《多步进电机协同控制系统设计——邓林华》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多步进电机协同控制系统设计——邓林华（47页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、南昌大学学位论文盲审抽检 编号:多步进电机协同控制系统设计Design of Multi-step Motor Control System 专业名称： 精密仪器及机械 专业代码： 种类（在相应方框内打）：统招博士 统招硕士 同等学力人员申请硕士学位工程硕士 高校教师在职攻读硕士学位 公共管理工商管理 摘要舞台灯作为众多舞台设备中极为重要的一部分，实现了诸如变化灯光颜色、颜色色温、背景图案、空间位置等功能。而舞台灯控制的实质是对多个步进电机的协同控制,本文在合作企业现有的舞台灯机械结构的基础上完成了多电机协同控制系统的设计：(1）完成了符合控制要求的多电机控制算法的设计,针对步进电机的原理为其
2、建立的数学模型并依据该模型采用电流矢量恒幅均匀旋转法来实现驱动电流的细分方式，根据主从板电机速度控制的差异为其建立了不同的加减速数学模型,主板效果控制电机采用二次函数曲线而从板线性方式控制电机。(2）完成了符合控制要求硬件电路的设计,主板采用飞利浦公司的高性能功能LPC2148单片机完成对主板16路效果电机的控制和从板电机的控制命令发送，从板采用微星的PIC16F873单片机完成两路位置电机的控制,依据控制性能不同主板采用两相混合步进电机作为执行组件NJM3771作为驱动芯片，并采用斩波驱动作为电机的驱动方式.从板电机采用三相混合步进电机L6384作为驱动芯片采用SPWM作为电机的驱动方式。（
3、3）完成了软件系统的设计，主板程序完成了基于Protothreads嵌入式系统的多任务调度器的设计了从而实现了16路效果电机的协同控制和各种效果的实现,从板程序完成了电脑X、Y轴控制位置了控制并针对其转动惯量大的特点采用光电编码盘实现角位移的半闭环反馈从而提高控制精度。（4）为了提高系统抗干扰能力，硬件方面选择抗干扰能力强的元器件优化PCB布图，软件方面采用看门狗和软件陷阱当程序跑飞后强行让舞台灯系统复位.关键词： 步进电机;协同控制;控制算法；嵌入系统；75AbstractKey Words：目 录1.1课题来源及意义11。2舞台灯简介及发展现状21.3 DMX512协议简介41.4论文主要
4、工作51。5本章小结6第二章 步进电机原理及控制算法82。1步进电机控制理论分析82.1。1步进电机工作原理82.1.2三类步进电机的性能比较和运用122。2步进电机的选型132.2。1步进电机的数学模型9132.3细分原理及数学模型142.3。1步进电机细分原理的提出142.3。2 细分驱动的分类及数学模型152。4步进电机加减速数学模型182。4。1线性加减速数学模型182.4.2二次函数加减速数学模型272。5本章小结29第三章器件选型及硬件电路的设计303.1硬件电路的设计要求303。2硬件电路总体规划303.2.1控制芯片选型313。2。2开发环境343.3硬件电路的设计353。3.
