多步进电机协同控制系统设计-邓林华Word版

1、传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！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 传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！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

2、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

3、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）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；传播优秀Word版文档 ，希望对

4、您有帮助，可双击去除！AbstractKey Words：传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！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

5、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353.3.1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44传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！3.9.2XY电机驱

6、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604.3.1Protothread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

7、75传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！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,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

8、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传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！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 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

9、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

10、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传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！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

11、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

12、现各艺术效果。两种摇头灯如图2-2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，色传播优秀Word版文

13、档 ，希望对您有帮助，可双击去除！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

14、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。传播优秀Word版文档 ，

15、希望对您有帮助，可双击去除！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传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！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，灯具的功率和

16、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。传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！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

17、.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额定扭矩和最大相应频率时步进电机输出的扭矩是恒定的转动数度以输入脉冲的频率成正比关系。步进电机并不是表示单一的一款电机而是同一系列电机的总称，这系类电机有其共同的控制特点即所转角度由输入脉冲数决定，虽然控制方式相近但步进电机的工作原理和内部的机械构成有着较大的差异。一般而言按其原理和结构可将其划分为三大例：1，反应式步进电机2，永磁式步进电机3，混

18、合式步进电机。1、 反应式步进电机原理及构成反应式步进电机也常称磁阻式步进电机，其原理和内部结构都较为简单图2.1 为市面上较为常见的三相反应式步进电机的剖面示意图，从图中可也看出电机的定子上有六个均布的磁极，其空间夹角是60度并且各磁极上套都有线圈，按图2.1连成A、B、C三相绕组。转子上均匀分布40个则小齿每个齿的齿距为9，由于定子和转子在空间的上的齿数比为30：40，因此如图当A相绕组的小齿和定子的小齿对其后B、C相线绕组的小齿就会和定子小齿错开三分之一的齿距。根据绕组通电励磁之后会产生一个磁力迫使转子转动到磁阻最小的位置的原理，因此此时当B相通电A、C相断开那么转子就会在磁力的作用下转

19、到磁通路径磁阻最小的位置即顺时针转动转子的三分之一个齿距即3，若接着通电C相绕组则继续顺时针转动3。因此按顺序依次接通不同线绕组就能使电机转动起来，通过改变通电的顺序就可以改变电机的转动方向，通过改变通电频率就可以改变点的转动速度。传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！4图 2.1 三相反应式步进电机剖面图 1 定子 2 转子 3定子线绕组 2、永磁式步进电机原理及构成永磁式步进电机（PM），是由磁性转子铁芯通过与由定子产生的脉冲电磁场相互作用而产生转动。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。电机里有转子和定子两部分：可以是定子是线圈，转子是永

20、磁铁；也可以是定子是永磁铁，转子是线圈。如图2.2所示，该永磁式步进电机为转子是N、S极相间的永磁体，定子为线绕组，当定子的线绕组通电后产生的磁场与定子的永磁体产生的磁场相互作用遵行异性相斥同性相吸的电磁原理，从而使得转子转动5 图2.2为两相永磁式步进电机实物解剖图传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！图2.2 永磁式步进电机结构示意图图2.3 两相永磁式步进电机实物解剖图3、 混合式步进电机原理及构成混合式步进电机按相数可分为两相步进电机、三相步进电机和五相步进电机，他们的步进角一般分别为1.8度、1.2度和0.72度。混合步进电机的定子和转子铁芯都为齿状结构这和反应式步进

21、电动的机结构非常的相似，但和反应式步进电机又有区别混合式步进电机的转子类似永磁式步进电机转子是永磁体，因此混合式步进电动机可看作反应式步进电机和永磁式步进电机两种步进电动机的组合。图2.4为混合式步进电机的结构示意题图，图2.5是两相混合式步进电机的实物解剖图。从这两幅图我们可以看出同磁阻式步进电机一样混合式电机在电机的金属内壁镶嵌有缠绕了线绕组的极子，从图2.5很直观的能看出转子主要两个相互之间错开传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！个单齿距，在两齿轮中间夹有一块永磁铁片通过一根铁芯将两图2.4 两相混合式步进电机实物解剖图 图2.5混合式步进电机结构示意图个齿轮和永磁片串

