多步进电机协同控制新版专业系统设计邓林华.doc

南昌大学
学位论文盲审抽检

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□ 统招研究生□ 同等学力人员申请研究生学位□
工程研究生□ 高校教师在职攻读研究生学位□ 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一某些，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。而舞台灯控制实质是对各种步进电机协同控制，本文在合伙公司既有舞台灯机械构造基本上完毕了多电机协同控制系统设计：
（1）完毕了符合控制规定多电机控制算法设计，针对步进电机原理为其建立数学模型并根据该模型采用电流矢量恒幅均匀旋转法来实现驱动电流细分方式，依照主从板电机速度控制差别为其建立了不同加减速数学模型，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）完毕了符合控制规定硬件电路设计，主板采用飞利浦公司高性能功能LPC2148单片机完毕对主板16路效果电机控制和从板电机控制命令发送，从板采用微星PIC16F873单片机完毕两路位置电机控制，根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作为电机驱动方式。
（3）完毕了软件系统设计，主板程序完毕了基于Protothreads嵌入式系统多任务调度器设计了从而实现了16路效果电机协同控制和各种效果实现，从板程序完毕了电脑X、Y轴控制位置了控制并针对其转动惯量大特点采用光电编码盘实现角位移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，硬件方面选取抗干扰能力强元器件优化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。

核心词：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舞台灯简介及发呈现状 2
1.3 DMX512合同简介 4
1.4论文重要工作 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性能比较和运用 12
2.2步进电机选型 13
2.2.1步进电机数学模型[9] 13
2.3细分原理及数学模型 14
2.3.1步进电机细分原理提出 14
2.3.2 细分驱动分类及数学模型 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设计 30
3.1硬件电路设计规定 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硬件电路设计 35
3.3.1开关电源模块 35
3.3.2 RS485电平转换模块 36
3.3.2.1 RS-485接口原则 36
3.6步进电机信息反馈模块 38
3.6.1选取控制方式 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软件总体框架设计 53
4.2主板程序设计 55
4.2.1多任务设计惯用办法 56
4.2.2 Protothreads简介 57
4.3主板电机协同控制模块设计 60
4.3.1Protothread主板电机任务调度器设计 61
4.3.2Protothread下色盘电机功能实现 64
4.3主板其他程序块实现 67
4.4X、Y从控电机与主板电机协同控制 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
参照文献 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一款舞台灯量身定制，重要涉及硬件电路板和软件系统设计。实现步进电机控制办法诸多,但普通对多电机同步工作控制都是采用多CPU方式,这种控制不但提高了成本,并且由于元器件增长,系统稳定性和可靠性都受到影响。本文中涉及电机重要涉及灯体内实现如颜色、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轴方向控制。需要协同控制电机有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为舞台灯电机分布图。这些电机不但能同步运转并且互相之间存在逻辑控制关系，因而采用老式CPU与步进电机一对一控制关系不但成本高并且也很难满足系统控制规定。本文采用独特控制算法只用三块CPU完毕了灯体多步进电机协同控制系统设计。

图1.1舞台灯电机分布图
1.2舞台灯简介及发呈现状
舞台灯得名于英文Intelligent Beam。20世纪7 0年代末到8 0年代初， 在国外某些大型户外演唱会上和电视舞台上，为了烘托现场氛围，开始使用某些由电机控制筒子灯来产生可以摆动和颜色变化光束效果。这种筒子灯就是舞台灯雏形。[1]
自上世纪80年代初电视舞台开始慢慢浮现舞台灯影子，在某些大型户外表演节目为了提高表演艺术效果衬托舞台氛围，将某些灯具套上筒子装上某些简朴驱动机构使之能做某些诸如转动换颜色等简朴运动控制，进入90年代随着单片机技术、电机控制技术、和高温材料发展舞台灯从原始模仿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表演、约会、舞厅和家居中舞台灯品种也越来越丰富，功能也越来越多。
舞台灯种类繁多，但按照其内部原理和构造总来说可分为两类：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，它工作原理是根据光束反射原理，它将灯泡发射光束反射出来如图1.2为镜片式和滚筒式两种电脑扫描灯外部构造照片图。

