多步进电机协同控制系统设计-邓林华

文档收集于互联网，已重新整理排版文档收集于互联网，已重新整理排版.word版本可编辑，有帮助欢迎下载支持.11文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.南昌大学编号文盲审抽检多步进电机协同控制系统设计DesignofMulti-stepMotorControlSystem专业名称： 精密仪器及机械专业代码：种类（在相应方框内打）：V统招博士口统招硕士口同等学力人员申请硕士学位口工程硕士口高校教师在职攻读硕士学位口公共管理口工商管理口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）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；KeyWords：Abstract目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"课题来源及意义 1\o"CurrentDocument"舞台灯简介及发展现状 2\o"CurrentDocument"DMX512协议简介 4\o"CurrentDocument"论文主要工作 5\o"CurrentDocument"本章小结 6\o"CurrentDocument"第二章 步进电机原理及控制算法 8\o"CurrentDocument"步进电机控制理论分析 8 8 12\o"CurrentDocument"步进电机的选型 13 13\o"CurrentDocument"细分原理及数学模型 14 142.3.2细分驱动的分类及数学模型 15\o"CurrentDocument"步进电机加减速数学模型 18 18 27\o"CurrentDocument"本章小结 29\o"CurrentDocument"第三章器件选型及硬件电路的设计 30\o"CurrentDocument"硬件电路的设计要求 30\o"CurrentDocument"硬件电路总体规划 30 31 34\o"CurrentDocument"硬件电路的设计 35 35\o"CurrentDocument".2RS485电平转换模块 36—RS-485接口标准 36\o"CurrentDocument"步进电机信息反馈模块 38 38 39 40\o"CurrentDocument"LCD控制面板 42\o"CurrentDocument"电子镇流器控制模块 43\o"CurrentDocument"步进电机驱动模块 44 44 49\o"CurrentDocument"JTAG接口模块 50\o"CurrentDocument"本章小结 52\o"CurrentDocument"第四章系统软件设计 53\o"CurrentDocument"软件总体框架的设计 53\o"CurrentDocument"主板程序设计 55 56\o"CurrentDocument"4.2.2Protothreads简介 57\o"CurrentDocument"主板电机的协同控制模块的设计 60 61 64主板其它程序块的实现 67\o"CurrentDocument"X、Y从控电机与主板电机的协同控制 68X,Y电机驱动方式 68 69\o"CurrentDocument"本章小结 73\o"CurrentDocument"第5章总结与展望 74\o"CurrentDocument"论文总结 74\o"CurrentDocument"工作展望 74\o"CurrentDocument"参考文献 75第1章绪论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m^PU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舞台灯简介及发展现状舞台灯得名于英文IntelligentBeam。20世纪70年代末到80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。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DMX512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。⑶11文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.文档收集于互联网，已重新整理排版.word版本可编辑，有帮助欢迎下载支持.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文档收集于互联网，已重新整理排版文档收集于互联网，已重新整理排版.word版本可编辑，有帮助欢迎下载支持.11文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.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。