格比分為：經濟型數控系統、標準型數控系統、全功能型數控系統和特殊型數控系統四大類產品。

經濟型數控系統也稱簡易數控系統（simplenumericalcontrolsystem）。其特點是價格便宜、精度適中、功能簡化、針對性強，比較適用于老設備技朮改造和產品更新。

標準型數控系統的特點是功能較全，價格適中，適用于中檔的數控機床，應用較廣。

多功能型數控系統的特點是功能齊全，價格較貴。適用于加工復雜零件的大中型機床以及FMS、CIMS中使用的數控機床。

摘要：近些年，我國經濟發展十分迅速，而科學技術在其中發揮重要的作用。其中電工新技術水平的提高促進了機電一體化的發展，各國都正在積極推出機電一體化產品。所以電工新技術在機電一體化中的應用受到各方面的廣泛關注。為了進一步促進電工新技術在機電一體化中的廣泛應用，文章將首先對電子新技術進行深入的分析，在此基礎上詳細闡述電工新技術在機電一體化中的應用情況，以提供借鑒。

關鍵詞：電工新技術；機電一體化；自動控制技術；應用

電工新技術對機電一體的發展有著重要的作用，能夠為機電一體化技術提供各種各樣的產品，逐漸豐富的機電一體化產品，對于機電一體化事業的發展有著積極的促進作用。所以要重視對電工新技術的開發，充分發揮電工新技術的基本功能，將電工新技術與機電一體化技術有機結合在一起，保障機電一體化產品處于穩定的生產環境中，提高機電產品的工作的質量和工作效率，最終實現更好地節約能源的目的，以將機電一體化事業推向一個高峰。為此要深入了解電工新技術的基本概念和未來的前景，積極促進電工新技術在機電一體化中的應用。

1電工新技術分析

1.1電工新技術發展和應用的作用

目前，電工新技術已經形成一定的規模，電工新技術幾乎可以應用到各個領域，其本身的應用范圍很廣，在可再生能源發電技術、軌道交通及電動車、醫學診療技術、機電一體化技術等方面都有重要的應用價值和發展前景.電工新技術的應用極大地促進了我國生產力的發展，使我國的國民經濟更加快速穩定。總之，近幾年電工新技術雖然沒有信息技術發展的迅速，但是本身具有巨大發展潛力，對于我國生活中的各個方面都有積極的影響，可以極大地提高人民的生活質量，提高我國的科學技術水平。所以，要積極促進電工新技術在機電一體化中的應用，充分發揮其經濟優越性和實用性。

1PLC技術及機電一體化基本概念

PLC（ProgrammableLogicalController）為可編程序邏輯控制器的簡稱，指的是一種采用可編程的存儲器，用于控制器內部程序的相應指令，并通過相應生產指令來控制不同類型的機械設備或生產過程的一種技術。PLC技術以微型處理設備為依托，統籌計算機技術、自動控制技術以及通信技術三者協調發展的工業技術。可編程邏輯控制器的主要結構有電源、CPU（中央處理單元）、存儲器、輸入輸出接口電路及某些具體的功能模塊和通信模塊構成。[1]根據PLC的組成結構，可以分為整體式和模塊式。用于教學過程中的三菱FX2N系列PLC、西門子S7-200PLC等都屬于整體式的小型PLC裝置。[2]機電一體化又稱機械電子學，可有效地實現機械裝置、電子化設計以及軟件的結合。[3]PLC技術在工業應用中因使用方便、編程簡單、性價比較高、硬件配套齊全、適應性強等特點，在機電一體化中得到了廣泛的應用。各行各業的生產裝備設計、制造以及后期維護都與機電一體化專業知識息息相關。目前教學過程中最能體現我國機電一體化水平的是智能機器人。機器人作為人工智能及神經網絡技術的載體，其中可編程邏輯控制器在機器人的運動控制、開關邏輯控制等方面有著不可替代的地位。