22、接在一起这样便形成与爪式步进电机类似的N、S相间磁极。当定子通电后沿线绕组的切线方向将产生空间电磁场，转子上固有的永磁铁产生的磁场与该电磁场作用产生扭矩带动电机中心铁芯的转动，影响混合式电机性能的主要是定子上的电极数和转子上齿轮的齿数虽然没有统一的标准但一般的两相式电机的定子为8个极转子为两个50齿数的齿轮，五相电机一般为定子为10个极转子为两个50齿数的齿轮，图7和图8为各自的横截面示意图6。传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！图2.6五相混合式步进电机横截面示意图图2.7两相混合式步进电机横截面示意图2.1.2三类步进电机的性能比较和运用 三类电机就综合性能而言混合步进电

23、机最为出色，它不但继承了其它两类步进电机的优点而且摒弃了它们各自的缺点，因此控制性能要求较高的系统中混成步进电机是首选。但在不同的场合下各类电机都有其作用之处，永磁式步进电机虽然输出扭矩没有其他两类大但其振动小、噪音低、体积小、发热量低、因此在一些诸如打印机和传真机等较精密的仪器中常被用到，反应式步进电机在这三类电机中输出力矩最大在一些扭矩要求较高而受电机的振动影响不是很大的设备中较多运用。传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！2.2步进电机的选型通过对三类步进电机的比较本文采用混合式步进电机作为舞台灯的执行机构，针对主板电机惯量小的特点选用两相式混合步进电机，XY轴由于控制复

24、杂转动惯量大选用三相混合式步进电机作为其执行结构。同为混合式步进电机三相步进电机比两相混合步进电机的控制性能更加优越，目前市场上57系类的三相混合电机采用独特的内部机械结构，使空间三相电流绕组通入的电流为三相正选波这样便使得步进电机有了交流伺服电机的平稳、连续、无振动等优点7 8。 2.2.1步进电机的数学模型9电机运动方程：式中：电机转子的角速度;转子的转动惯量;负载折算到电机轴上的等效转动惯量;粘性阻尼系数；电机电磁转矩；负载转矩；单相通电时,电磁转矩与失调角的关系近似为一正弦关系,多相通电时,可以认为是每相各自通电时矩角特性的叠加,仍然是正弦,故电机矩角特性可以描述为: 式中：最大静转矩

25、；机械失调角，即旋转磁场角位移与转子角位移之差；齿距角；电机转子齿数；传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！由上面两式联立可以建立步进电机的数学模型表达式为： 2.3细分原理及数学模型2.3.1步进电机细分原理的提出虽然混合式步进电机吸收了反应式和永磁的诸多优点，但作为步进电机的一员不可避免的会存在着一些不足：1.由于步进电机的相数有限，因此造成低频率转动时电机的振动和噪音大2.每款步进电机有以之相对应的矩频特性图如图2.7所示纵坐标的扭矩随着横坐标频率增高到一定阶段后下降很快。103.每款步进电机都有启动频率并且启动频率不能太高一般应该低于额定的起始频率如果启动频率过高电机将

26、只振动而不转4.电机的速度不能存在突变无论加速过快还是减速过快都可能导致电机的失步或是过冲。 图2.8 步进电机的矩频特性图 两相步进电机的步距角一般为1.8三相步进电机的步距角一般为1.2五相步进电机的步距角一般为0.72传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！。步进角随着电机相数的增多而减小，较小的步进角对应较优良的控制性能，但随着电机相数的增多机械加工个随之增大对应的价格也直线上升。步进电机的机械构造决定了其固有的缺点，这使得步进电机的运用受到了极大的限制为了改善步进电机的这些不足。受于步进电机数学模型的启迪在70 年代中期由美国学者首次提出采用软件编程的方式来间接的增加电

