一种高性能的步进电机运动控制系统设计

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1、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AHighPerformanceControlSystemOfSteppingMotorAbstract:Thispaperintr

2、oduceahighperformancecontrolsystemofsteppingmotorusedinstagelightcontrolsystem,andthetheoryofsubdividedriveofsteppingmotorandthemethodofadaptivecontrol.Itcandecreasethequiverunderlowfrequencyofsteppingmotorgreatlybyusingsubdividedriver.Anditcansmooththeswitching

3、ofdifferentrunningstateofsteppingmotorbyusingadaptivecontrolmethod.Keywords:steppingmotor,subdividedrive,adaptivecontrol1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

4、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0～540度，Tilt电机转角为0～270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，图案旋转和频闪。颜色和资金项目：国家自然科学资金（50475044），教育部

5、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

6、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

7、术。电机两相细分电流的计算公式分别为：I=I∗Sin((π/2M)∗N)aI=I∗Cos((π/2M)∗N)b式中：I－峰值电流M―细分数N－脉冲序号（0～4M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（32～8）的方法，恒速段选用8细分。其

8、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。为了保证步进电机运行的平稳性，