一種高性能步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計

1、資金項目:國家自然科學(xué)資金(50475044,教育部科技研究重點(diǎn)項目(2004106,高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項科研基金(20040562005,廣東省自然科學(xué)基金(04300155一種高性能的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計黃詩涌 王曉初 廖永進(jìn) 徐震 易理告(廣東工業(yè)大學(xué),廣東,廣州,510090摘 要: 文中介紹了一種應(yīng)用于舞臺電腦燈控制系統(tǒng)的高性能步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng),以及步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動原理和自適應(yīng)調(diào)速算法。使用細(xì)分驅(qū)動可以顯著地減小步進(jìn)電機(jī)的低頻振動;使用自適應(yīng)調(diào)速法,可以在保證系統(tǒng)的實時響應(yīng)性的前提下,實現(xiàn)不同運(yùn)行狀態(tài)間的平滑過渡。關(guān)鍵詞:步進(jìn)電機(jī),細(xì)分驅(qū)動,自適應(yīng)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 引言早期的電腦燈結(jié)構(gòu)簡單、功能單一。隨著舞臺燈光技術(shù)的不斷發(fā)展,功能單一的電腦燈已不能滿足市場的需求,于是出現(xiàn)了各種功能豐富、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電腦燈。本文所介紹的電

4、腦燈包含六個通道,分別控制Z(Pan軸旋轉(zhuǎn)、Y(Tilt軸旋轉(zhuǎn)、顏色切換、圖案切換、圖案旋轉(zhuǎn)、遮光片開合等。本電腦燈的各種動作如燈體轉(zhuǎn)動、顏色變化、頻閃等,均采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。本系統(tǒng)根據(jù)不同的功能特點(diǎn),針對不同功能的步進(jìn)電機(jī)采用不同的細(xì)分方案和運(yùn)動控制算法,以使在實現(xiàn)系統(tǒng)基本功能的前提下,達(dá)到最佳的運(yùn)行性能。2 機(jī)械結(jié)構(gòu) 圖 1 圖 2系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。燈體的旋轉(zhuǎn)由Pan 電機(jī)和Tilt 電機(jī)控制。Pan 電機(jī)轉(zhuǎn)角為0540度,Tilt 電機(jī)轉(zhuǎn)角為0270度,可實現(xiàn) 3/4 球面內(nèi)的任意曲線控制。 如圖2,在燈體內(nèi)還裝有四個步進(jìn)電機(jī),分別控制燈光的顏色變換,圖案變換,圖案旋轉(zhuǎn)和頻

5、閃。顏色和圖案的變換,是由步進(jìn)電機(jī)帶動色盤和圖案盤旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)的。光源產(chǎn)生的強(qiáng)光通過顏色片和圖 案片形成一定形狀顏色的光柱,再加上遮光片的頻閃,即可實現(xiàn)各種藝術(shù)效果?？刂葡到y(tǒng)分上位機(jī)和下位機(jī)控制。上位機(jī)實現(xiàn)場景效果的編程以及數(shù)據(jù)的傳送;下位機(jī)接收數(shù)據(jù),完成步進(jìn)電機(jī)的速度、位置控制。在上位機(jī)與下位機(jī)之間采用RS485總線和標(biāo)準(zhǔn)的DMX512協(xié)議通訊。3 驅(qū)動電路圖3為系統(tǒng)部分控制電路示意圖?？刂破鞑捎肨I 公司的16位單片機(jī)MSP430。驅(qū)動芯片采用JRC 公司的兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器NJM3775。TLV5620為8位串行D/A 轉(zhuǎn)換器。MSP430具有指令執(zhí)行速度快的特點(diǎn)。在8MHz 晶振下的單周期

6、指令的執(zhí)行時間為125ns ,可以滿足系統(tǒng)對實時響應(yīng)性的需要。NJM3775為雙路斬波驅(qū)動器,每相最大輸出電流可達(dá)750mA 。 圖 3 4 軟件設(shè)計4.1 細(xì)分原理及細(xì)分?jǐn)?shù)的選擇由于舞臺燈的性能要求,Z 軸(Pan 電機(jī)和Y 軸(Tilt 電機(jī)起停和加減速要求必須平滑、穩(wěn)定。而兩相步進(jìn)電機(jī)在整步或半步運(yùn)行時振動均較大,因此在電機(jī)的驅(qū)動中采用了恒轉(zhuǎn)矩細(xì)分技術(shù)。電機(jī)兩相細(xì)分電流的計算公式分別為:2/(N M Sin I I a =2/(N M Cos I I b = 式中: I - 峰值電流M 細(xì)分?jǐn)?shù)N - 脈沖序號(04M 的整數(shù)。在軟件設(shè)計過程中,為了減少系統(tǒng)的運(yùn)算量,提高程序的執(zhí)行效率,將

