數字化三維陣列控制系統的設計與實現*

曾文會，張華書,2，榮佑民

(1.華中科技大學 機械科學與工程學院，武漢 430074; 2.東莞華中科技大學制造工程研究院，廣東 東莞 523808 )

數字化三維陣列控制系統的設計與實現*

曾文會1，張華書1,2，榮佑民1

(1.華中科技大學 機械科學與工程學院，武漢 430074; 2.東莞華中科技大學制造工程研究院，廣東 東莞 523808 )

文章以三維陣列顯示系統為研究對象，研究了基于CAN總線的多節點電機運動控制，實現三維陣列的平穩快速顯示。 開發了陣列單元節點像素解析轉換軟件實現圖像顯示到三維機械陣列表達的轉換，針對陣列高速變換過程出現的丟步或過沖現象，提出了一種新的混合控制算法，并采用自適應算法來控制就電機運動過程中的姿態變換問題，實現陣列顯示變換的高速穩定要求。

三維陣列； CAN總線；多節點電機控制；加減速算法；自適應算法

0 引言

隨著文化科技產業的交融發展，機電一體化的裝置藝術產品開始出現在展覽展示行業，數字三維機械陣列顯示系統是一種新型的機電裝置，以機電一體化為基礎輔以影像展示技術，以動態的形式展現機械與文化的融合美。三維陣列顯示系統通過上位機對要展示的圖片進行像素解析并與三維陣列顯示系統的點陣對應，利CAN總線進行點陣單元結構的多節點電機升降控制，多點陣列單元的升降進而還原動態的三維圖像，將傳統的二維圖像顯示轉換為三維機械陣列表達。多節點電機同步控制是整個系統的核心，重點要解決電機的失步、過沖及精確同步問題，本文就這些問題展開研究，實現了一種多電機同步控制的方法，并著重對步進電機失步、過沖等現象進行了實驗分析。

1 三維陣列控制系統

三維陣列單元運動過程，由上位機協同集中控制。上位機主要由人際交互界面和數據處理模塊構成，上位機通過人機交互讀取動態展示信息，經數據處理模塊處理為設定格式的報文，通過CAN發送到控制器；基于位置控制的方式，控制器將接收到的信息進行分析，并產生相應脈沖信號；脈沖信號經驅動器控制三維陣列運動，實現不同對象的展示。其三維陣列控制系統拓撲圖，如圖1所示。

圖1 三維陣列控制系統拓撲圖

整個控制系統采用CAN總線連接控制，CAN總線具有高保密性，抗干擾性強，有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡[1]。本文采用一個主節點和多個分節點組成的CAN控制電路，CAN總線工作于多組方式，總線中的各節點可以根據各自在總線中的站地址編碼來接收各自的數據，通過冗余結構增強系統的可靠性和靈活性[2- 3]。當CAN節點出現嚴重錯時會自動關閉輸出功能，以使其總線上的其他節點工作不受影響，從而保證網絡不會出現因個別節點的出錯而導致總線“阻塞”的問題。CAN通信已經具備完善的通信協議，可通過CAN接口芯片和控制器輕松實現網絡通信，因此極大的降低通信系統的開發難度，縮短其開發周期[4]。

2 陣列單元硬件及控制電路設計

陣列單元運行過程中，下位機程序控制微控制器(MCU)使之產生一定頻率和數量的脈沖，經驅動器THB7128，將脈沖按一定的順序發送到步進電機，使之以一定的速度轉動相應的角度，從而帶動陣列單元往復運動。驅動流程，如圖2所示。

圖2 驅動流程圖

陣列單元升降控制系統的控制電路是整個控制系統硬件的核心部分，主要包括微處理器、與上位機通信的CAN電路模塊、信號隔離與傳輸的光耦電路、電機工作狀態的LED燈電路、THB7128步進電機細分電路等[5]。其電路設計框圖如圖3所示。

圖3 控制電路設計圖

3 陣列單元節點智能化軟件設計

整個程序流程圖從上位機開始，通過CAN總線，向下位機傳播，到微控制器，產生脈沖，控制電機運動[6]。下位機每一個節點的程序流程圖都一樣，所以這里只顯示從上位機到下位機中某一節點的程序流程圖[7],如圖4所示。

