正则体积显示系统的驱动控制研究
|
摘要
本文以自行研制的正则体积显示系统的机械扫描子系统为研究对象，主要研究了该系统的负载特征及驱动控制。
首先，介绍了显示技术国内外的发展历史及现状，研究了显示技术的最新发展动向，指出基于机械扫描的体积显示方式是空间成像显示器的主流方向，并分析了体积显示器现有产品的优缺点，提出一种基于移动屏幕的正则体积显示器作为本文的研究对象。
其次，研究了正则体积显示器的功能与结构，将其划分为图形生成子系统、同步控制子系统、步进驱动子系统、机械扫描子系统以及光学成像子系统等五个子系统，并阐述了各子系统的工作原理以及相互关系。
第三，对机械扫描子系统进行了受力分析，建立了机械扫描子系统从动件的平衡方程。利用迭代法对方程进行求解，通过编制程序得出各位置上从动件的受力大小，从而得出了系统负载的变化规律。
第四，在比较各种控制方案的基础上，结合系统的要求及特点，确定采用步进电机细分开环控制作为本系统的驱动控制方案。针对系统的负载特性，在分析已有步进电机升降速曲线设计方法的基础上，提出了一种设计步进电机升降速曲线的新方法，该方法适用于与角加速度成线性关系的已知负载。最后应用此方法设计了适合本系统的最佳升降速曲线。
第五，对首台样机的设计与试制工作进行了回顾与总结。介绍了样机的现有功能及驱动实施情况，分析了样机的实验结果并提出了若干改进意见。
最后，对全文的研究内容进行了总结，并提出了下一步有待进行的工作。
In this thesis, we studied a canonical volumetric display system, of which the load character and drive control are mainly researched.
First, the historic development and current situation of the display technology at home and abroad are stated briefly. The mainstream of the display technology are investigated. The canonical volumetric system based on the moving screen theory is put forward as a research object for the reason of the disadvantages of existing products.
Second, the functions and structure of the canonical volumetric display system are studied. The system is divided into five subsystems-the graphics generating subsystem, the synchronization control subsystem, the step drive subsystem, the mechanical scan subsystem and the optic imaging subsystem. The principles of the subsystems and the relationships among them are expatiated.
Third, the balance equations of driven components in the mechanical subsystem are attained through the force analysis of the subsystem. The forces of driven components at any position are obtained by computer programs using the iterative method, and the variation characteristics are deduced by the results.
Fourth, the subdivision open-loop control using step motor is choosed as the drive & control scheme considering the characters and demands of the canonical volumetric display system. Based on analyzing the available means for designing speed-up/down curve, a new method is proposed, that is applicable for any known variable load, which is linear with the angular acceleration. Using this method, the optimum speed-up/down curve for the system is designed.
The fifth chapter gives an introduction of the design job and manufacture situation of the first prototype. The existing functions and the drive implementation of the prototype are introduced. The experimentation results of the prototype are analyzed and some suggestions for further improvement are proposed.
The final chapter draws some conclusions on the entire thesis and some works for further research are proposed.
首先，介绍了显示技术国内外的发展历史及现状，研究了显示技术的最新发展动向，指出基于机械扫描的体积显示方式是空间成像显示器的主流方向，并分析了体积显示器现有产品的优缺点，提出一种基于移动屏幕的正则体积显示器作为本文的研究对象。
其次，研究了正则体积显示器的功能与结构，将其划分为图形生成子系统、同步控制子系统、步进驱动子系统、机械扫描子系统以及光学成像子系统等五个子系统，并阐述了各子系统的工作原理以及相互关系。
第三，对机械扫描子系统进行了受力分析，建立了机械扫描子系统从动件的平衡方程。利用迭代法对方程进行求解，通过编制程序得出各位置上从动件的受力大小，从而得出了系统负载的变化规律。
第四，在比较各种控制方案的基础上，结合系统的要求及特点，确定采用步进电机细分开环控制作为本系统的驱动控制方案。针对系统的负载特性，在分析已有步进电机升降速曲线设计方法的基础上，提出了一种设计步进电机升降速曲线的新方法，该方法适用于与角加速度成线性关系的已知负载。最后应用此方法设计了适合本系统的最佳升降速曲线。
第五，对首台样机的设计与试制工作进行了回顾与总结。介绍了样机的现有功能及驱动实施情况，分析了样机的实验结果并提出了若干改进意见。
最后，对全文的研究内容进行了总结，并提出了下一步有待进行的工作。
In this thesis, we studied a canonical volumetric display system, of which the load character and drive control are mainly researched.
First, the historic development and current situation of the display technology at home and abroad are stated briefly. The mainstream of the display technology are investigated. The canonical volumetric system based on the moving screen theory is put forward as a research object for the reason of the disadvantages of existing products.
Second, the functions and structure of the canonical volumetric display system are studied. The system is divided into five subsystems-the graphics generating subsystem, the synchronization control subsystem, the step drive subsystem, the mechanical scan subsystem and the optic imaging subsystem. The principles of the subsystems and the relationships among them are expatiated.
Third, the balance equations of driven components in the mechanical subsystem are attained through the force analysis of the subsystem. The forces of driven components at any position are obtained by computer programs using the iterative method, and the variation characteristics are deduced by the results.