图1.2 镜片式和滚筒式电脑扫描灯
镜片反射式扫描灯光束一方面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、垂直两个方向上不断摆动（作倾斜及俯仰变化），从而反射出呈动态变化颜色及图案效果。滚筒反射式扫描灯用可以反光滚筒取代反光镜片，由两个电机驱动滚筒旋转，同步左右摆动，从而反射出多变颜色及图案效果。反射式扫描舞台灯由于只有反光镜片或滚筒摆动及旋转，易于驱动，造价较低，缺陷是光束运动范畴较小，存在扫描死角。镜片反射式扫描灯光束水平和垂直最大扫描范畴是180°和80°，滚筒反射式光束水平扫描范畴也是180°，在垂直维度上滚筒可持续转动，光束扫描范畴不受限制。
摇头式舞台灯，普通称电脑摇头灯，和扫描灯相比，其光线是直射式，具备更高光效。摇头式舞台灯通过步进电机驱动除灯座之外整个灯体在水平、垂直两个维度上“摇头晃脑”，形成光束运动。灯体水平、垂直旋转角度分别可达540°和270°，灯光运动范畴大，基本不存在覆盖死区。随着小型摇头灯发展摇头灯不在笨重，耐高温材料浮现和低功耗灯泡浮现使得体积娇小功能众多高智能摇头灯成为摇头灯市场新宠儿。
摇头灯品种众多款式繁杂，但按其投射效果，可分为染色和图案式摇头灯，染色摇头灯也叫洗灯，图案灯可以根据舞台效果投射出预先装置图案和色彩效果，染色摇头灯重要是投射各种颜色变化舞台颜色变换色温，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
舞台灯之因此能变换出各种颜色和图案，是由于控制芯片根据控制规定控制装载有图案盘和色盘电机旋转到所需图案和色盘位置上从而实现不同组合效果，洗灯不包括图案重要是由各种颜色和色温色片构成实现几种颜色组合效果，从而达到各种颜色实现，普通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公转。
如图1.3为示颜色轮，颜色轮上共镶嵌6个不同颜色色片当控制该颜色轮步进电机转动到某一色片位置时，白色灯光被滤成色片颜色投射出去，当需要不同舞台颜色是指需要控制电机转动到相应色片位置既可，色
盘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。

图1.3 舞台灯中颜色轮 图1.4 舞台灯中图案轮
舞台灯中图案轮如图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光路位置，即可投射出相应图案效果。和固定图案轮不同是，旋转图案轮每一种图案片自身都是一种小齿轮，被中间大齿轮带动着以一定速度和方向旋转，因此当图案片随整个图案轮“公转”时，自身还处在“自转”状态，因而可以投射出旋转动态图案。
为了实现舞台灯能投射各种图案和颜色，在图案轮和色盘机械构造设计上采用弹簧垫圈使得图案片和色片装载和拆卸都很以便，便于依照舞台效果规定更换各种图案片和色片，普通来说图案片和色片都是耐高温特别在某些高功率舞台灯上，安装图案片重要着图案片正反方向要将没有凸纹或是没有反光涂层那一面正对光源。
1.3 DMX512合同简介
舞台灯与控台直接通讯时通过DMX512合同通讯DM X 51 2合同是美国舞台灯光协会〔USITT)于1990年发布一种灯光控制器与灯具设备进行数据传播原则。这涉及电气特性、数据合同、数据格式等各方面内容。DMX512电气特性与RS-485完全兼容，涉及驱动器/接受器选取、线路负载和多站配备等方面规定都是一致，DMX512数据合同规定使用250Kbps波特率。[3]
DMX512信号时序图如图1.5所示。
图1.5DMX512信号时序图

1.4论文重要工作
在既有舞台灯机械构造基本上设计出满足控制规定硬件电路和软件系统，重要涉及如下几项工作：
1、设计独特控制算法以满足多电机协同控制规定
2、设计满足控制规定硬件电路
3、编写符合和控制性能软件

1.5本章小结
随着科技不断发展市场需求不断扩大，舞台灯得到不断发展从原本简朴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、光学等一身高科技产品，各种舞台灯得到最大限度发展浮现了各种高智能舞台灯，灯具功率和亮度也不断提高而体积和灯体重量不断减少。舞台灯发展丰富了舞台效果某种意义上也增进了科技进步。
但国内自主舞台灯还处在较低发展水平特别对于控制规定和电机数目较多摇头灯，因而本文重要研究符合摇头灯多电机协同控制系统以求达到国外同类产品控制规定开拓市场。