圖4 某一節點程序流程圖

整個流程圖中需要注意，當數據到達下位機時，ECAN模塊對到達數據的ID地址進行檢測，判斷標準為下位機程序在編寫過程中都賦予了各下位機節點相應的ID地址，節點只接受ID地址與自己相符的數據，并由ECAN模塊按相應的順序寫入ecan1msgBuf寄存器中存儲。程序對過濾器和屏蔽寄存器的配置語言如下：

ecan1WriteRxAcptFilter (1, address1, 0, 8, 1);

ecan1WriteRxAcptFilter (2, address2, 0, 8, 1);

ecan1WriteRxAcptFilter (3, address3, 0, 8, 1);

ecan1WriteRxAcptFilter (4, address4, 0, 8, 1);

以最后一行程序為例，各參數的意義分別為：4為過濾器號，ECAN模塊最多有16個完全的接受過濾器；address4為合法的標識符；0的位置是數據是否擴展數據幀，“0”標識標注數據幀，“1”則表示擴展數據幀；8的位置為過濾后的信息存放緩沖區，最多32個接受緩沖區，每個緩沖區最多8個字節的數據；最后1的位置表示關聯的屏蔽寄存器號，范圍[0～3]。

本系統的上位機軟件協調控制24×18矩陣單元的運動，最終控制數字機械矩陣組合形成上位機程序讀取的展示圖片，如圖5所示。本控制系統的上位機軟件是基于VC++環境開發，并通過人機交互界面實現對數字機械陣列的控制。

圖5 上位機軟件人機界面

4 電機控制算法

4.1 細分驅動技術

由于電機轉動過程中噪音較大，而且有一定的震動頻率，為了降低噪音并吸收一定的震動，采用細分驅動技術。細分驅動使每個脈沖下電機的電流在高低電平之間切換時不再以方波的形式直接跳轉，而是以正弦波的方式將方波分成系數個緩慢變化的波形，這樣就繞組中電流的突變減小，從而減小電機的振動和噪音，因此，步進電機在使用性能上的提升才是細分驅動的真正目的，圖6a，6b為使用細分驅動技術前后電機繞組內電流變化的分析圖。本文采用八細分驅動技術。

圖6 使用細分技術前后電機繞組電流圖

4.2 電機的混合控制算法

電機混合控制算法包括啟動停止時的平滑處理算法以及運行過程中的自適應算法。電機使用細分驅動技術后，電機的運行會更加平穩，但是步進電機具有啟動時失步、停止時過沖現象，這是影響步進電機位置控制精度的主要原因。由于本陣列系統需要多個電機，所以這是一個關鍵的問題。為了解決這一問題，我們需要在電機啟動和結束時，加載一個平滑的脈沖函數。因此啟動停止算法是電機控制混合算法中的一個主要部分。

4.2.1 電機啟動停止算法

步進電機啟動停止過程中對加減速算法要求很嚴格，在不失步或過沖的情況下，需要盡快的平滑達到額定轉速。當步進電機負載T=0時，傳遞函數為：

(1)

式中ia為步進電機A相電流；L為繞組的自感；J，Zr為轉子轉動慣量及齒數；D為電機粘滯阻尼系數[8]。

步進電機啟動停止過程中對加減速算法要求很嚴格，在不失步或過沖的情況下，需要盡快的平滑達到工作轉速。

由于步進電機實際運行的規律是按指數上升，因此考慮用指數曲線控制步進電機的加減速運行。指數控制算法實際是控制角加速度變化，其加速階段是按照指數上升或者下降[9]。角加速度隨著時間是非線性變化的，如圖7所示。

圖7 步進電機角加速度曲線

假設指數加速算法曲線函數為

ω=Aekt+b

(2)

其中A，k，b為常數，且A,k≠0，對ω求導得：

ε=Akekt

(3)

對ε進行拉普拉斯變換：

(4)

從而得到指數加速算法的傳遞函數為

(5)

