一种高性能步进电机运动控制系统设计

1、资金项目:国家自然科学资金(50475044,教育部科技研究重点项目(2004106,高等学校博士学科点专项科研基金(20040562005,广东省自然科学基金(04300155一种高性能的步进电机运动控制系统设计黄诗涌 王晓初 廖永进 徐震 易理告(广东工业大学,广东,广州,510090摘 要: 文中介绍了一种应用于舞台电脑灯控制系统的高性能步进电机运动控制系统,以及步进电机的细分驱动原理和自适应调速算法。使用细分驱动可以显著地减小步进电机的低频振动;使用自适应调速法,可以在保证系统的实时响应性的前提下,实现不同运行状态间的平滑过渡。关键词:步进电机,细分驱动,自适应控制A High Per

2、formance Control System Of Stepping Motor Abstract: This paper introduce a high performance control system of stepping motor used in stage light control system ,and the theory of subdivide drive of stepping motor and the method of adaptive control. It can decrease the quiver under low frequency of s

3、tepping motor greatly by using subdivide driver. And it can smooth the switching of different running state of stepping motor by using adaptive control method.Key words: stepping motor, subdivide drive, adaptive control1 引言早期的电脑灯结构简单、功能单一。随着舞台灯光技术的不断发展,功能单一的电脑灯已不能满足市场的需求,于是出现了各种功能丰富、结构复杂的电脑灯。本文所介绍的电

4、脑灯包含六个通道,分别控制Z(Pan轴旋转、Y(Tilt轴旋转、颜色切换、图案切换、图案旋转、遮光片开合等。本电脑灯的各种动作如灯体转动、颜色变化、频闪等,均采用步进电机驱动。本系统根据不同的功能特点,针对不同功能的步进电机采用不同的细分方案和运动控制算法,以使在实现系统基本功能的前提下,达到最佳的运行性能。2 机械结构 图 1 图 2系统的机械结构示意图如图1所示。灯体的旋转由Pan 电机和Tilt 电机控制。Pan 电机转角为0540度,Tilt 电机转角为0270度,可实现 3/4 球面内的任意曲线控制。 如图2,在灯体内还装有四个步进电机,分别控制灯光的颜色变换,图案变换,图案旋转和频

5、闪。颜色和图案的变换,是由步进电机带动色盘和图案盘旋转实现的。光源产生的强光通过颜色片和图 案片形成一定形状颜色的光柱,再加上遮光片的频闪,即可实现各种艺术效果。控制系统分上位机和下位机控制。上位机实现场景效果的编程以及数据的传送;下位机接收数据,完成步进电机的速度、位置控制。在上位机与下位机之间采用RS485总线和标准的DMX512协议通讯。3 驱动电路图3为系统部分控制电路示意图。控制器采用TI 公司的16位单片机MSP430。驱动芯片采用JRC 公司的两相步进电机驱动器NJM3775。TLV5620为8位串行D/A 转换器。MSP430具有指令执行速度快的特点。在8MHz 晶振下的单周期

6、指令的执行时间为125ns ,可以满足系统对实时响应性的需要。NJM3775为双路斩波驱动器,每相最大输出电流可达750mA 。 图 3 4 软件设计4.1 细分原理及细分数的选择由于舞台灯的性能要求,Z 轴(Pan 电机和Y 轴(Tilt 电机起停和加减速要求必须平滑、稳定。而两相步进电机在整步或半步运行时振动均较大,因此在电机的驱动中采用了恒转矩细分技术。电机两相细分电流的计算公式分别为:2/(N M Sin I I a =2/(N M Cos I I b = 式中: I - 峰值电流M 细分数N - 脉冲序号(04M 的整数。在软件设计过程中,为了减少系统的运算量,提高程序的执行效率,将

7、所有细分步的电流值制成电流值表,供步进电机驱动程序调用。考虑到灯体和灯架的质量较大,由于惯性作用产生的振动也较大。因此应对Z 轴和Y 轴电机采用细分驱动。但是过大的细分数将增加处理器的负担,影响系统的响应性能。所以在实际编程中,加速段和减速段采用细分数递减(328的方法,恒速段选用8细分。其余四个电机在功能要求上都有负载小,运行速度低的特点。因此综合快速性和平滑性考虑,选用16细分。4.2 自适应调速算法在舞台电脑灯控制系统中,当收到一个新指令时,电脑灯并不是执行完当前的指令再执行最新的指令,而是实时地响应最新的指令。因此,当收到新指令时,步进电机可能处于停止、加速、恒速、减速等运行状态。为了

8、保证步进电机运行的平稳性,程序必须确定步进电机的下一运动状态是什么,如何过渡。解决的方法就是自适应调速算法。在本控制系统中,将电机当前位置(NowPosition 和目标位置(RequirePosition 进行比较。当RequirePosition NowPosition 时,电机的下一转动方向为正转;当RequirePosition NowPosition ,则保持正转。当前状态为停止,则转为加速;当前为加速,则继续沿加速曲线加速至恒速段后,跳转到执行;当前为恒速,则继续保持恒速运行,直至RequirePosition NowPosition L (减速距离时,由恒速转为减速,置标志位Se

9、cDecBit = 1,跳转到;当前为减速,如果SecDecBit = 1,则沿减速曲线减速直至停止,否则从当前的速度沿加速曲线加速,跳转到执行。如果RequirePosition NowPosition, 当前状态为停止,则直接跳转至反转加速运行;当前为加速,则从当前速度沿减速曲线减速至一定速度后,跳转至反转加速;当前为恒速,则转为减速,减至一定速度后跳转至反转加速;当前为减速,减速至一定速度后跳转为反转加速。当前为反转情况下的判断与上面类似。4.3 速度曲线常用的加减速曲线有:匀加减速曲线、S形加减速曲线、指数曲线等。本文为方便编程,选择匀加减速曲线为例,并使加速和减速曲线对称。一个完整的

10、加减速曲线应包括:加速段、恒速段和减速段。但是根据每一次指令需运行距离的长短,如图4所示,可将运行曲线分为:短距离、中距离和长距离运行曲线。在短距离运行曲线中,由于运行的距离小于完成完整的加速和减速过程所需的距离,因此没有完整的加减速和恒速段,而在加速曲线中间的某一点转为减速;中距离运行曲线具有完整的加减速曲线,但是没有恒速段;长距离运行时,具有完整的加减速和恒速段曲线。 图 45 结束语试验证明,在电脑灯控制系统中,采用自适应调速算法,并针对不同功能的步进电机,采用不同细分方案,能有效地利用有限的硬件资源,提高系统性能。参考文献 1 周洪建. DMX512控制网络及应用.自动化博览. 2 孙侃.单片机控制的步进电机自适应调速法.电子与自动化,1999(1. 3 鲍苏苏等.多步进电机控制算法研究.东华大学学报,2003.10.速度(V 距离 V 速度(V 距离长距离中距离 短距离 距离 4 邹豪杰等.数字粘度计中步进电机微步细分的设计与实现.计算技术与自动化,2004.9,23(3.作者简介:黄诗涌,男,1977年生,广东工业大学机电学院硕士研究生,研究方向:微电子封装设备。身份证号:362126*,地址:广州市广东工业