二维运动平台控制系统

运动控制技术作为现今工业生产的关键组成部分，伴随着现代电子计算机技术和传感器技术的发展也有了前所未有的发展与进步。在数控领域，运动控制技术作为核心发挥着无可替代的作用。在学院以C语言教学作为主体的前提下，作为教学用的运动控制平台，利用STM32系列芯片既能满足控制需求也便于同学对控制过程的理解和吸收。 F000192
二维运动平台是利用运动控制系统理论，对平面图形如直线、圆弧等的轨迹实现。它通过运动控制器对平台上正交的两个轴上的步进电机利用脉冲信号进行控制，通过脉冲数、方向等信息的改变达到走出预定轨迹的目的。它的控制器是以STM32系列芯片为载体设计的，通过对单片机串口的一系列设置和应用发送控制信号。上位机由LabWindows/CVI组建而成，以C语言为编程语言的控制界面非常方便我们输入想要的控制指令。
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关键词：STM32  插补算法  步进电机  Labwindows
Motion control technology as a key component of modern industrial production , along with the development of modern computer technology and sensor technology has also been an unprecedented development and progress. In the field of CNC , motion control technology as the core plays an irreplaceable role. In college in C language teaching as the main premise , as a teaching platform with motion control using the control STM32 series chip can satisfy the needs of the students of the control process is also easy to understand and absorb.
Dimensional motion platform is the use of motion control system theory , the trajectory of plane figures such as lines, arcs, and other implementations. It is by the motion of the stepper     motor by the pulse control signals of two orthogonal axes on the platform is controlled by varying the number of pulses of the information , out of the object reaches a predetermined direction of the track . Itscontroller is based STM32 family of chips designed to support ,
through a series of single-chip serial port settings and applications send control signals. PC set up
by LabWindows / CVI is made to the programming language C language interface is very easy
to control the input control commands we want.
Key Words: STM32   Interpolation algorithm    Stepper motor   Labwindows
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1. 绪论    1
1.1 课题背景    1
1.2 二维运动控制系统简介    2
1.3 运动系统的控制方式    2
2.1 章节安排    3
2.二维运动平台硬件部分    4
2.1 硬件系统结构    4
2.2 STM32串口简介    4
2.2.1 数据发送与接收    5
2.3 系统控制电路组成    5
2.3.1 硬件限位电路    6
2.3.2 JTAG调试接口硬件原理    7
2.3 小结    7
3.数控插补算法原理    8
3.1 插补原理    8
3.1.1 逐点法比较插补    8
3.2 直线插补原理       9
3.4 圆弧插补原理       12
3.5 四象限圆弧插补    15
3.6 小结    17
4.二维运动平台系统软件设计    18
4.1 串口通讯    19
4.1.1 串口初始化    19
4.1.2 串口中断应用    19
4.1.3 数据处理    20
4.2 步进电机驱动    21
4.2.1 步进电机的控制参数    21
4.2.2 步进电机运动控制    21
4.3 数控插补软件实现    22
4.4 小结    26
5.上位机软件基本设置    27
5.1 LabWindows 介绍    27
5.1.1 LabWindows 简介    27
5.1.2 LabWindows的功能特点    27