第二章 步进电机原理及控制算法
舞台灯各种效果获得都是通过对步进电机控制实现，因而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相应控制电机和控制算法。本章在分析各类步进电机工作原理和特性后，为选定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
2.1.1步进电机工作原理
步进电机不同步伺服电机持续运动，步进电机是随着输入脉冲数变化而步进每当步进电机收到一种脉冲电机就走一种固定角度，这个角度是由电机机械构造决定。当步进电机负载扭矩和输入脉冲频率不大于该电机额定扭矩和最大相应频率时步进电机输出扭矩是恒定转动数度以输入脉冲频率成正比关系。步进电机并不是表达单一一款电机而是同一系列电机总称，这系类电机有其共同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工作原理和内部机械构成有着较大差别。普通而言按其原理和构造可将其划分为三大例：1，反映式步进电机2，永磁式步进电机3，混合式步进电机。
1、反映式步进电机原理及构成
反映式步进电机也常称磁阻式步进电机，其原理和内部构造都较为简朴图2.1 为市面上较为常用三相反映式步进电机剖面示意图，从图中可也看出电机定子上有六个均布磁极，其空间夹角是60度并且各磁极上套均有线圈，按图2.1连成A、B、C三相绕组。转子上均匀分布40个则小齿每个齿齿距为9°，由于定子和转子在空间上齿数比为30：40，因而如图当A相绕组小齿和定子小齿对其后B、C相线绕组小齿就会和定子小齿错开三分之一齿距。依照绕组通电励磁之后会产生一种磁力迫使转子转动到磁阻最小位置原理，因而此时当B相通电A、C相断开那么转子就会在磁力作用下转到磁通途径磁阻最小位置即顺时针转动转子三分之一种齿距即3°，若接着通电C相绕组则继续顺时针转动3°。因而按顺序依次接通不同线绕组就能使电机转动起来，通过变化通电顺序就可以变化电机转动方向，通过变化通电频率就可以变化点转动速度。[4]

图 2.1 三相反映式步进电机剖面图
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脉冲电磁场互相作用而产生转动。永磁式步进电机普通为两相，转矩和体积较小，步进角普通为7.5度或15度。电机里有转子和定子两某些：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极相间永磁体，定子为线绕组，当定子线绕组通电后产生磁场与定子永磁体产生磁场互相作用遵行异性相斥同性相吸电磁原理，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 永磁式步进电机构造示意图

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，她们步进角普通分别为1.8度、1.2度和0.72度。混合步进电机定子和转子铁芯都为齿状构造这和反映式步进电动机构造非常相似，但和反映式步进电机又有区别混合式步进电机转子类似永磁式步进电机转子是永磁体，因而混合式步进电动机可看作反映式步进电机和永磁式步进电机两种步进电动机组合。图2.4为混合式步进电机构造示意题图，图2.5是两相混合式步进电机实物解剖图。从这两幅图咱们可以看出同磁阻式步进电机同样混合式电机在电机金属内壁镶嵌有缠绕了线绕组极子，从图2.5很直观能看出转子重要两个互相之间错开个单齿距，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混合式步进电机构造示意图
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N、S相间磁极。当定子通电后沿线绕组切线方向将产生空间电磁场，转子上固有永磁铁产生磁场与该电磁场作用产生扭矩带动电机中心铁芯转动，影响混合式电机性能重要是定子上电极数和转子上齿轮齿数虽然没有统一原则但普通两相式电机定子为8个极转子为两个50齿数齿轮，五相电机普通为定子为10个极转子为两个50齿数齿轮，图7和图8为各自横截面示意图[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
2.1.2三类步进电机性能比较和运用
三类电机就综合性能而言混合步进电机最为出众，它不但继承了其他两类步进电机长处并且摒弃了它们各自缺陷，因而控制性能规定较高系统中混成步进电机是首选。但在不同场合下各类电机均有其作用之处，永磁式步进电机虽然输出扭矩没有其她两类大但其振动小、噪音低、体积小、发热量低、因而在某些诸如打印机和传真机等较精密仪器中常被用到，反映式步进电机在这三类电机中输出力矩最大在某些扭矩规定较高而受电机振动影响不是很大设备中较多运用。
2.2步进电机选型
通过对三类步进电机比较本文采用混合式步进电机作为舞台灯执行机构，针对主板电机惯量小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构造。同为混合式步进电机三相步进电机比两相混合步进电机控制性能更加优越，当前市场上57系类三相混合电机采用独特内部机械构造，使空间三相电流绕组通入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平稳、持续、无振动等长处[7] [8]。