[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1/2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］。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三类电机就综合性能而言混合步进电机最为出色，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。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］。电机运动方程：式中：3——电机转子的角速度；J——转子的转动惯量;mJ——负载折算到电机轴上的等效转动惯量；LD——粘性阻尼系数；T——电机电磁转矩；LT——负载转矩；m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：T——最大静转矩；smA0——机械失调角，即旋转磁场角位移与转子角位移之差；6——齿距角；zZ——电机转子齿数；r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：.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.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。[10].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只振动而不转.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°。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。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：T A、B两相的和力矩；0——合力矩与B相绕组的夹角；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e之间的关系式式中：T——A、B两相的合成电流；0——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：Ne(0,4Z)，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0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2.11两相正弦细分波形［12］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。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。当电机的速度处于共振速度(resonantspeed)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。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所示图2.14步进电机脉冲一个定时器在频率f[HZ]下产生这些脉冲，计数器c用来决定延时时间81t电机的角度a位置0角速度3由下式得到：式中spr为步进电机的小齿数，n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8t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。图2.16电机转速和驱动脉冲第一个计数器c和第n个计数器c由下式计算：0n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c乘上0.676。0由上可知加速度由c和n决定，当一个新的加速度被应用时一个新的n0值必须被计算出来。电机的速度、转动角度和决定电机加速度的tn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到达的步数所产生的的速度和加速度成反比：nld)l—利而工上式意味着要将加速度从要从31变到巴只需要改变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nn：11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：.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1max_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_lim<accel_lim时加速度受到所需速度的限制，真是减速的步数由decal_val决定.