7、所有細(xì)分步的電流值制成電流值表,供步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動程序調(diào)用。考慮到燈體和燈架的質(zhì)量較大,由于慣性作用產(chǎn)生的振動也較大。因此應(yīng)對Z 軸和Y 軸電機(jī)采用細(xì)分驅(qū)動。但是過大的細(xì)分?jǐn)?shù)將增加處理器的負(fù)擔(dān),影響系統(tǒng)的響應(yīng)性能。所以在實際編程中,加速段和減速段采用細(xì)分?jǐn)?shù)遞減(328的方法,恒速段選用8細(xì)分。其余四個電機(jī)在功能要求上都有負(fù)載小,運(yùn)行速度低的特點(diǎn)。因此綜合快速性和平滑性考慮,選用16細(xì)分。4.2 自適應(yīng)調(diào)速算法在舞臺電腦燈控制系統(tǒng)中,當(dāng)收到一個新指令時,電腦燈并不是執(zhí)行完當(dāng)前的指令再執(zhí)行最新的指令,而是實時地響應(yīng)最新的指令。因此,當(dāng)收到新指令時,步進(jìn)電機(jī)可能處于停止、加速、恒速、減速等運(yùn)行狀態(tài)。為了

8、保證步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性,程序必須確定步進(jìn)電機(jī)的下一運(yùn)動狀態(tài)是什么,如何過渡。解決的方法就是自適應(yīng)調(diào)速算法。在本控制系統(tǒng)中,將電機(jī)當(dāng)前位置(NowPosition 和目標(biāo)位置(RequirePosition 進(jìn)行比較。當(dāng)RequirePosition NowPosition 時,電機(jī)的下一轉(zhuǎn)動方向為正轉(zhuǎn);當(dāng)RequirePosition NowPosition ,則保持正轉(zhuǎn)。當(dāng)前狀態(tài)為停止,則轉(zhuǎn)為加速;當(dāng)前為加速,則繼續(xù)沿加速曲線加速至恒速段后,跳轉(zhuǎn)到執(zhí)行;當(dāng)前為恒速,則繼續(xù)保持恒速運(yùn)行,直至RequirePosition NowPosition L (減速距離時,由恒速轉(zhuǎn)為減速,置標(biāo)志位Se

9、cDecBit = 1,跳轉(zhuǎn)到;當(dāng)前為減速,如果SecDecBit = 1,則沿減速曲線減速直至停止,否則從當(dāng)前的速度沿加速曲線加速,跳轉(zhuǎn)到執(zhí)行。如果RequirePosition NowPosition, 當(dāng)前狀態(tài)為停止,則直接跳轉(zhuǎn)至反轉(zhuǎn)加速運(yùn)行;當(dāng)前為加速,則從當(dāng)前速度沿減速曲線減速至一定速度后,跳轉(zhuǎn)至反轉(zhuǎn)加速;當(dāng)前為恒速,則轉(zhuǎn)為減速,減至一定速度后跳轉(zhuǎn)至反轉(zhuǎn)加速;當(dāng)前為減速,減速至一定速度后跳轉(zhuǎn)為反轉(zhuǎn)加速。當(dāng)前為反轉(zhuǎn)情況下的判斷與上面類似。4.3 速度曲線常用的加減速曲線有:勻加減速曲線、S形加減速曲線、指數(shù)曲線等。本文為方便編程,選擇勻加減速曲線為例,并使加速和減速曲線對稱。一個完整的

10、加減速曲線應(yīng)包括:加速段、恒速段和減速段。但是根據(jù)每一次指令需運(yùn)行距離的長短,如圖4所示,可將運(yùn)行曲線分為:短距離、中距離和長距離運(yùn)行曲線。在短距離運(yùn)行曲線中,由于運(yùn)行的距離小于完成完整的加速和減速過程所需的距離,因此沒有完整的加減速和恒速段,而在加速曲線中間的某一點(diǎn)轉(zhuǎn)為減速;中距離運(yùn)行曲線具有完整的加減速曲線,但是沒有恒速段;長距離運(yùn)行時,具有完整的加減速和恒速段曲線。 圖 45 結(jié)束語試驗證明,在電腦燈控制系統(tǒng)中,采用自適應(yīng)調(diào)速算法,并針對不同功能的步進(jìn)電機(jī),采用不同細(xì)分方案,能有效地利用有限的硬件資源,提高系統(tǒng)性能。參考文獻(xiàn) 1 周洪建. DMX512控制網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用.自動化博覽. 2 孫侃.單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)自適應(yīng)調(diào)速法.電子與自動化,1999(1. 3 鮑蘇蘇等.多步進(jìn)電機(jī)控制算法研究.東華大學(xué)學(xué)報,2003.10.速度(V 距離 V 速度(V 距離長距離中距離 短距離 距離 4 鄒豪杰等.數(shù)字粘度計中步進(jìn)電機(jī)微步細(xì)分的設(shè)計與實現(xiàn).計算技術(shù)與自動化,2004.9,23(3.作者簡介:黃詩涌,男,1977年生,廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院碩士研究生,研究方向:微電子封裝設(shè)備。身份證號:362126*,地址:廣州市廣東工業(yè)