2.2.1步进电机数学模型[9]
电机运动方程：

式中：——电机转子角速度;
——转子转动惯量;
——负载折算到电机轴上等效转动惯量;
——粘性阻尼系数；
——电机电磁转矩；
——负载转矩；
单相通电时,电磁转矩与失调角关系近似为一正弦关系,多相通电时,可以以为是每相各自通电时矩角特性叠加,依然是正弦,故电机矩角特性可以描述为：

式中：——最大静转矩；
——机械失调角，即旋转磁场角位移与转子角位移之差；
——齿距角；
——电机转子齿数；
由上面两式联立可以建立步进电机数学模型表达式为：

2.3细分原理及数学模型
2.3.1步进电机细分原理提出
虽然混合式步进电机吸取了反映式和永磁诸多长处，但作为步进电机一员不可避免会存在着某些局限性：
1.由于步进电机相数有限，因而导致低频率转动时电机振动和噪音大
2.每款步进电机有以之相相应矩频特性图如图2.7所示纵坐标扭矩随着横坐标频率增高到一定阶段后下降不久。[10]
3.每款步进电机均有启动频率并且启动频率不能太高普通应当低于额定起始频率如果启动频率过高电机将只振动而不转
4.电机速度不能存在突变无论加速过快还是减速过快都也许导致电机失步或是过冲。

图2.8 步进电机矩频特性图

两相步进电机步距角普通为1.8°三相步进电机步距角普通为1.2°五相步进电机步距角普通为0.72°。步进角随着电机相数增多而减小，较小步进角相应较优良控制性能，但随着电机相数增多机械加工个随之增大相应价格也直线上升。步进电机机械构造决定了其固有缺陷，这使得步进电机运用受到了极大限制为了改进步进电机这些局限性。受于步进电机数学模型启迪在70 年代中期由美国学者初次提出采用软件编程方式来间接增长电机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转子就会转动一种固定步距角，如果能控制各相输入电流幅值和相位角使得电流按某种规律递增则可以变化电机跳跃式转动，将一次跃变式脉冲输入细化为多次小跃相应电机转动也变得较为持续，这样就有效减少了电机转动。例如某款步进电机额定相电流为1安培步距角为1.8°，当电机程序没有加入细分驱动程序时电机每接受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变化本来十分之一相应电机转动角度也为本来十分之一，同过变化电流阶梯越变次数来改进电机运动特性，大大提高了步进电机控制特性，细分驱动能极大地改进步进电机运营平稳性，近几年来由于微解决机技术发展，细分技术得到了广泛应用[11]。

图2.9 八细分驱动图
2.3.2 细分驱动分类及数学模型
细分驱动重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一相电流值保持不变而另一相电流按照需要细分数等比例均提成阶梯式上升，输出电流即为两相电流合成值，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电流按余弦方式变化，这样使得无论何时两相电流合成值幅值都是不变变化只是合成相位角从而实现电机恒流输入。等电流细分驱动程序实现简朴控制以便但由于输出力矩是变化因此容易导致电机振动和失步在控制规定不高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规定高系统中应用普遍。
由于本设计中舞台灯对电机性能规定较高因而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根据上节构建步进电机数学模型来构建其电流矢量恒幅均匀旋转细分数学模型。通过对两相混合步进电机构造分析可知其两个线绕组AA-和BB-是互相垂直简图如图由 得出电机数学模型可知其合成力矩幅值不变，因此可得两绕组相力矩关系如下

式中：
T——A、B两相和力矩；
——合力矩与B相绕组夹角；

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时候忽视某些非线性因素影响，以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θ之间关系式:

式中：
T——A、B两相合成电流；
——合成电流与B相绕组夹角；
假设电机细分数为Z则可知
式中：Z为假设细分数目；N为电机所处在位置N取值范畴为0到4Z；
因而任意细分下细分数学模型为：