27、机的相数即采用细分驱动方式, 当步进电机各相电平跳变一次后电机的转子就会转动一个固定的步距角，假如能控制各相输入电流的幅值和相位角使得电流按某种规律递增则可以改变电机的跳跃式转动，将一次跃变式的脉冲输入细化为多次的小跃相应的电机的转动也变得较为连续，这样就有效的降低了电机的转动。例如某款步进电机的额定相电流为1安培步距角为1.8，当电机的程序没有加入细分驱动程序时电机每接收到一次电流跃变就会转动1.8，当加入10细分驱动程序后电流每次将只改变原来的十分之一相应的电机转动的角度也为原来的十分之一，同过改变电流的阶梯越变的次数来改善电机的运动特性，大大提高了步进电机的控制特性，细分驱动能极大地改善

28、步进电机运行的平稳性, 近几年来由于微处理机技术的发展, 细分技术得到了广泛应用11。图2.9 八细分驱动图2.3.2 细分驱动的分类及数学模型细分驱动主要有等电流细分驱动法和电流矢量恒幅均匀旋转法这两种方式，以混合式两相步进电机为例当采用等电流细分驱动法时保持其中的一相电流值保持不变而另一相电流按照需要的细分数等比例均分成阶梯式上升，输出电流即为两相电流的合成值，当采用电流矢量恒幅均匀旋转法时其中一相电流按正弦规律变化而另一相的电流按余弦方式变化，这样使得无论何时两相电流的合成值幅值都是不变的改变的只是合成的相位角从而实现电机的恒流输入。传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！

29、等电流细分驱动程序实现简单控制方便但由于输出力矩是变化所以容易造成电机的振动和失步在控制要求不高的系统中可以考虑应用，电流矢量恒幅均匀旋转虽然程序实现较为困难但由于去输出扭矩平滑控制精度高在控制要求高的系统中应用普遍。由于本设计中舞台灯对电机的性能要求较高因此采用电流矢量恒幅均匀旋转法来细分。以两相混合步进电机为例依据上节构建的步进电机的数学模型来构建其电流矢量恒幅均匀旋转的细分的数学模型。通过对两相混合步进电机的结构分析可知其两个线绕组AA-和BB-是相互垂直的简图如图由 得出的电机数学模型可知其合成的力矩幅值不变，所以可得两绕组相的力矩关系如下式中：TA、B两相的和力矩；合力矩与B相绕组的

30、夹角； 图 2.10 两相混合步进电机象限图在考虑步进电机力矩与电流关系的时候忽略一些非线性因素的影响，认为电机输入力矩和输入电流成线性关系则有上式可求得相电流和之间的关系式:传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！式中：TA、B两相的合成电流；合成电流与B相绕组的夹角；假设电机细分数为Z则可知式中：Z为假设的细分数目；N为电机所处在的位置N的取值范围为0到4Z；因此任意细分下的细分数学模型为：式中：,当Z取不同值的时候表示电机处在不同的细分下，当N从0取值到4Z时从0度变化到360度，相应的电机转动一圈。如图为8细分下360正、余弦的电流波形图2.11 图2.11 两相正弦细分

31、波形12传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！2.4步进电机加减速数学模型由于本控制系统对电机的控制要求和精度都比较高，因此为了提高电机的控制性能降低电机低频段的振动电机的加减速模型是必不可少的。在步进电机控制中直线减速曲线、指数加减速曲线、和高阶多次函数加减速曲线最为常见。针对本控制系统的控制要求在经过试验比较后，转动惯性较大的X、Y轴采用直线加减速曲线，而转动惯量小加速度要求较快的其他主板电机采用二次多项式函数加减速曲线。2.4.1线性加减速数学模型2.4.1.1步进电机的速度特性步进电机一个明显的不足是当电机处于高速是输出扭矩比较小并且随着转速的上升输出扭矩逐渐的减小。当