当所需要的速度没有到达时开始减速如图所示在到达电机所需速度是就开始减速图2.20电机速度曲线2当max_s_lim>accel_lim加速度在减速开始后受限，减速步数decal_val由下式计算：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DECEL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。速度由下式计算：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r=1叵设一、?Cn=%(V?/-1-yn]则上式可表达为使用泰勒多项式：推导出最后定时器的延时时间可以近似的转化为：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

f定时器的频率等于f=f/(dev*4)0式中：f为晶振频率0dev为预分频设启动频率为f对应的定时器初值为。1,脉冲定时为/，脉冲时间间隔为1n脉冲周期T和脉冲频率f。则定时器每计一个数的时间为t=1/f,定时器向上nn计数由Oxffff计到0x0000时溢出因此有T=(65535-(D—3))/f=(65538—D1)/f，启动频率f=f/(65538—D1)，11 1该设计的关键是确定脉冲定时t，脉冲时间间隔即脉冲周期T和脉冲频率f。n nn假设从启动瞬时开始计算脉冲数，加速阶段的脉冲数为n，并设启动瞬时为计时起点，定时器初值为D1，定时器初值的增加量为A。从加速阶段的物理过程可知，第一个脉冲周期，即启动时的脉冲周期C=65538/f，t=0。11T=1/f=(65538-C=65538/f，t=0。11111111TOC\o"1-5"\h\z由于定时器初值的修改，第2个脉冲周期T=C-(D+A)/f=T-A/f,脉21 1 1冲定时t2=Ti，则第n个脉冲的周期为：T=T-(n-1)A/f (1)(n-1)(n-(n-1)(n-2)A

x—(2)t=T+ + T=(n-1)T-n1 n-1 1脉冲频率为：1/f=T=T-(n-1)A/f(3)nn1上式分别显示了脉冲数n与脉冲频率f和时间1的关系。令A/f=5，即加速阶段相邻两脉冲周期的减量，则上述公式简化为：t=(n-1)*T-(n-2)(n-1)*8/2⑷n11/f=T-(n-1)*8 (5)n1由(4)，(5)并简化f与t的关系，得出加速阶段的数学模型为：2 nnf= • (6)nA+:B-Ctnn其中，是常数，其值与定时器初值及定时器变化量有关，A=-8C=88B=(2T+8)21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。11文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.文档收集于互联网，已重新整理排版.word版本可编辑，有帮助欢迎下载支持.2.5本章小结执行机构类型的选定是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。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，输入电压范围为110VAC~200VAC，一共三路输出电压，分别为+32VDC、+12VDC、+5VDC；.通过RS485电平转换可支持控制台标准数字接口DMX512通信协议；.部分风机PWM调速；.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；.JTAG在线调试；.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；.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；.可实现多机主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：文档收集于互联网，已重新整理排版文档收集于互联网，已重新整理排版.word版本可编辑，有帮助欢迎下载支持.11文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.（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。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^UP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。.主控芯片LPC2148简介①总体描述［16］LPC2148是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16位ARM7TDMI-SCPU的微控制器，并内嵌128的高速Flash存储器。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。