随着计算机基础、信息技术、人工智能技术和制造技术的发展以及国际竞争的日益剧烈,我国部署了《中国制造2025》制造强国战略行动计划,在智能装备上的研发投入也逐年增加,同时对智能装备的精度也提出了更高的要求。基于此,本文针对步进电机多维运动控制系统的软硬件设计及其精度优化方法展开了研究。研制了以PID算法结合五段S型加减速算法为运动控制算法,光栅传感器为反馈元件的闭环步进电机三维工作台运动控制系统,该系统具备良好的人机界面、便利的操作功能和较高的运功控制精度,通过安装电感传感器或电涡流传感器可以实现位移、平面度等精密测量功能,以提高精度优化理论与应用技术相关研究的实验效率和准确性,为机械零件的测量实验及其运动控制提供实验设备。本文主要工作如下:1)对运动控制系统和运动控制器进行了对比分析,根据系统需求,设计了系统方案,最终决定研制以STM32为微处理器,光栅传感器为反馈元件的闭环步进电机三维运动控制系统。2)对运动控制系统硬件电路进行了设计开发,主要内容为电机驱动电路、光栅信号采集电路、限位开关反馈电路、串口通信电路,根据对各模块的功能分析,研制了运动控制卡、光耦隔离及电源集成卡对各功能模块进行集成。3)对运动控制系统下位机程序进行了设计开发,主要内容为电机驱动程序、光栅信号采集程序、限位开关中断程序、串口通信程序、KEY和LED驱动程序以及主程序。对运动控制系统的上位机程序进行了设计开发,主要内容为串口配置模块、数据读取模块和指令写入模块。4)为提高位置控制精度,对PID控制算法进行了比对分析,设计了基于增量式PID的控制精度优化程序以减少累计误差和硬件计算量。对加减速控制算法进行了比对分析,设计了基于五段S型加减速控制精度优化程序以减小启停过程中的柔性冲击,提高系统稳定性。5)对各轴控制精度优化情况进行了对比实验,实验结果表明,开启控制精度优化算法后,在光栅尺分辨率为1μm的反馈系统中,X轴控制精度由±32μm提升至±5μm,提升了84.4%;Y轴控制精度由±35μm提升至±2μm,提升了94.3%;Z轴控制精度由±21μm提升至±1μm,提升了95.2%,控制精度优化效果明显。使用激光干涉仪对各轴进行了光栅误差补偿实验,建立了光栅误差补偿模型,加入补偿模型后,X轴定位精度由±24μm提升至±12μm,提升了50%;Y轴定位精度由±81μm提升至±12μm,提升了85.2%;Z轴定位精度由±51μm提升至±10μm,提升了80.4%,定位精度补偿效果明显。实验结果表明系统控制精度和定位精度较高,三维工作台的精度可以满足中高精度测量实验要求。