5、1开关电源模块353。3.2 RS485电平转换模块363.3.2。1 RS-485接口标准363.6步进电机信息反馈模块383.6.1选择控制方式383。6。2XY轴闭环控制393.6.3霍尔复位403。7 LCD控制面板423。8 电子镇流器控制模块433.9步进电机驱动模块443.9.1主板电机驱动模块443。9.2XY电机驱动模块493。10 JTAG接口模块503.10本章小结52第四章 系统软件设计534。1软件总体框架的设计534。2主板程序设计554.2.1多任务设计常用方法564。2.2 Protothreads简介574.3主板电机的协同控制模块的设计604.3.1Prot
6、othread主板电机任务调度器的设计614。3.2Protothread下色盘电机功能的实现644.3主板其它程序块的实现674。4X、Y从控电机与主板电机的协同控制684。4。1 X，Y电机驱动方式684.4.2X、Y从控电机程序设计及流程图694。5本章小结73第5章 总结与展望745.1论文总结745.2工作展望74参考文献75第1章 绪论1.1课题来源及意义该多步进电机协同控制系统是为广州某舞台灯光公司的一款舞台灯量身定制的，主要包括硬件电路板和软件系统的设计.实现步进电机控制的方法很多,但一般对多电机同时工作的控制都是采用多CPU方式，这种控制不仅提高了成本，而且由于元器件的增加,
7、系统稳定性和可靠性都受到影响。本文中涉及电机主要包括灯体内实现如颜色、图案、频闪、调焦、放大、色温调节等各种效果电机以及灯体外X、Y轴方向的控制。需要协同控制的电机有20个之多,其中灯体主板效果电机为16个,X、Y轴方向电机共4个。图1。1为舞台灯的电机分布图。这些电机不但能同时运转而且相互之间存在逻辑控制关系，因此采用传统的CPU与步进电机一对一控制关系不但成本高而且也很难满足系统的控制要求的。本文采用独特的控制算法只用三块CPU完成了灯体多步进电机协同控制系统的设计。图1.1舞台灯的电机分布图1。2舞台灯简介及发展现状舞台灯得名于英文Intelligent Beam.20世纪7 0年代末到
8、8 0年代初, 在国外一些大型的户外演唱会上和电视舞台上，为了烘托现场气氛，开始使用一些由电机控制的筒子灯来产生可以摆动和颜色变化的光束效果。这种筒子灯就是舞台灯的雏形。1自上世纪80年代初电视舞台开始慢慢出现舞台灯的影子，在一些大型户外表演节目为了提高演出的艺术效果衬托舞台气氛，将一些灯具套上筒子装上一些简单的驱动机构使之能做一些诸如转动换颜色等简单的运动控制，进入90年代随着单片机技术、电机控制技术、和高温材料的发展舞台灯从原始的模拟时代进入了数字控制时代2，舞台灯越来越多被使用在各种演出、聚会、舞厅和家居中舞台灯的品种也越来越丰富，功能也越来越多。舞台灯的种类繁多，但按照其内部原理和结构
9、总的来说可分为两类：1，扫描式舞台灯2，摇头式舞台灯.扫描式舞台灯又被称作电脑扫描灯，它的工作原理是依据光束的反射原理,它将灯泡发射的光束反射出来如图1.2为镜片式和滚筒式两种电脑扫描灯的外部结构照片图。图1.2 镜片式和滚筒式电脑扫描灯镜片反射式扫描灯的光束首先从灯口投射到一块玻璃镜片上，玻璃镜片由两个电机带动在水平、垂直两个方向上不停摆动（作倾斜及俯仰变化)，从而反射出呈动态变化的颜色及图案效果。滚筒反射式扫描灯用能够反光的滚筒取代反光镜片，由两个电机驱动滚筒旋转，同时左右摆动，从而反射出多变的颜色及图案效果。反射式扫描舞台灯由于只有反光镜片或滚筒的摆动及旋转，易于驱动，造价较低,缺点是光
10、束运动范围较小,存在扫描死角。镜片反射式扫描灯光束的水平和垂直最大扫描范围是180和80，滚筒反射式光束的水平扫描范围也是180，在垂直维度上滚筒可连续转动,光束扫描范围不受限制.摇头式舞台灯，一般称电脑摇头灯，和扫描灯相比,其光线是直射式的，具有更高的光效.摇头式舞台灯通过步进电机驱动除灯座之外的整个灯体在水平、垂直两个维度上“摇头晃脑”，形成光束运动。灯体的水平、垂直旋转角度分别可达540和270，灯光运动范围大，基本不存在覆盖死区。随着小型摇头灯的发展摇头灯不在笨重，耐高温材料的出现和低功耗的灯泡的出现使得体积娇小功能众多高智能的摇头灯成为摇头灯市场的新宠儿。摇头灯的品种众多款式繁杂，但
