多步进电机协同控制系统设计规划——邓林华.doc

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□  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； Abstract Key Words： 目 录 1.1课题来源及意义 1 1.2舞台灯简介及发展现状 2 1.3 DMX512协议简介 4 1.4论文主要工作 5 1.5本章小结 6 第二章 步进电机原理及控制算法 8 2.1步进电机控制理论分析 8 2.1.1步进电机工作原理 8 2.1.2三类步进电机的性能比较和运用 12 2.2步进电机的选型 13 2.2.1步进电机的数学模型[9] 13 2.3细分原理及数学模型 14 2.3.1步进电机细分原理的提出 14 2.3.2 细分驱动的分类及数学模型 15 2.4步进电机加减速数学模型 18 2.4.1线性加减速数学模型 18 2.4.2二次函数加减速数学模型 27 2.5本章小结 29 第三章器件选型及硬件电路的设计 30 3.1硬件电路的设计要求 30 3.2硬件电路总体规划 30 3.2.1控制芯片选型 31 3.2.2开发环境 34 3.3硬件电路的设计 35 3.3.1开关电源模块 35 3.3.2 RS485电平转换模块 36 RS-485接口标准 36 3.6步进电机信息反馈模块 38 3.6.1选择控制方式 38 3.6.2XY轴闭环控制 39 3.6.3霍尔复位 40 3.7 LCD控制面板 42 3.8 电子镇流器控制模块 43 3.9步进电机驱动模块 44 3.9.1主板电机驱动模块 44 3.9.2XY电机驱动模块 49 3.10 JTAG接口模块 50 3.10本章小结 52 第四章 系统软件设计 53 4.1软件总体框架的设计 53 4.2主板程序设计 55 4.2.1多任务设计常用方法 56 4.2.2 Protothreads简介 57 4.3主板电机的协同控制模块的设计 60 4.3.1Protothread主板电机任务调度器的设计 61 4.3.2Protothread下色盘电机功能的实现 64 4.3主板其它程序块的实现 67 4.4X、Y从控电机与主板电机的协同控制 68 4.4.1 X,Y电机驱动方式 68 4.4.2X、Y从控电机程序设计及流程图 69 4.5本章小结 73 第5章 总结与展望 74 5.1论文总结 74 5.2工作展望 74 参考文献 75 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