式中：,当Z取不同值时候表达电机处在不同细分下，当N从0取值到4Z时从0度变化到360度，相应电机转动一圈。
如图为8细分下360正、余弦电流波形图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控制规定和精度都比较高，因而为了提高电机控制性能减少电机低频段振动电机加减速模型是必不可少。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用。
针对本控制系统控制规定在通过实验比较后，转动惯性较大X、Y轴采用直线加减速曲线，而转动惯量小加速度规定较快其她主板电机采用二次多项式函数加减速曲线。
2.4.1线性加减速数学模型
2.4.1.1步进电机速度特性
步进电机一种明显局限性是当电机处在高速是输出扭矩比较小并且随着转速上升输出扭矩逐渐减小。当电机速度处在共振速度（resonant speed）时电机扭矩会突降如图2.12所示，步进电机共振速度决定于电机驱动翻案和负载[13]。

图2.12 扭矩速度图
从图中可看出最大转矩出当前低速，这在许多运用场合中中式非常有利。
2.4.1.2步进电机驱动方程
只有当通过电机各相电流对的通断时电机运转才干正常运转，咱们可以通过驱动芯片为电机提供对的持续驱动脉冲和方向信号。
要使得电机在一种恒定速度下运转，那么驱动脉冲之间时间间隔必要是相等，如图2.13 所示

图2.14步进电机脉冲
一种定期器在频率[HZ]下产生这些脉冲，计数器用来决定延时时间

电机角度位置角速度由下式得到：

式中为步进电机小齿数，是电机已走小齿数
为了能平滑启动和停止步进电机，控制电机加速度和减速度是必要，图2.15表白了电机加速度，速度和位置三者之间关系。该图使用恒定加速度/减速度得到

图2.15电机加速度，速度和位置
步进电机驱动脉冲之间时间延迟决定了电机转速，这些延时时间必要精准计算出来才干使电机实际转动阶梯速度曲线和理论尽量相近。
离散速度曲线决定电机运转而定期器时钟频率决定了延时时间间隔辨别率。

图2.16电机转速和驱动脉冲
2.4.1.3步进电机内部驱动延迟计算详介
第一种计数器和第n个计数器由下式计算：

微解决器计算能力是有限，计算开根号运算时非常挥霍时间因而一种相似但计算量少办法需要得以应用。
在时间n时用泰勒多项式近似上述两式得：

简化后计算式计算速度远远快于本来开二次根号，但当n=1时会带来0.44误差，一种补偿这种误差办法是将乘上0.676。
2.4.1.4变化加速度
由上可知加速度由和n决定，当一种新加速度被应用时一种新n值必要被计算出来。
电机速度、转动角度和决定电机加速度和n由下式计算：

合并这个两个方程可得：

上式表白电机需要到达步数所产生速度和加速度成反比：
上式意味着要将加速度从要从变到只需要变化n即可，从图可以看出两者关系

图2.17速度上升和下降
在给定电机运转步数下电机减速必要开始于适当步数结束时速度为0
由下式子可以计算出：

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
速度控制器一方面计算出所有变量并将她们保存到数据构造体中，随后容许定期器中断，定期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有关速度变量时都会使得电机有一小短时间延迟，在实际应用时候也许不需要考虑很小一段时间对电机产生影响。这使得这些变量计算应当采用计算量较晓得办法。使用浮点运算会使得计算复杂程序繁冗，因而在保证运算精度前提下合理简化运算时非常重要下式对某些复杂计算式进行了合理简化。
计算速度曲线时包括两种不同状况：
1.电机始终加速直到加速到所需速度
如图2.19速度曲线所示当减速开始时所需要最大速度已经被达到。

图2.19电机速度曲线1
max_s_lim表达达到所需要最大速度电机所需要加速步数

accel_lim表达电机开始减速时电机所走步数

当max_s_lim<accel_lim时加速度受到所需速度限制，真是减速步数由decal_val决定

2.当所需要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：

2.4.1.5定期器中断
定期器中断用于产生电机驱动脉冲，只有在电机运转时定期器才工作。如图2.21所示定期器工作在四个不同状态下

图2.21定期器四个不同工作状态
在定期器中断中采用状态机来管理定期器四种状态如图2.22所示

图2.22定期器状态机
当电机停止或者启动时状态机处在STOP,当系统开始计算新状态将被设立并容许定期器中断当电机运转步数不不大于一步时状态机下一种状态为ACCEL，如果只有一步则为DECEL。当处在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或是达到所需要速度则定期器状态变化为STOP。
2.4.1.6简化公式推导
速度由下式计算：