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（USB2.0Device（全速）、多个UART、SPI、SSP和I2C总线接口）和8kB〜40kB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。ARM7TDMI-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。②.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-SCPU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，ARMAMBA总线的兼容超集）口力。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。图3.2LPC2148内部方框图［17］2.X、Y从控制芯片PIC16F873简介PIC16F873单片机是MICROCHIP公司生产的中级产品，具有FLASH程序存储器和PWM的8位CMOS单片机。PIC16F873（A）包含4Kx14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8KX14,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转换器口81。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3.3PIC16F873内部结构框图［19］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ARMDeveloperSuite，成熟版本为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、WindowsXP、Windows2000以及RedHatLinux上运行［20］。ADS1.2由6个部分组成如下表所示表3.1ADS1.2编译环境由于用户一般直接操作的是CodeWarriorIDE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ADS1.2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，开关电源设计采用宽电压输入，输入电压范围达到100VAC~220VAC，输出电压范围为+5V、+12V以及+32V，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。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11文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.文档收集于互联网，已重新整理排版.word版本可编辑，有帮助欢迎下载支持.3.3.2RS485电平转换模块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4-2RS-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驱动器带载输出电压RL=100Q，逻辑11.5V5VRL=100Q，逻辑0-1.5V-5V驱动器输出短路电流每个输出对公共端士250mA驱动器输出上升时间RL=54Q，C=50pF总周期的30%驱动器共模电压RL=54Q土3V接收器灵敏度-7V<V<12VCM士200mV接收器共模电压范围-7V+12V接收器输入电压12kQ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。文档收集于互联网，已重新整理排版文档收集于互联网，已重新整理排版.word版本可编辑，有帮助欢迎下载支持.11文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.有效传输距离（m有效传输距离（m）＜108bit/s-m数据传输速率(biMs)RS-485多机通信的实现[22]1、总线驱动芯片常用的RS-485总线驱动芯片有SN75174，SN75175，SN75176。SN75176芯片有一个发送器和接收器，非常适合作为RS-485总线驱动芯片。SN75176及其逻辑图图如3.4a）、b）所示。a） b）图3.4SN75174引脚图2、RS-485方式构成的多机通信原理在单片机构成的多机串行通信系统中，一般采用主从式结构：从机不主动发送命令或数据，一切都由主机控制。并且在一个多机通信系统中，只有一台主机，各台从机之间不能相互通信，即使有信息交换也必须通过主机转发。舞台灯控制系统中所指的主机即使DMX512控台。采用RS-485构成的多机通信原理框图如图3.5所示。在总线末端接一个匹配电阻，吸收总线上的反射信号，保证正常传输信号干净、无毛刺。匹配电阻的取值应该与总线的特性阻抗相当。当总线上没有信号传输时，总线处于悬浮状态，容易受干扰信号的影响。