2三菱PLC在機電一體化中的應用分析

隨著工業進程的不斷加快，我國工業自動化程度越來越高，對工業應用中的PLC開關邏輯控制技術、PLC數據處理技術等的要求越來越高。三菱PLC是大連三菱電機生產的產品,目前在市場上擁有較高的占有率，由于優異的性能在工業中應用廣泛。2.1位置控制。位置控制是目前工業進城過程中比較重要的方面，在工業生產中發揮著非常重要的作用。三菱PLC應用于機電一體化的位置控制體現在可應用可編程邏輯控制器對步進電機進行智能控制，使工業生產過程中的步進電機繞組發出符合生產需求的脈沖信號，從而對步進電機進行合理定位，進一步對步進電機實現有效地圓周運動、直線運動等位置控制指令。[4]三菱PLC在機電一體化中的應用主要是通過某個單獨的輸入輸出模塊完成，具有強大的抗干擾能力和可靠性等優點，并能保證工業設備的安全、穩定運行。2.2開關邏輯控制。三菱PLC在機電一體化中的開關邏輯控制也是其PLC應用較為廣泛的一個方面。PLC技術的出現使傳統的電氣電路逐漸退出了歷史的舞臺，在工業智能化進程中廣泛應用,有效地實現了在機電一體化中開關量的邏輯控制。三菱PLC既可實現對工業設備的單獨控制，又可實現集群控制，可滿足工業一體化中的多重應用需求，在印刷機、各種生產應用流水線中應用廣泛。將三菱PLC技術引入CNC機床數控系統中體現出優越的數據處理性能和圖像顯示性能，并能很好地完成邏輯處理任務。另外，PLC技術與CNC機床數控裝置的的連接可實現開關邏輯控制電路的高可靠性，特別在對經濟性要求較高的數控機床、數控機床改造等方面，三菱PLC體現出極大的優勢，發展空間廣闊。2.3數據處理。隨著科學發展速度的加快以及計算機技術的普遍應用，三菱PLC技術也在不斷拓展自身功能。目前三菱PLC的計算功能主要包括邏輯運算、矩陣以及函數運算等眾多方式，運用計算功能對數據處理主要有數據檢索、數據采集、數據存儲空間和數據的模數轉換等方面。PLC體現出來的優點在于可在工作過程中將采集得到的數據與自身存儲器中原始數據進行比較，進而完成對采集數據的處理。PLC作為可編程邏輯控制器，因其不單單為簡單的編輯器，還存在存儲空間，在數據丟失時還可提供緊急數據備份，這在日常生活中是非常實用的。除此之外，三菱PLC的數據處理功能在大型機電控制系統中應用十分廣泛，大多數食品工業中的數據處理采用的均為三菱PLC技術。2.4通信模塊。PLC中的通信模塊目前也是在機電一體化中應用較多的一個方面。PLC中的通信模塊可同時滿足相同PLC產品之間的通信，也可為不同設備之間的相互通信提供很大的便利。三菱PLC在不斷進行技術革新的過程中，還推出特有的PLC通信系統網絡，只有產品擁有相同網絡協議的通信接口，便可十分便利的進行有效通信。隨著工業生產自動控制水平的不斷提高，PLC的通信模塊的通用化程度也會逐漸普及。

3結語

三菱PLC在位置控制、開關邏輯控制、數據處理等方面優勢明顯，目前三菱PLC的產品規模正朝著極大、極小的方向發展，大規模產品的輸入輸出口可達到14336個，小規模的產品正朝著模塊化方向發展。從產品結構來看，三菱PLC的產品構成模塊及比例構成在不斷更新，各種專有模塊不斷出現。在我國經濟結構轉型升級過程中，PLC技術將會成為引領我國科技發展不斷進步的強大引導力，在機電一體化中應用越來越廣泛。

1自動化設備的應用

1.1人機界面。隨著技術的不斷進步，新技術在紡織機械上的使用也越來越多，人機交互界面的使用量和技術含量也在不斷的提高。很多技術含量相對較高的紡織機械已經使用了觸屏人機界面，譬如精梳機、數控細紗機等等。人機界面的普及使得紡織機械的操作更加簡易，使得生產效率和質量都有很大的提高。1.2PLC的普及。青花、并條、并紗、漿紗等等都已經基本完成了PLC的普及工作，這使得紡織機械在技術上已經完成了傳統的人工操作、人工控制向機電一體化轉變工作的基本完成。PLC的普及使得紡織機械不再需要進行人工校準，使得大量復雜的控制過程變得更加簡單，使得生產過程當中勞動者的體力消耗大量減輕，從而促使生產效率和產量都有極大的提升。PLC的普及和不斷的技術革新，使得生產成本也有很大的降低，從而使得紡織機械自身的制造成本也隨之降低。1.3交流伺服系統。交流伺服系統在紡織機械上的應用使得紡織機械的整體技術水平有了很大的提高，設備性能也隨著技術水平的提高而變得越來越好。交流伺服系統使得紡織機械的精度變得越來越好，在很大程度上解決了傳統機械的精度不夠問題。相關設備生產出來的紡織產品，無論是次品率還是合格品的整體質量都要遠遠大于沒有應用交流伺服系統的機械。1.4步進電機系統。步進電機的定位精度非常高，并且其轉子慣量低以及沒有累積誤差的特點對于紡織產業來說非常重要，其控制簡單的特點也非常利于其完成普及工作。因此，交流電機系統已經成為了現代紡織機械當中比不可少的一部分，是現代紡織機械機電一體化進程當中非常有代表性的一環。

2新技術的應用

2.1PCC的應用

當前應用最多、最廣的控制器還是PLC，這類設備的應用無論是在輸入、輸出還是在實時監控功能上都非常適合應用于生產車間當中。但是隨著PLC技術近年來更新速度的減緩，很多問題都不斷的衍生出來。當前PLC的革新主要體現在其靈活性的改進上，其擴展性和監控能力的聯接也有所提高。但是由于現代社會信息化生產的要求越來越強烈，傳統模式已經暴露除了很多的問題，尤其是在生產效率上，傳統PLC技術雖然仍能滿足于當前階段的生產需求，但面對著越來越高的要求，傳統PLC機械也只能用數量來彌補。因此PCC這種在PLC基礎上研發出現的系統便應運而生。PCC利用PC微處理器技術的優點，將其與現場的總線相連接，PCC可以應用到組網當中，具有很強的靈活性。同時，PCC系統平臺也具有很強的開放性，能夠在操作時進行多種復雜的控制。

2.2以PC為基礎開發的控制系統