由于本文電機轉速n=46.8r/s,即勻速時的ω為4.90，采用8細分驅動技術，為了防止電機啟動速度過快而無法啟動，或者出現失步，過沖現象，同時也能在比較合適的時間里加速到預定轉速，經過多次測試和仿真，仿真圖像如圖8所示。

圖8 仿真曲線波形圖

圖8縱坐標是角速度，橫坐標是時間t，從仿真結果看當t接近3時，曲線趨向于平緩，這時表明慢慢處于勻速狀態，整個加速過程比較平滑，而且加速較快，此時k=1.59，A=1；最后有

(6)

b為常數，通常情況下b取0。

4.2.2 控制系統自適應算法設計

陣列單元控制系統中，電機接到系統新的動作命令時，可能處于正轉、反轉或者停止等運動狀態，無法建立數學模型，只能以狀態變化來引導自身的運動[10-11]，而為了使電機的運動過渡平穩，故采用電機調速自適應算法控制該運動過程。

由于陣列單元具有靜態、加速、勻速、減速、靜止、正轉、反轉等不同的運動狀態，基于封閉狀態變化的ACS模型，建立如圖9所示的自適應算法流程圖。

圖9 自適應算法流程圖

4.2.3 三維陣列展示效果實驗分析

為了保證算法的設計有效實用，在整個項目初步完成時，對算法進行了測試。整個系統，在未使用改進的算法，只使用簡單的加減速線性算法控制時，系統控制陣列的效果圖如圖10a所示。從圖中可以看出左邊偶爾會有一兩個陣列單元失控，影響整個動態展示的效果的完整。并且實際測試中，電機會經常出現啟動失步，或者陣列單元到達固定位置，電機仍然轉動的現象。而使用改進算法后，如圖10b所示，動態展示效果明顯穩定，整個圖像顯示更加完整，對電機的控制更加精確，并且實際測試運行中電機失步等現象明顯減少了。

圖10 實驗過程矩陣單元效果圖

5 結論

本文基于CAN總線和混合控制算法的多電機陣列控制系統的研究，通過CAN總線來實現對多電機的同步控制。同時，為了使電機運行平穩，無失步，無過沖現象，本文首先給電機加載一個啟動指數算法，使電機能很快平穩的加速到預定速度，然后勻速運行。整個運動過程中，由于電機有各種狀態，比如靜止，加速，勻速，正轉，反轉，減速等，所以只能通過控制狀態來控制電機，因此利用自適應算法來控制電機的運動狀態。這種控制方法成功的解決了多電機同步運動與單電機精確運動的問題，系統所采用的軟硬件以及電機的控制算法具有一定的通用性，可以廣泛運用到其他步進電機的控制系統中去。現已在機械矩陣中的得到成功的應用。

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(編輯 李秀敏)

The Design and Realization of the Control System of Digital Three-dimensional Array

ZENG Wen-hui1, ZHANG Hua-shu1, 2, RONG You-min1

(1. School of Mechanical Science & Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;2. DG-HUST Manufacturing Engineering Institute, Dongguan Guangdong 523808,China)

In this paper, the display system of three-dimensional array is regarded as the research subject, and a research has did about a multi-node control of the motor motion based on CAN bus, to achieve the display of the three-dimensional array stable and rapidly.The resolution and conversion software of the node pixel of the array unit has been developed and it can achieve the expression of the image display converting to 3D mechanical array, and in connection with the phenomenon of lost step or over step when started or ended during the high-speed transformation process, hereby it proposed a new hybrid control algorithm, for the transformation of multiple stances in motor movement, the adaptive algorithm has been used to control to ensure the high-speed conversion of three-dimensional array display stable.

three-dimensional array; CAN-bus; multi-node control; adaptive algorithm

1001-2265(2014)05-0107-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.05.027

2013-08-28；

2013-10-01

國家自然科學基金(50905065)；廣東省產學研項目(2011B090300101，2011B090400381)

曾文會(1989—)，男，湖北仙桃人，華中科技大學碩士研究生，從事機電一體化研究,(E-mail)895985683@qq.com。

TH166;TG65

A