5.2     RS-232C 接口与串口通讯    27
5.2.1 接口信号    28
5.3     上位机控制界面与串口通讯    28
5.3.1 编写界面，生成程序框架    28
5.3.2 串口编程并收发数据    29
5.4  整体调试    29
5.5  小结    30
结语    31
参考文献    32
致谢    33
附录    34
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1.1 课题背景
运动是每个物体特有的性质和存在形式，是每个物体固有的根本属性。没有物体不运动，也没有物体可以离开运动这个存在形式。与中文“运动”对应的英文词汇有"movement"和"motion"，按照大英百科全书的解释，运动是一个物休相对于另一个物体或相对于一个坐标系统的位置的变化，这是基于运动学的定义。运动涉及到整个宇宙万物，无论是遥远的天体还是物质内部最微小的质子和电子，实际上我所理解的整个科学领域其实都是在研究物质的运动。
本课题所应用到的运动和运动控制系统是近年来在工业生产的自动化领域中常用的一个技术术语，它是一种狭义并且约定俗成的认识。运动控制系统的主要研究领域是机械运动中所涉及到的力学、动力驱动学、机械学、运动参数和控制等理论知识。
随着电力电子技术的快速发展，微型计算机技术的广泛应用和新型的控制策略的提出，运动控制的面貌发生了巨大改变。我们通常描述的运动控制是指在复杂的环境条件下，机械将预先设定好的控制方案和规划指令转化成需要的机械运动。运动控制可以使被控系统达到精确的位置控制、速度加速度控制、力或者转矩的控制，以及涉及到这些因素的综合系统控制。其中，最典型的运动控制应用就是数控机床、机器人等，这些是力学、材料学、机械学、电子计算机和信息自动化等技术学科的综合体现。
按照使用的动力来源不同，我们可以讲运动控制分为三大类：气动控制、液压控制和电气控制。电气作为动力源实行运动控制更易于实现与微型计算机两相配合的优点，所以它一般被广泛的应用在在中小功率的运动控制系统中。而基于电气技术的运动控制系统可以综合电机控制技术、传感器技术、电力电子技术、微电子技术、自动控制和微机应用等的最新的发展成果。运动控制是一种多学科交叉的技术，每一个学科的发展都会带领运动控制技术向前迈进一大步，它的技术进步是日新月异的。
运动控制脱胎于初始的伺服控制。它是对机械的运动部件的点位、适量方向等的数据进行实时控制，控制被控制对象按照初设定的运动轨迹和给定的参数进行运动。运动控制技术一般主要应用在数控技术和工业工厂自动化等领域。最初的运动控制可以独立运行，系统自主完成所需的运动控制功能要求并达成其他附属功能和一些基本的人机交互。这些就是简单的独立运动控制器。这类控制器主要应用在数控机械和一些其他的自动化设备上。
运动控制技术研究的基础之一就是电机驱动技术的研究。科学技术的日益发展带领运动控制技术逐渐形成一门交互多门学科的综合的科学技术。此次教学用二维运动控制系统就是通过对步进电机的驱动器等进行控制，使达到预订的运动轨迹目标。
1.2 二维运动控制系统简介
二维运动控制系统的功能目标是机械平台上正交运动导轨多个坐标之间的运动以及一些运动参数的协调处理。导轨上步进电机的转动速度以一定的速度和平率来进行运动协调。所有这些包括：动点的位置、速度、方向等的控制都主要通过步进电机以及电机驱动器、运动控制器等来实现
运动控制系统的控制源于系统中上级位的操作指令，例如在恒定速度的控制系统中，上级地位的操作指令就是速度给定，伺服系统中，上级地位的操作指令就是速度时间曲线，也可以是一条定位指令或一条运动轨迹。上级操作一般是被称之为主控制器的智能装置，如单片机控制器。
下图的二维运动控制平台系统中，控制信号通过驱动器控制步进电机转动，后由反馈装置传输给控制器，矫正下一步的运动使运动控制器按照设定的目标向机械结构中的步进电机发出脉冲指令以使其运动。如此可以形成闭环，系统按照给定的参数信息达成期望的运动效果。
运动控制系统结构   
上位机   控制器    驱动器   步进电机     反馈     机械平台 
图1.2 运动控制系统结构图
1.3 运动系统的控制方式
开环控制系统指的是不需要后线测量系统输出，并且不需要对输出内容做出反应的一种控制技术，最常见的开环控制系统就是基于步进电机的运动控制系统。闭环控制指的是将测量系统输出与输入给定值相比较，并采用正确的行动以获得期望的输出结果。闭环的系统中必不可少一个称为控制器的装置。
闭环运动控制系统一般的跟随着某种特定的控制目标进行的，比如有位置控制、速度加速度控制和转矩角控制等等。其中，位置控制就是将负载从一个确定的平面位置根据设定好的轨迹移动到另一个确定的平面位置的控制方式，此次的教学用二维运动控制平台系统就是典型的位移控制系统的应用。
除了开环闭环控制，在运动控制系统中可以采用其他的控制策略，如前馈控制可以对误差的预测改善控制性能，模糊控制和神经网络控制等都可以运用到运动控制系统中。
1.4 章节安排
本论文在广泛的查阅和借鉴了国内外专家学者对运动控制系统的研究，结合毕业设计的实际完成了二维运动控制平台软件部分的工作。本论文共五章，主要内容有：
第一章 简要介绍了本课题的研究背景与运动控制系统的原理和控制方法。
第二章 二维运动平台的部分硬件组成。
第三章 系统的介绍插补算法的原理，重点介绍直线插补和圆弧插补的工作原理。
第四章 二维运动平台的软件部分。
第五章 制作上位机控制软件并完成串口通讯，整合上下位机实现目标。
第六章 全文总结。 查看完整请+Q:351916072获取

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