32、电机的速度处于共振速度（resonant speed）时电机的扭矩会突降如图2.12所示，步进电机的共振速度决定于电机的驱动翻案和负载13。图2.12 扭矩速度图从图中可看出最大转矩出现在低速，这在许多的运用场合中中式非常有利的。2.4.1.2步进电机驱动方程只有当通过电机的各相电流正确通断时电机运转才能正常的运转，我们可以通过驱动芯片为电机提供正确的连续驱动脉冲和方向信号。要使得电机在一个恒定的速度下运转，那么驱动脉冲之间的时间间隔必须是相等的，如图2.13 所示传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！ 图2.14步进电机脉冲一个定时器在频率HZ下产生这些脉冲，计数器用来决定延

33、时时间电机的角度位置角速度由下式得到：式中为步进电机的小齿数，是电机已走的小齿数为了能平滑的启动和停止步进电机，控制电机的加速度和减速度是必须的，图2.15表明了电机加速度，速度和位置三者之间的关系。该图使用恒定的加速度/减速度得到的传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！图2.15电机加速度，速度和位置步进电机驱动脉冲之间的时间延迟决定了电机的转速，这些延时时间必须精确计算出来才能使电机的实际转动阶梯速度曲线和理论尽量相近。离散的速度曲线决定电机的运转而定时器的时钟频率决定了延时时间间隔的分辨率。传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！ 图2.16电机转速和驱动脉

34、冲2.4.1.3步进电机内部驱动延迟计算详介第一个计数器和第n个计数器由下式计算：微处理器的计算能力是有限的，计算开根号的运算时非常浪费时间的因此一种相似的但计算量少的方法需要得以应用。在时间n时用泰勒多项式近似上述两式得：简化后的计算式的计算速度远远快于原来开二次根号，但当n=1时会带来0.44的误差，一种补偿这种误差的方法是将乘上0.676。2.4.1.4变化加速度 由上可知加速度由和n决定，当一个新的加速度被应用时一个新的n值必须被计算出来。传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！电机的速度、转动角度和决定电机加速度的和n由下式计算：合并这个两个方程可得：上式表明电机的需要

35、到达的步数所产生的的速度和加速度成反比：上式意味着要将加速度从要从变到只需要改变n即可，从图可以看出两者的关系图2.17速度上升和下降在给定的电机运转步数下电机的减速必须开始于合适的步数结束时速度为0由下式子可以计算出：速度控制器14速度控制器用于计算实时速度值，速度控制模块如图2.18所示传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！ 图2.18 电机速度控制模块速度控制器首先计算出所有的变量并将他们保存到数据结构体中，随后允许定时器中断，定时器按照速度阶梯曲线中断然后调用电机驱动函数驱动电机转动。每次发送计算与电机相关的速度变量时都会使得电机有一小短的时间延迟，在实际应用的时候可能

36、不需要考虑很小一段时间对电机产生的影响。这使得这些变量的计算应该采用计算量较晓得方法。使用浮点运算会使得计算复杂程序繁冗，因此在保证运算精度的前提下合理的简化运算时非常重要的下式对一些复杂的计算式进行了合理的简化。计算速度曲线时包含两种不同的情况：1.电机一直加速直到加速到所需的速度如图2.19速度曲线所示当减速开始时所需要的最大速度已经被达到。 图2.19电机速度曲线1传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！max_s_lim表示达到所需要的最大速度电机所需要加速的步数accel_lim表示电机开始减速时电机所走的步数当max_s_limaccel_lim加速度在减速开始后受限

37、，减速步数decal_val由下式计算：2.4.1.5定时器中断定时器中断用于产生电机的驱动脉冲，只有在电机运转时定时器才工作。如图2.21所示定时器工作在四个不同的状态下传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！图2.21定时器的四个不同工作状态在定时器中断中采用状态机来管理定时器的四种状态如图2.22所示图2.22定时器状态机当电机停止或者启动时状态机处于STOP,当系统开始计算新的状态将被设置并允许定时器中断当电机运转的步数大于一步时状态机的下一个状态为ACCEL，假如只有一步则为DECEL。当处于ACCEL状态时电机开始减速直到到达所需速度时转变到状态RUN或者转变到DEC