将总线上差分信号的正端A和+5电源间接一个10K的电阻；正端A和负端B间接一个10K的电阻；负端B和地间接一个10K的电阻，形成一个电阻网络。当总线上没有信号传输时，正端A的电平大约为3.2V，负端B的电平大约为1.6V，即使有干扰信号，却很难产生串行通信的起始信号0，从而增加了总线抗干扰的能力。图3.5多机通信原理框图3.6步进电机信息反馈模块步进电机的控制按照控制方式可以分为闭环控制、半闭环控制和开环控制。开环控制步进电机开环控制系统是指不带角度反馈装置的控制系统，MCU直接通过步进电机驱动器驱动步进电机。MCU经过控制运算对驱动器发出脉冲信号，每一脉冲信号使步进电机转动一定的角度。这种控制系统较为简单，使用比较方便，但是控制精度不高。半闭环控制步进电机半闭环控制系统是在开环控制系统的控制控制中将角位移检测装置安装在传动链的旋转部分，将角位移检测装置测量的角度位置作为反馈信息与输入原指令位移值进行比较，用比较后的差值进行控制，使移动部件补充位移，直到差值消除为止的控制系统。这种伺服机构所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服机构。闭环控制步进电机闭环控制是在转盘上安装步进电机角度检测装置，将检测到的实际角度反馈到MCU，MCU将其与输入的原角度指令进行比较，用比较后的差值控制步进电机的补充角度，直到差值消除才停止转动，达到对步进电机的精确定位控制。三种方式中，闭环控制精度最高，半闭环次之，开环最低。舞台灯要求每个受控电机都实现精确定位，但是不同电机的控制精度要求不一。X、Y轴电机承载着除基座外的整机重量，转动惯量大，且机体暴露在空气中容易受到人为因素的干扰，因此控制精度要求最高，选择闭环控制。而其它的部分，如频闪片、CMY混色、CTC色温、颜色盘、图案盘、图案旋转、效果盘、光圈、调焦放大盘等，这些部分转动惯量较小，且全部装在机壳里面不易受到人为干扰，对精度要求较低，为了降低控制系统的成本和减少系统的复杂性，对这些部分采用开环控制方式，只是在整机复位时对这些部分进行闭环控制定位。XY轴的控制精度要求高，因此采用了闭环控制。目前，检测位有两种。一种方法是使用位置传感器，测量量由变送器经A/D转换成数字量，送至系统步处理。此方法虽然检测精度高，但在多路置监控系统中，由于其成本昂贵、安装困难适用。另一种方法是使用光电编码器。光电编码器是高精度控制系统常用的角位移检测传感器。可直接用于检测角度和角速度，间接用于检测直线位移和直线速度。光电编码器电路图分别如图3.6所示。图3.6光电编码器电路光电编码器输出信号如图3.12所示。当控制对象发生位置变化时，光电编码器便会发出A、B两路相位差90°的数字脉冲信号。正转时A超前B为90°，反转时B超前A为90°。通过软件或者硬件鉴相处理可以判断出电机的正转或者反转。脉冲的个数与角位移量成比例关系，因此，通过对脉冲计数就能计算出相应的角位移。图3.6光电编码器输出信号整机上除XY轴电机以外的其他电机采用开环控制，复位时用霍尔元件对电机进行定位。霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。霍尔元件的工作原理所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。霍尔开关电路霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。在外磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阈值BOP时，霍尔电路输出管导通，输出低电平。之后，B再增加，仍保持导通态。若外加磁场的B值降低到BRP时，输出管截止，输出高电平。我们称BOP为工作点，BRP为释放点，BOP—BRP=BH称为回差。回差的存在使开关电路的抗干扰能力增强。霍尔开关电路的功能框如图3.7所示。输出特性如图3.8所示。图3.7霍尔开关电路的功能框图 图3.8霍尔开关电路的输出特性一般规定，当外加磁场的南极（S极）接近霍尔电路外壳上打有标志的一面时，作用到霍尔电路上的磁场方向为正，北极接近标志面时为负。步进电机霍尔定位电路原理图如图3.9所示。图3.9步进电机霍尔定位电路原理图LCD控制面板LCD控制面板用来设置地址和灯具特性，实现人机交互，实现菜单控制功能。LCD采用图形点阵的液晶显示器12832,它主要有行驱动器/列驱动器及128*32全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可显示8*2个（16*16）汉字。主要特性如下：背光颜色：黄色字体颜色：黑色