位置由下式计算：

第n步时间由下式计算：

两步之间时间间隔由下式计算：

联立上式就可得到最后定期器延时

设
则上式可表达为
使用泰勒多项式：

推导出

最后定期器延时时间可以近似转化为：

2.4.2二次函数加减速数学模型[15]
二次函数加减速不同于直线曲线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
从图咱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基本原理：从启动开始每产生一种脉冲定期器初值增长某一定值，则相应脉冲周期减小，即脉冲频率增长。咱们以PIC单片机下定期器1建立二次函数数学模型为例
定期器频率等于
式中：为晶振频率
为预分频
设启动频率为相应定期器初值为，脉冲定期为，脉冲时间间隔为脉冲周期和脉冲频率。则定期器每计一种数时间为，定期器向上计数由0xffff计到0x0000时溢出因而有
，启动频率，该设计核心是拟定脉冲定期，脉冲时间间隔即脉冲周期和脉冲频率。假设从启动瞬时开始计算脉冲数，加速阶段脉冲数为，并设启动瞬时为计时起点，定期器初值为，定期器初值增长量为。从加速阶段物理过程可知，第一种脉冲周期，即启动时脉冲周期
，，。
由于定期器初值修改，第2个脉冲周期，脉冲定期，则第n个脉冲周期为：
  （1）
则脉冲定期为：
（2）
脉冲频率为： （3）
上式分别显示了脉冲数n与脉冲频率和时间关系。令，即加速阶段相邻两脉冲周期减量，则上述公式简化为：
  (4)
   （5）
由（4），（5）并简化与关系，得出加速阶段数学模型为：

(6)
其中，是常数，其值与定期器初值及定期器变化量关于，
,,
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长。
步进电机减速方式以此类似。

2.5本章小结
执行机构类型选定是在其构造和原理基本上根据控制系统规定决定，而控制算法提出又是在执行机构数学模型基本上选定和设计。本章从步进电机原理出发构建出了步进电机数学模型，细分驱动模型，直线及二次函数加减速曲线数学模型，这为后几章节打下了夯实理论基本。

