基于嵌入式实时系统的步进电机协同运动控制系统设计与实现

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1、类号：密级：UDC：编号：河北工业大学硕士学位论文基于嵌入式实时系统的步进电机协同运动控制系统设计与实现论文作者：王燕东学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：通信与信息系统指导教师：马杰职称：教授DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofCommunicationandInformationSystemSystemdesignandimplementationofStepperMotorControllerbasedonembeddedreal-timesyst

2、embyWangYandongSupervisor:Prof.MaJieMarch2016.摘要步进电机作为开环的执行单元，一直以来在多轴协同系统上得到了普遍的应用。随着我国制造产业结构升级，多轴步进电机控制系统的应用需求也还在不断增长，如快速成型、小型雕刻机、机械臂、机器人等。但当前运动控制器专业性强，价格较贵，因此开发一种低成本、多用途、方便二次开发的多轴步进电机控制系统有了一定的需求。本文就是结合当前的实际需求，利用当前的嵌入式计算机技术成果，提出了基于ARM控制器与实时操作系统相结合的独立运动控制系统设计方案，并完成系统软件及硬件实现、调试及应用。该系

3、统可脱离上位机运行，并且同时控制四轴运动，其中控制三轴完成笛卡尔坐标系运动。系统设计实现中，基于嵌入式实时系统，充分考虑到二次开发，保留软硬件扩展接口，很大程度上提高了该独立运动控制系统的可靠性、易维护性，便于二次扩展。具体内容概述如下：硬件设计上采用基于Cotex-M4内核的STM32F407VG，外围附有电机驱动模块、存储模块、上位机接口、用户互交界面（二次开发串口TFT屏），设计、焊接电路并完成调试工作。在算法实现上，本系统当前实现了梯形加速度规划管理和直线插补算法。系统选用以Bresenham算法为基础的直线插补算法，在三维空间上进行推广后，Brese

4、nham算法可以实现较高速度和精度的直线插补。软件实现上以RTOS（即RT-Thread）为基础，移植RT-Thread到控制器电路板上，调试至稳定运行；对于系统的各项功能，划分为单独任务实现，并对任务间的通讯机制进行了分析，设计实现了用户互交界面的驱动、上位机通信两种模式、运动规划管理、电机底层驱动等。在此基础上，可根据实际运用场合，对该控制器功能进行再次开发，提高了控制器的扩展性能。经测试和实际应用表明，硬件电路可靠，系统功能稳定正常，电机运行过程平稳；根据实际的应用进行开发的产品也使用正常。关键字：步进电机，运动控制，实时性，RT-ThreadIABST

5、RACTAstheopen-loopsystemexecutionunits,steppermotorhasbeentowidelyusedinthemulti-axiscoordinatedsystem.WithChinesemanufacturingindustryupgrading,therequirementsofmulti-axissteppermotorcontrolsystemisalsostillgrowing,suchasrapidprototyping,smallengravingmachine,manipulator,robot.Howe

6、ver,thecurrentmotioncontrollerissoprofessional,moreexpensive,anditisnecesserytodevelopalow-cost,multi-purpose,multi-axissteppermotorcontrolsystem.Accordingthecurrentdemandandembeddedtechnologyachievements,ThisarticleproposedaindependentmotioncontrolsystemdesignthatcombinedARM-basedc

7、ontrollerwithreal-timeoperatingsystem,andcompletsystemsoftwareandhardwaredesign,andapplicationdebugging.ThecontrolercanberunfromthePC.atthesametimeitcancontrolfouraxismotion,inwhichcontrolsthree-axismovementinCartesiancoordinatesystem.Basedontheembeddedreal-timesystems.Themotorcontr

8、olsystemfullytaking