控制器：ST7920字库：带汉字字库接口：可以串行，或者并行工作LCD12832系列原理简图如图3.10所示。图3.10LCD12832系列原理简图LCD12832控制面板电路图如图3.11所示。图3.11LCD12832控制面板电路图电子镇流器控制模块使用半导体电子元件，将直流或低频交流电压转换成高频交流电压，驱动低压气体放电灯（杀菌灯）、卤钨灯、金属卤化物灯等光源工作的电子控制装置，其基本工作原理是：工频电源经过射频干扰（RFI）滤波器，全波整流和无源（或有源）功率因数校正器（PPFC或APFC）后，变为直流电源。通过DC/AC变换器，输出20K-100KHZ的高频交流电源，加到与灯连接的LC串联谐振电路加热灯丝，同时在电容器上产生谐振高压，加在灯管两端，但使灯管“放电”变成“导通”状态，再进入发光状态，此时高频电感起限制电流增大的作用，保证灯管获得正常工作所需的灯电压和灯电流，为了提高可靠性，常增设各种保护电路，如异常保护，浪涌电压和电流保护，温度保护等等。电子镇流器可以设计成调光型，支持灯泡功率0-100%线性调节。镇流器控制灯泡开启/关闭和功率调节工作流程如图3.12所示。镇流器

信号控

制接口=电子镇流器=触发器=灯泡镇流器

信号控

制接口=电子镇流器=触发器=灯泡3.12镇流器控制灯泡开启/关闭和功率调节工作流程点泡和功率调节电路原理图如图3.13所示。图中J0接温控开开关，用于限制灯泡温度，当温度超过设定温度之后断开灯泡；J1接灯泡点泡/灭泡控制端，用于控制灯泡的开启/熄灭；J2接灯泡功率调节端，PWM实现灯泡功率0-100%线性调节。图3.13点泡和功率调节电路原理图如图11文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.文档收集于互联网，已重新整理排版.word版本可编辑，有帮助欢迎下载支持.步进电机驱动模块主板电机都为两相混合步进电机采用斩波式恒流驱动方式的该方式基于恒流开关控制模式，通过对电机每相负载电流的控制，也就是细分控制，有效地减小电机的步距角，从而可获得更好的低速性能和定位精度;为实现恒流驱动，需要引入更高的电机驱动电压，达到更高的负载电流变化率，这对于电机动态性能的提高无疑是有益的［23］［24］。日本JRC公司生产的NJM3771属于数字型接口恒流驱动电路，与该公司的NJU39610FM2配合专门为驱动双极型两相步进电机而设计，能够方便的实现细分驱动步进电机。在步进电机控制系统中与MCU硬件接口和软件方面都非常简捷［25］。NJM3771逻辑框图如图3.20所示。芯片具有两个驱动通道，每个通道包含以下几部分：一个H型全桥输出电路，每个驱动通道的驱动电流达650mA（或者两个通道同时输出500mA），一个续流二极管及相应的控制电路，该电路还有一R振荡器，产生供两个通道共用的时钟基准，一个RS电压采样电路，步进电机在高速旋转时可选择慢速/快速衰减模式，这对提高步进电机的动态性能以及降低噪音十分有益。PID22封装形式的NJM3771引脚分布如表3.4所示。恒流驱动是通过对H型开关全桥的控制得到的。以通道1为例，检测电阻Rs将负载电流变换成电压值，经过低通滤波送至比较器，与给定值（由Vri决定）进行比较，当电流值大于给定值时，比较器的输出使触发器复位，经过控制逻辑关断输出三极管，之后负载电流开始下降，直至下一个时钟电平到来时，与比较器的输出共同决定输出级的状态。因此负载电流峰值i=0.18.v/r。低通P rs滤波器的使用可以有效地抑制由于干扰引起的误动作,但其延时作用也会引起负载电流的控制误差。图3.20NJM3771内部结构图NJU39610原理框图如图3.21所示。它是专门为配合NJM3771而设计的D/A转换器具有7位分辨率，以及电流方向控制和电流衰减模式控制输出。PID22封装形式的NJU39610引脚分布如表3.5所示。图3.21NJU39610原理框图NJU39610包含有两个DAC通道，每个通道包含两个寄存器，一个数字比较器，一个锁存器，一个D/A转换器。其中一个寄存器用于存储当前状态，快速电流衰减模式初始化，CD输出端决定电机驱动采用快速衰减模式还是慢速衰文档收集于互联网，已重新整理排版文档收集于互联网，已重新整理排版.word版本可编辑，有帮助欢迎下载支持.11文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.减模式。表3.4NJM3771D2DIP22封装引脚分布引脚序号符号功能1MB1通道1电机输出端，当Phase1为高时，电机电流从MA1流向M1 MB12E1通道1检测电阻端3VMM1通道1电机供电电源，10V-40V，与VMM2相连4MA1通道1电机输出端5,6,17,18GND地，同时也是芯片的主要热传递途径7Phase1通道1负载电流方向控制1：MjMB]0：MB1fMA18CD1通道1电流衰减模式控制端1：慢速衰减模式0：快速衰减模式9VR1通道1参考电流输出端，典型输入阻抗为2.5KQ±20%10C1通道1比较器输入端11VCC逻辑电路供电端12RCRC时钟输入端，典型值：R=15KQ,C=3300pF时，时钟频率为26.5KHz13C2通道2比较器输入端14VR2通道2参考电流输出端，典型输入阻抗为2.5KQ±20%15CD2通道2电流衰减模式控制端1：慢速衰减模式0：快速衰减模式