第三章器件选型及硬件电路设计
电机控制系统是由硬件和软件两某些构成。硬件是构成系统基本，有了硬件，软件才干有效地运营。依照总体方案、机械构造以及步进电机控制规定，拟定硬件电路总体方案。
3.1硬件电路设计规定
1.300W开关电源，输入电压范畴为110VAC~200VAC，一共三路输出电压，分别为+32VDC、+12VDC、+5VDC；
2.通过RS485电平转换可支持控制台原则数字接口D M X 5 12 通信合同；
3.某些风机PWM调速；
4.20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；
5.JTAG在线调试；
6.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；
7.LCD显示，通过与键盘配合可实现人机和谐交互，可以直观实现个性功能实现，具备简朴自 我检测功能等；
8.可实现多机主MCU与从MCU之间通信；
3.2硬件电路总体规划
依照系统规定以及系统所需要实现功能，电脑灯硬件电路系统由如下五某些构成：
（1）电源模块，为整个硬件电路系统提供电能
（2）主控制器，即中央解决单元（CPU）；
（3）总线，涉及数据总线（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、显示屏及光电输入、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
3.2.1控制芯片选型
从舞台灯原理咱们可以看出舞台灯各种效果实现都是通过CPU控制步进电机实现，整台舞台灯控制某些涉及主板电路和从板电路，主电路板某些用于实现各种灯光效果，X,Y电路板轴某些用于实现舞台灯在空间中运动。主板某些包括20各种两相混合步进电机控制因而为了满足设计需要选取CUP必要有较快解决速度和较大存储空间在对多款解决器进性价比行比对后，采用了飞利浦公司LPC2148，X、Y电路板采用SPWM控制三相混合步进电机因而应采用带PWM模块微星PIC16F873单片机。
1.主控芯片LPC2148简介
①总体描述[16]
LPC2148 是基于一种支持实时仿真和嵌入式跟踪32/16 位ARM7TDMI-S CPU微控制器，并内嵌128 高速Flash 存储器。128 位宽度存储器接口和独特加速构造使32 位代码可以在最大时钟速率下运营。对代码规模有严格控制应用可使用16 位Thumb 模式将代码规模减少超过30%，而性能损失却很小。
较小封装和很低功耗使LPC2148 特别合用于访问控制和POS 机等小型应用中；由于内置了宽范畴串行通信接口（USB 2.0 Device（全速）、各种UART、SPI、SSP 和I2C 总线接口）和8kB～40kB 片内SRAM，它们也非常适合于通信网关、合同转换器、软件modem、语音辨认和低端成像，为这些应用提供大规模缓冲区和强大解决功能。各种32 位定期器、1 个或2 个10 位ADC、10 位DAC、PWM 通道、45 个迅速GPIO口以及多达9 个边沿或电平触发外部中断管脚，使它们特别合用于工业控制和医疗系统[16]。
ARM7TDMI-S 是通用32 位微解决器内核，它具备高性能和低功耗特性。ARM 构造是基于精简指令集计算机(RISC)原理而设计。指令集和有关译码机制比复杂指令集计算机要简朴得多。这样使用一种小、便宜解决器核就可实现很高指令吞吐量和实时中断响应[16]。
由于使用了流水线技术，解决和存储系统所有某些都可持续工作。普通在执行一条指令同步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 解决器也使用了一种被称为Thumb 独特构造化方略，它非常合用于那些对存储器有限制或者需要较高代码密度大批量产品应用。
②.构造概述
LPC2148 功能构造框图如图1.4 所示。该系列芯片包括一种支持仿真M7TDMI-S CPU，片内存储器控制器接口ARM7 局部总线，中断控制器接口AMBA高性能总线（AHB）和连接片内外设功能VLSI外设总线（VPB，ARM AMBA总线兼容超集）[17]。
LPC2148 将ARM7TDMI-S解决器配备为小端（little-endian）字节顺序。AHB 外设分派了2M 字节地址范畴，它位于4G 字节ARM 存储器空间最顶端。每个AHB 外设都分派了16k 字节地址空间。LPC2148 外设功能（中断控制器除外）都连接到VPB 总线。AHB 到VPB 桥将VPB 总线与AHB 总线相连。VPB 外设也分派了2M 字节地址范畴，从3.5GB 地址点开始。每个VPB 外设在VPB 地址空间内都分派了16k 字节地址空间。片内外设与器件管脚连接由管脚连接模块控制。该模块必要由软件进行控制以符合外设功能与管脚在特定应用中需求。

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公司生产中级产品，具备FLASH程序存储器和PWM8位CMOS单片机。PIC16F873(A)包括4K×14程序闪存，192字节数据随机存储器和128字节数据EEPROM存储器。PIC16F876(A程序闪存为8K×14，数据随机存储器为368字节，数据EEPROM存储器为256字节IC16F873(A)具备A、B和C三个I/O端口，内部包括13个中断源、三个定期器、两个CCP（捕获器/比较器/PWM）模块和一种看门狗电路，同步集成了5通道A/D转换器[18]。PIC16F874(A)具备A、B、C、D和E五个I/O端口，内部包括14个中断源、三个定期器、两个CCP（捕获器/比较器/PWM）模块、一种看门狗电路和一种并行从属端口PSP，同步集成了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3.3 PIC16F873内部构造框图[19]
3.2.2开发环境
采用ADS1.2作为主板系统开发环境，ADS 集成开发环境是ARM公司推出ARM 核微控制器集成开发工具，英文全称为ARM Developer Suite，成熟版本为ADS1.2。ADS1.2 支持ARM10 之前所有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，具备编译效率高、系统库功能强等特点，可以在Windows98、Windows XP、Windows 以及RedHat Linux上运营[20]。 ADS 1.2 由6 个某些构成如下表所示

表3.1 ADS1.2 编译环境
由于顾客普通直接操作是 CodeWarrior IDE 集成开发环境和AXD 调试器，因此这一章咱们只简介这两某些软件使用，其他某些详细阐明参照ADS 1.2 在线协助文档或