11、按其投射的效果,可分为染色和图案式摇头灯，染色摇头灯也叫洗灯，图案灯可以依据舞台效果投射出预先装置的图案和色彩效果，染色摇头灯主要是投射各种颜色改变舞台的颜色变换的色温,体现各艺术效果。两种摇头灯如图22所示。图1。2 图案摇头灯和染色摇头灯舞台灯之所以能变换出各种颜色和图案，是由于控制芯片依据控制要求控制装载有图案盘和色盘的电机旋转到所需的图案和色盘的位置上从而实现不同的组合效果，洗灯不包含图案主要是由各种颜色和色温的色片组成实现几种颜色的组合效果，从而达到各种颜色的实现，一般来说对于图案盘都能实现公转和自传两种运动而色盘只能单一的公转。如图1.3为示的颜色轮，颜色轮上共镶嵌的6个不同颜色的
12、色片当控制该颜色轮的步进电机转动到某一色片位置时,白色的灯光被滤成色片的颜色投射出去,当需要不同的舞台颜色是指需要控制电机转动到相应的色片位置既可,色盘的第七个位置为空白这是为了满足有时需要投射白光而设计的。 图1。3 舞台灯中的颜色轮 图1.4 舞台灯中的图案轮舞台灯中的图案轮如图1。4所示，整个轮盘上共有7个图案片，图案片随图案轮旋转至光源的光路位置，即可投射出相应的图案效果。和固定图案轮不同的是,旋转图案轮的每一个图案片本身都是一个小齿轮，被中间的大齿轮带动着以一定的速度和方向旋转，所以当图案片随整个图案轮“公转时，自身还处于“自转状态，因而可以投射出旋转的动态图案。为了实现舞台灯能投射
13、各种图案和颜色，在图案轮和色盘的机械结构设计上采用弹簧垫圈使得图案片和色片的装载和拆卸都很方便，便于根据舞台的效果要求更换各种图案片和色片，通常来说图案片和色片都是耐高温的尤其在一些高功率的舞台灯上,安装图案片主要着图案片的正反方向要将没有凸纹或是没有反光涂层的那一面正对光源。1.3 DMX512协议简介 舞台灯与控台直接的通讯时通过DMX512协议通讯的DM X 51 2协议是美国舞台灯光协会USITT)于1990年发布的一种灯光控制器与灯具设备进行数据传输的标准。这包括电气特性、数据协议、数据格式等各方面的内容。DMX512电气特性与RS-485完全兼容，包括驱动器/接收器的选择、线路负载
14、和多站配置等方面的要求都是一致的，DMX512数据协议规定使用250Kbps的波特率。3DMX512信号时序图如图1.5所示。图1。5DMX512信号时序图1。4论文主要工作在现有的舞台灯机械结构的基础上设计出满足控制要求的硬件电路和软件系统，主要包括以下几项工作:1、设计独特控制算法以满足多电机的协同控制要求2、设计满足控制要求的硬件电路3、编写符合和控制性能的软件1.5本章小结随着科技的不断发展市场的需求不断扩大，舞台灯得到不断的发展从原本简单的运动控制逐渐发展为集机械科学、材料科学、流体科学、控制科学、光学等一身的高科技产品，各种舞台灯得到最大限度的发展出现了各种高智能的舞台灯，灯具的功
15、率和亮度也不断的提高而体积和灯体重量不断的降低。舞台灯的发展丰富了舞台效果某种意义上也促进了科技的进步。但国内自主的舞台灯还处于较低的发展水平尤其对于控制要求和电机数目较多的摇头灯,因此本文主要研究符合摇头灯的多电机协同控制系统以求达到国外同类产品的控制要求开拓市场。第二章 步进电机原理及控制算法 舞台灯各种效果的获得都是通过对步进电机的控制实现的，因此要设计出满足舞台灯诸如X、Y空间运动、颜色、图案、频闪等效果就需要选定好对应的控制电机和控制算法。本章在分析各类步进电机的工作原理和特性后，为选定的步进电机建立了数学模型、细分模型和控制算法.2.1步进电机控制理论分析2。1.1步进电机工作原理步进电机不同步伺服电机的连续运动，步进电机是随着输入脉冲数的改变而步进的每当步进电机收到一个脉冲电机就走一个固定的角度,这个角度是由电机的机械结构决定的.当步进电机的负载扭矩和输入脉冲频率小于该电机的