16Phase2通道2负载电流方向控制1：m「mb20：MB2fMa219MA2通道2电机输出端20VMM2通道2电机供电电源，10V-40V,与VMM1相连21E2通道2检测电阻端22MB2通道1电机输出端，当Phase1为高时，电机电流从MA1流向M1 MB1数字比较器将新值与当前值和预先设这的快速电流衰减值比较，如果新值比另外两个值都小，则进入快速电流衰减模式，锁存器将新的D/A值从CD输出，快速衰减模式用于防止在电机高速运行时电流减小导致滑步现象的出现，使电机平稳运行。NJM3771D2和NJU39610FM2典型应用电路图如图3.21所示。表3.5NJU39610FM2DIP22封装引脚分布引脚序号符号功能1VRef参考电压输入端，推荐值：2.5V,最大值：3V2DA1通道1D/A转换输出端3Sign1通道1电机电流方向控制输出端4CD1通道1电机电流衰减模式输出端5VDD芯片正电源端，5V±5%6/WR工作寄存器写信号7D7数据输入第八位，TTL/CMOS兼容8D6数据输入第七位，TTL/CMOS兼容9D5数据输入第六位，TTL/CMOS兼容10D4数据输入第五位，TTL/CMOS兼容11D3数据输入第四位，TTL/CMOS兼容

12D2数据输入第三位，TTL/CMOS兼容13D1数据输入第二位，TTL/CMOS兼容14D0数据输入第一位，TTL/CMOS兼容15A0工作寄存器地址输入端，TTL/CMOS兼容16A1工作寄存器地址输入端，TTL/CMOS兼容17/CS片选输入端，TTL/CMOS兼容18VSS芯片负电源端19CD2通道2电机电流衰减模式输出端20Sing2通道2电机电流方向控制输出端21da2通道2D/A转换输出端22Reset芯片复位输入端，高电平有效图3.21NJM3771D2和NJU39610FM2典型应用电路图XY选用三相混合步进电机采用SPWM细分驱动方式，电机驱动采用如图3.22的星型电路，驱动H桥驱动芯片采用意法半导体的L6384。图3.22星型电机驱动电路ST公司的L6384是专门的不对称半桥驱动芯片，其原理图及外围电路如图3所示。单脉冲从1脚(12输入，5脚(HVG)和7脚(LVG)输出互补的脉冲。3脚(DT/ST)外接电阻和电容来控制两路输出的死区时间。当3脚的电平低于0.5V的时候，芯片停止工作。专用芯片具有外围电路简单、占用空间小的特点[26JL6384内部结构图如图3.23所示图3.23L6384内部结构图JTAG接口模块JTAG是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试。现在多数的高级器件都支持JTAG协议，如DSP、FPGA器件等。标准的JTAG接口是4线:TMS、TCK、TDI、TDO,分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。相关JTAG引脚的定义为：TCK为测试时钟输入；TDI为测试数据输入，数据通过TDI引脚输入JTAG接口；TDO为测试数据输出，数据通过TDO引脚从JTAG接口输出；TMS为测试模式选择，TMS用来设置JTAG接口处于某种特定的测试模式；TRST为测试复位，输入引脚，低电平有效［2力。JTAG编程方式是在线编程，传统生产流程中先对芯片进行预编程现再装到板上因此而改变，简化的流程为先固定器件到电路板上，再用JTAG编程，从而大大加快工程进度。JTAG接口可对PSD芯片内部的所有部件进行编程。采用ARM公司提出的标准20脚JTAG仿真调试接口，JTAG信号的定义如表4-2所示。与LPC2148的连接如图3.22所示。3.10本章小结原来简单的8位主控CPU难以满足系统的要求，这样出现主从两个CPU联合的控制系统。为了提高电脑灯各个部分的控制精度，XY控制系统对步进电机的控制也由原来的简单的细分发展到目前的流行的SPWM驱动控制，同时用新型的三相混合步进电机代替原来应用在X轴和Y轴的两相步进电机。完成了对控台DMX512控制信号接收及XY从控板信号发送模块，LCD键盘人机交流操作模块，电机驱动模块，各电机复位信息反馈模块，JTAG接口模块等硬件电路的设计，为软件的设计打下了坚实的硬件基础。11文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.文档收集于互联网，已重新整理排版.word版本可编辑，有帮助欢迎下载支持.第四章系统软件设计软件的设计是舞台灯控制系统的核心部分也是本文的设计重点，本章在前几章控制算法和硬件电路的基础上完成了软件部分的编写，实现了舞台灯的各种控制功能。软件总体框架的设计本控制系统的主要是通过对多电机的协同控制从而实现舞台灯的各种控制效果，在主控板电路上单一块LPC2148微处理器实现了16个步进电机的控制，X、Y从板分别由一块PIC16F873单片机控制以实现电脑灯的空间运动。主板通过信号接收模块接收来自控台的控制信号，主板程序将接收的到的控制信号分为两类一类是属于主板自身效果电机的命令，另一类是发给XY从控板的控制命令。程序流程及所含功能框图如图4.1所示，在主程序块的调度程序下按照电脑灯的控制要求完成实现控台命令接受和发送的通讯程序块，实现各电机功能效果的驱动程序，实现菜单显示和按键操作的程序块，上电后各电机零点位置的程序块，以及完成初始化的程序块等程序块的调度。