38、EL状态。直到速度为0或是达到所需要的速度则定时器的状态改变为STOP。2.4.1.6简化公式推导速度由下式计算：传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！位置由下式计算：第n步的时间由下式计算：两步之间的时间间隔由下式计算：联立上式就可得到最终的定时器延时设则上式可表达为使用泰勒多项式：推导出传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！最后定时器的延时时间可以近似的转化为：2.4.2二次函数加减速数学模型15二次函数加减速不同于直线曲线的等速加速而是按抛物线加减速如图图2.23 二次函数加减速数学模型从图我们可以看出在二次函数加减速数学模型中，加速到一定速度后加速度上升

39、很打这样使得加速时间大大减短。二次函数加减速数学模型的基本原理：从启动开始每产生一个脉冲定时器初值增加某一定值，则相应的脉冲周期减小，即脉冲频率增加。我们以PIC单片机下定时器1建立二次函数数学模型为例定时器的频率等于式中：为晶振频率为预分频设启动频率为对应的定时器初值为，脉冲定时为，脉冲时间间隔为脉冲周期和脉冲频率。则定时器每计一个数的时间为, 定时器向上计数由0xffff计到0x0000时溢出因此有，启动频率，该设计的关键是确定脉冲定时，脉冲时间间隔即脉冲周期和脉冲频率。假设从启动瞬时开始计算脉冲数，加速阶段的脉冲数为，并设启动瞬时为计时起点，定时器初值为，定时器初值的增加量为。从加速阶段

40、的物理过程可知，第一个脉冲周期，即启动时的脉冲周期传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！，。由于定时器初值的修改，第2个脉冲周期, 脉冲定时，则第n个脉冲的周期为： （1）则脉冲定时为： （2）脉冲频率为：（3）上式分别显示了脉冲数n与脉冲频率和时间的关系。令，即加速阶段相邻两脉冲周期的减量，则上述公式简化为： (4) （5）由（4），（5）并简化与的关系，得出加速阶段的数学模型为： (6)其中，是常数，其值与定时器初值及定时器变化量有关， , 从（6）式可以看出，在加速阶段，脉冲频率不断升高，且加速度以二次函数增加。步进电机减速方式以此类似。2.5本章小结执行机构类型的选定是

41、在其结构和原理的基础上依据控制系统的要求决定的，而控制算法的提出又是在执行机构的数学模型的基础上选定和设计的。本章从步进电机的原理出发构建出了步进电机的数学模型，细分驱动模型，直线及二次函数加减速曲线数学模型，这为后几章节的打下了扎实的理论基础。传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！第三章器件选型及硬件电路的设计电机控制系统是由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能有效地运行。根据总体方案、机械结构以及步进电机的控制要求，确定硬件电路的总体方案。3.1硬件电路的设计要求1.300W开关电源，输入电压范

42、围为110VAC200VAC，一共三路输出电压，分别为+32VDC、+12VDC、+5VDC；2.通过RS485电平转换可支持控制台标准数字接口D M X 5 12 通信协议；3.部分风机PWM调速；4.20路步进电机驱动接口，即频闪电机、CMY颜色混合电机、CTC色温电机、颜色电机、图案电机、图案旋转电机、效果电机、光圈电机、调焦放大电机、水平位置控制电机、垂直位置控制电机等；5.JTAG在线调试；6.步进电机状态信息反馈，电机控制采用半闭环控制，电机状态信息通过电路反馈到MCU；7.LCD显示，通过与键盘的配合可实现人机友好交互，可以直观实现个性功能的实现，具有简单自 我检测功能等；8.可

43、实现多机主MCU与从MCU之间的通信；3.2硬件电路总体规划根据系统要求以及系统所需要实现的功能，电脑灯硬件电路系统由以下五部分组成： （1）电源模块，为整个硬件电路系统提供电能 （2）主控制器，即中央处理单元（CPU）； （3）总线，包括数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB）； （4）接口，即I/O输入/输出接口电路； （5）外围设备，如键盘、显示器及光电输入、步进电机驱动器等。传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！硬件电路模块框图如图3.1所示：图 3.1 硬件电路系统框图3.2.1控制芯片选型从舞台灯的原理我们可以看出舞台灯各种效果的实现都是通过CPU控制步

