一种高性能步进电机运动控制系统设计

1、一种高性能的步进电机运动系统设计告工业大学，广州，510090）（摘 要: 文中了一种应用于舞台电脑灯系统的高性能步进电机运动系统，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。:步进电机，细分驱动，自适应A High Performance Control System Of Stepping MotorAbstract: This paper introduce a high performance control system of stepping motor

2、 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 stepping motor greatly by using subdivide driver. And it can smooth the switching of different running state of stepping moto

3、r 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，于是出现复杂的电脑灯。本文所的电脑灯包含六个通道，分别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。根据不同的功能特点，不同功能的步进电机采用不同的细分方案和运动算法，以使在实现系统基本功能的前提下

4、，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电机为0540度，Tilt电机转角为0270度，可实现 3/4 球面内的任意曲线。Pan电机转角。 如图2，在灯体内还装有四个步进电机，分别灯光的颜色变换，图案变换，图案旋转和频闪。颜色和资金项目：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），省自然科学基金（04300155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，

5、即可实现各种艺术效果。系统分上位机和下位机。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、位置的DMX512协议通讯。在上位机与下位机之间采用RS485总线和标准3驱动电路图3为系统部分电路示意图。器采用TI公司的16位单片机MSP430。驱动采用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 34设计4.1 细分原理及细分数的选择由于舞台灯

6、的性能要求，Z轴（Pan）电机和Y轴（Tilt）电机起停和加要求必须平滑、。而两相步进电机在整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：I a = I * Sin(p / 2M ) * N)Ib = I * Cos(p / 2M ) * N )式中：I 峰值电流M 细分数N 脉冲序号（04M的整数）。在设计过程中，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，

7、的响应性能。所以在，恒速段选用8细分。其余四实际编程中，段和段采用细分数递减（328）的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系统中，当收到一个新指令时，电脑灯并不是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、恒速、等运行状态。为了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。解决的就是自适应调速算法。在本系统中，将电机当前位置（NowPosition）和目标位置（RequirePosition）进行比较。当RequireP

8、osition > NowPosition时，电机的下一转动方向为正转；当RequirePosition <NowPosition时，电机的下一转动方向为反转；当RequirePosition = NowPosition时，电机维持当前状态不变。确定转动方向后，可将运行状态定义为以下4种：停止、恒速、。各状态间转换的具体判别如下（以当前正转为例）：如果RequirePosition > NowPosition，则保持正转。当前状态为停止，则转为；当前为，则继续沿曲线至恒速段后，跳转到执行；当前为恒速，则继续保持恒速运行，直至RequirePosition NowPositio

9、n < L（距离）时，由恒速转为，置标志位SecDecBit = 1，跳转到；当前为，如果SecDecBit = 1，则沿曲线，跳转到执行。直至停止，否则从当前的速度沿曲线如果RequirePosition < NowPosition,当前状态为停止，则直接跳转至反转运行；当前为，则从当前速度沿曲线至一定速度后，跳转至反转；当前为恒速，则转为为反转，减至一定速度后跳转至反转；当前为，至一定速度后跳转。当前为反转情况下的4.3 速度曲线与上面类似。常用的加曲线有：匀加曲线、S形加曲线、指数曲线等。本文为方便编程，选择匀加恒速段和曲线为例，并使和曲线对称。一个完整的加曲线应：段、段。但

10、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和过程所需的距离，因此速段，而在曲线中间的某一点转为；中距离运行曲线具有完整的加曲线，但是没有恒速段；长距离运行时，具有完整的加和恒速段曲线。速度（V）速度（V）长距离距离中距离距离速度（V）短距离距离图 45结束语试明，在电脑灯系统中，采用自适应调速算法，并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参考文献，提高系统性能。123周. DMX512及应用.自动化博览.的步进电机自适应调速法.电子与自动化,1999(1).孙侃.单片机苏等.多步进电机算法研究.东华大学学报,2003.10. 4 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：，男，1977年生，工业大学机电学