图4.1主控板总体框架设定图4.2为X、Y从控板的程序框架，X、Y从控板只有当上电复位时有自主控制功能，其他时候其控制命令都是来源于主板程序，如图所示XY主要包括控制信号接收部分接受来自主板的控制程序块、电机驱动程序块、行程开关复位模块和光耦位置反馈判断程序块。图4.2从控X、Y板总体框架设定主板程序设计主板程序是程序设计核心中的核心它需要完成如人机操作界面，各种效果盘如色盘、光圈、图案盘、调焦、放大、等电机的运动控制，接收来自控台的DMX512控制信号将属于X、Y的控制数据发送到X、Y控制电路板，此外还要完成如灯泡温度、主板温度等的温度检测以及开机复位的亮点位置检测。由于主板程序涉及的任务众多，就电机部分就包含了16个电机的控制任务。因此为了方便程序的设计及电脑各项控制功能的灵活调度在设计主控板嵌入了文档收集于互联网，已重新整理排版文档收集于互联网，已重新整理排版.word版本可编辑，有帮助欢迎下载支持.11文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.Protothreads多任务系统。程序开发中多任务的设计常用的受有while循环，基于switch{case}的状态机，嵌入他人开发的操作系统。程序开发人员可以依据控制系统的需求，来选择适合自己的多任务处理方式。1、while循环死循环方法是最常用的多任务处理方法。其程序结构通常如下：While（condition）{if（触发条件1）任务1（）；if（触发条件2）任务3（）；if（触发条件3）任务1（）；if（触发条件4）任务4（）；}实际程序中往往是用中断或其他任务来触发各个任务的执行条件。该方法思路简洁，没有多余的硬件资源消耗，程序的设计和调试都十分便捷。但这种的缺点很明显：程序无法保证各个任务的并发执行。如果循环中某个任务需要长时间等待，在这种结构中无法将其暂时阻塞，从而导致其他任务的执行都受到影响。如果程序中有任务有实时性要求，显然这种程序结构是难以满足的[28]。2、状态机方法有限状态机（FSM）方法是一种重要的程序设计方法，有成熟的理论基础。在事件驱动型程序设计以及硬件描述语言程序（如VHDL，Verilog等）设计中，该方法有广泛的应用，而且有众多软件开发工具的支持。该方法需要事先建立程序状态转换图，根据状态转换图在程序中通过判断状态标志变量的状态，引导程序在各个任务之间跳转，从而实现多任务程序。在C语言中，该方法往往通过switch-case的程序结构来实现。同时，通过随时向指定的任务跳转，该程序结构也能够实现类似于程序阻塞的操作，让实时性要求更高的程序得以及时执行。状态机程序同样不会引入过多的硬件资源消耗，很适合嵌入式环境。该方法的缺点主要在于程序状态较多的时候，程序状态图较难建立。此外状态机程序往往是一种网状的程序结构，程序的设计、维护和调试与其他方法相比难度较大［29］。3、嵌入式操作系统方法嵌入式操作系统为嵌入式环境的多任务设计提供了完善的解决方法。无论是面向低端硬件设备的简单系统，例如uC/OS-II、Contiki、FreeRTOS等；还是面向高端硬件的例如WindowsCE、嵌入式Linux等复杂嵌入式操作系统；均提供了完整的进程(线程)环境、消息邮箱、信号量等机制，以及相应的任务调度器。能够十分方便的进行多任务程序设计，同时通过各种调度算法满足各种不同优先级任务的实时性要求。但该方法也有很多约束性：首先是对硬件资源要求很高，至少是数十KB的RAM以及数百KB的ROM，复杂嵌入式系统甚至要求数MB的RAM和数十MB的ROM，这将带来硬件成本巨大上升，但实际应用中很多场合并不需要这么高端的硬件资源。同时，复杂的软硬件环境使得软硬件的设计过程过于复杂和专业，设计周期也因此变长。此外，嵌入式操作系统多数是商业软件，授权费用昂贵，而且硬件上往往需要一系列与之配套的芯片，高昂的成本使得这种方法对于简单嵌入式设备并不适合［30］。4.2.2Protothreads简介Protothreads是由瑞典计算机科学研究所的科学家AdamDunkels所创的一种新的线程编程方法。Protothreads是专门为资源紧张的系统设计的一种耗费资源少,且不使用堆栈的线程模型,它可以不使用复杂的状态机机制来实现顺序流的控制［31］。简单地说,Protothreads借鉴了用C语言实现协同(co-routine)的原理,它应用switch-case语句的直接跳转功能，实现了有条件阻塞(conditionalblock),最终实现了虚拟的并行处理功能(concurrent)。实际上,Protothreads并不是真正的线程,在多任务的切换中并不会真正涉及上下文的切换,其线程的调度也仅仅是依靠隐式的return,进而退出函数体来完成的。但是rotothreads的优点却是实实在在的。首先它不需要堆栈空间，而正如笔者用宏实现的那样,Protothreads也实现了很多只有线程编程方法才能实现的机制,比如阻塞。而用宏进行了封装之后,使用者完全可以像使用线程一样使用它们,而且其逻辑更加简化,这大大增加了程序的清晰度,并降低了开发维护的难度。在对实时性要求比较高或者说要求并行处理的场合，往往需要在任务A执行到一定程度、等待事件C发生时，退出当前任务A并转而执行任务B;当事件C发生之后，系统继续回到任务A