44、进电机实现的，整台舞台灯控制部分包括主板电路和从板电路，主电路板部分用于实现各种灯光效果，X,Y电路板轴部分用于实现舞台灯在空间中的运动。主板部分包含20多个两相混合步进电机的控制因此为了满足设计需要选择的CUP必须有较快的处理速度和较大的存储空间在对多款处理器进的性价比行比对后，采用了飞利浦公司的LPC2148，X、Y电路板采用SPWM控制三相混合步进电机因此应采用带PWM模块的微星PIC16F873单片机。1.主控芯片LPC2148简介总体描述16LPC2148 是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16 位ARM7TDMI-S CPU的微控制器，并内嵌128 的高速Flash 存储器

45、。128 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32 位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16 位Thumb 模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！较小的封装和很低的功耗使LPC2148 特别适用于访问控制和POS 机等小型应用中；由于内置了宽范围的串行通信接口（USB 2.0 Device（全速）、多个UART、SPI、SSP 和I2C 总线接口）和8kB40kB 的片内SRAM，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、软件modem、语音识别和低端成像，为这些应用提供大规模的缓冲区和强大的处理功能。多

46、个32 位定时器、1 个或2 个10 位ADC、10 位DAC、PWM 通道、45 个快速GPIO口以及多达9 个边沿或电平触发的外部中断管脚，使它们特别适用于工业控制和医疗系统16。ARM7TDMI-S 是通用的32 位微处理器内核，它具有高性能和低功耗的特性。ARM 结构是基于精简指令集计算机(RISC)原理而设计的。指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得多。这样使用一个小的、廉价的处理器核就可实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应16。由于使用了流水线技术，处理和存储系统的所有部分都可连续工作。通常在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取出。ARM7T

47、DMI-S 处理器也使用了一个被称为Thumb 的独特结构化策略，它非常适用于那些对存储器有限制或者需要较高代码密度的大批量产品的应用。.结构概述LPC2148 功能结构框图如图1.4 所示。该系列芯片包含一个支持仿真的M7TDMI-S CPU，片内存储器控制器接口的ARM7 局部总线，中断控制器接口的AMBA高性能总线（AHB）和连接片内外设功能的VLSI外设总线（VPB，ARM AMBA总线的兼容超集）17。 LPC2148 将ARM7TDMI-S处理器配置为小端（little-endian）字节顺序。AHB 外设分配了2M 字节的地址范围，它位于4G 字节ARM 存储器空间的最顶端。每个

48、AHB 外设都分配了16k 字节的地址空间。LPC2148 的外设功能（中断控制器除外）都连接到VPB 总线。AHB 到VPB 的桥将VPB 总线与AHB 总线相连。VPB 外设也分配了2M 字节的地址范围，从3.5GB 地址点开始。每个VPB 外设在VPB 地址空间内都分配了16k 字节地址空间。片内外设与器件管脚的连接由管脚连接模块控制。该模块必须由软件进行控制以符合外设功能与管脚在特定应用中的需求。 传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！图3.2LPC2148内部方框图172.X、Y从控制芯片PIC16F873简介PIC16F873单片机是MICROCHIP公司生产的中级

49、产品，具有FLASH程序存储器和PWM的8位CMOS单片机。PIC16F873(A)包含4K14的程序闪存，192字节的数据随机存储器和128字节数据EEPROM存储器。PIC16F876(A的程序闪存为8K14，数据随机存储器为368字节，数据EEPROM存储器为256字节IC16F873(A)具有A、B和C三个I/O端口，内部包含传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！13个中断源、三个定时器、两个CCP（捕捉器/比较器/PWM）模块和一个看门狗电路，同时集成了5通道A/D转换器18。PIC16F874(A)具有A、B、C、D和E五个I/O端口，内部包含14个中断源、三个定时

50、器、两个CCP（捕捉器/比较器/PWM）模块、一个看门狗电路和一个并行从属端口PSP，同时集成了8通道A/D转换器。PIC16F873系列既有SPI和I2C主串行通信端口，又有USART异步串行通信端口 图3.3 PIC16F873内部结构框图193.2.2开发环境采用ADS1.2作为主板系统的开发环境，ADS 集成开发环境是ARM公司推出的ARM 核微控制器集成开发工具，英文全称为ARM Developer Suite，成熟版本为传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！ADS1.2。ADS1.2 支持ARM10 之前的所有ARM 系列微控制器，支持软件调试及JTAG 硬件仿真调

51、试，支持汇编、C、C+源程序，具有编译效率高、系统库功能强等特点，可以在Windows98、Windows XP、Windows2000 以及RedHat Linux上运行20。 ADS 1.2 由6 个部分组成如下表所示表3.1 ADS1.2 编译环境由于用户一般直接操作的是 CodeWarrior IDE 集成开发环境和AXD 调试器，所以这一章我们只介绍这两部分软件的使用，其它部分的详细说明参考ADS 1.2 的在线帮助文档或相关资料。XY从控程序是在MPLAB集成开发环境下编写的。3.3硬件电路的设计3.3.1开关电源模块本舞台灯除电子整流器外所有电路都有开关电源来供电，开关电源设计采

52、用宽电压输入，输入电压范围达到100VAC220VAC，输出电压范围为+ 5V、+ 1 2 V以及+3 2V，其中+ 5V用于给系统中数字控制电路供电， +12V给各路风机以及电子整流器控制信号供电， + 32V则给各路步进电机驱动器供电，整个控制系统功率大约300W。其中32V提供高达6.3A电流，+5V提供高达10A电流，+12V提供高达6.3A电流。传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！ 开关电源的原理就是将工频交流变成直流，再将直流变换成高频交流，通过开关变压器，反馈稳压等过程变成所需要的电压的后，通过整流，滤波，再变换成直流的过程，而MOSFET在整个过程中通过其不断

53、的开与关，使高压直流变换成高频交流电的过程21。 开关电源的工作流程如图4-2所示。图 3.3开关电源的工作流程3.3.2 RS485电平转换模块3.3.2.1 RS-485接口标准DMX512协议标准采用一种简单的异步八位串行数据协议，包括由标准通用异步收发设备（UARTs）产生无类型的字节流。该标准中数据传输的物理介质通常是两对电缆线，每对都可以作为数据链路来使用。数据链路采用ANSI/TIA/EIA-485-A-1998（下文简称“EIA-485-A”）的平衡数据传输技术驱动。 RS-485用平衡差动的方式传输数据，抗干扰性强、速率高、传输距离远、能够实现多点传输，它允许同时连接32个驱

54、动器和32个接收器，方便地组成一个小型的网络，在测控领域，应用很广泛。RS-485是一个电气接口规范，它规定了平衡驱动器和接收器的电气特性，而没有规定接插件传输电缆和通信协议。表4-2 RS-485电气特性项目条件最小值最大值驱动器开路输出电压逻辑11.5V6V逻辑0-1.5V-6V传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！驱动器带载输出电压RL=100，逻辑11.5V5VRL=100，逻辑0-1.5V-5V驱动器输出短路电流每个输出对公共端250mA驱动器输出上升时间RL=54，C=50pF总周期的30%驱动器共模电压RL=543V接收器灵敏度-7V12V200mV接收器共模电压范围-7V+12V接收器输入电压12k在总线负载及阻抗匹配符合技术要求的前提下，RS-485标准所能达到的理论最高传输速率为10Mbit/s，但是，在该速率下的有效传输距离只有10m。RS-485总线的有效传输距离与数据传输速率相关。可以用下面的经验公式表示。有效传输距离（m）3.3.2.2 RS-485多机通信的实现221、总线驱动芯片常用的RS-485总线驱动芯片有SN75174，SN75175，SN7