Fourth, the subdivision open-loop control using step motor is choosed as the drive & control scheme considering the characters and demands of the canonical volumetric display system. Based on analyzing the available means for designing speed-up/down curve, a new method is proposed, that is applicable for any known variable load, which is linear with the angular acceleration. Using this method, the optimum speed-up/down curve for the system is designed.
The fifth chapter gives an introduction of the design job and manufacture situation of the first prototype. The existing functions and the drive implementation of the prototype are introduced. The experimentation results of the prototype are analyzed and some suggestions for further improvement are proposed.
The final chapter draws some conclusions on the entire thesis and some works for further research are proposed.
引文
[1] 王知珩．计算机图形显示技术，哈尔滨船舶工程学院出版社，1995．7
[2] http://www.petrooverseas.com/digiearth4.htm
[3] V.N. Karnaukhov, N. S. Merzlyakov, M. G. Mozerov, L. I. Dimitrov & E. Wenger. Digital Display Holograms. Optics and Lasers in Engineering 29 (1998), 361-367
[4] G.J. Woodgate, D. Ezra, J. Harrold etc. Autostereoscopic 3D display systems with observer tracking. Signal Processing: Image Communication 14 (1998), 131-145
[5] N.S. Merzlyakov & M. G. Mozerov. Computer-generated True-color Rainbow Holograms. Optics and Lasers in Engineering 29 (1998) ,369-376
[6] V.N. Karnaukhov, N. S. Merzlyakov. M. G. Mozerov, etc. Digital Display Holograms. Optics and Lasers in Engineering 29 (1998), 361-367
[7] R. Rodriguez, G. Chinea, N. Lopez, etc. Full window stereo. Journal of Molecular Graphics and Modelling 17(1999), 310-314
[8] T. Tomono. Spectacle-type wearable display. Optics Communications 180(2000), 205-210
[9] John O. Merritt; Stephen A. Benton; Andrew J. Woods; Mark T. Bolas; Eds. Proc. SPIE Vol. 3957(2000.5). Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems Ⅶ
[10] Stephen A. Benton; Sylvia H. Stevenson; T. John Trout; Eds. Pracatical Holography ⅩⅤ and Holographic Materials Ⅶ. Proc. SPIE Vol, 4296(2001.6)
[11] Andrew J. Woods; Mark T. Bolas; John O. Merritt; Stephen A. Benton; Eds. Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems Ⅷ. Proc. SPIE Vol 4297(2001.6)
[12] T. Shimobaba, S. Hishinuma & T. Ito. Special-purpose computer for holography HORN-4 with recurrence algorithm. Computer Physics Communications 148 (2002) 160-170
[13] 田民波．电子显示．清华大学出版社，2001年5月第一版
[14] 谷千束[日]著，金轸裕 译．《先进显示器技术》，科学出版社，2002年8月第1版
[15] http://www.lowendpc.com/tech/index.shtml
[16] http://www.hardocp.com/article.html?art=Nywy
[17] DetlefBahr．FELIX体积型计算机控立体显示器的概念，激光与红外，1997．2
[18] http://www.actuality-systems.com
[19] 孔建益．对考虑摩擦时机构力分析逐次逼近的方法的改进．武汉钢铁学院院报，1991．6
[20] 孙桓，傅则绍．机械原理，高等教育出版社，1989．3第四版
[21] 孔建益．考虑摩擦时机构力分析的数学模型及其直接解法；全国冶金高校机原机零第五届学术会议论文
[22] 王鸿钰．解明芳，以微机控制的步进电机开环系统(一)，1988；(2)
[23] 王晓明．电动机的单片机控制，北京航空航天大学出版社，2002．5
[24] 杨渝钦，控制电机，机械工业出版社，1996．5
[25] 李忠杰，宁守信，步进电机应用技术，机械工业出版社，1988．12
[26] 王鸿钰，解明芳．以微机控制的步进电机的开环系统．微电机，1988；(2)
[27] 李明泉，功率步进电机最佳升降频特性及控制程序的设计，机械，1987．1
[28] 李明泉，功率步进电机最佳升降频过程三段曲线逼近法，微电机，1987
[29] 王晓初，何捷，步进电机自动升降速及其单片机控制，微特电机，1998．2
[30] 郑灼，李兴根．单片机控制的步进电机升降频规律及实现[J]．微电机，1999．32(4)
[31] 朱心雄．自由曲线曲面造型技术．科学出版社．2000．1
[32] 陆庭恕．余卫，电动机的微型计算机控制．南京工学院出版社，1986．11
[33] 沈美明，温冬婵，IBM-PC汇编语言程序设计，清华大学出版社，2001．8
[34] 沈美明，温冬婵，张赤红，IBM PC汇编语言程序设计试验教程，清华大学出版社，1992．5
[35] 刘榴娣，常本康，党长民，显示技术，北京理工大学出版社，1993．8
[36] 刘竞成，交流调速系统，上海交通大学出版社，1984．8
[37] 毛英泰，误差理论与精度分析，国防工业出版社，1982．6
[38] 王鉴光，蒋兴铭，谭文琪，董碧云，电机控制系统，1994．8
[39] 王宗培 等．微电机原理，科学出版社，1989．6
[40] 刘豹．现代控制理论，机械工业出版社，2000．5
[41] 马至云．电机瞬态分析，中国电力出版社，1998．5
[42] 庞国仲．自动控制原理，中国科学技术大学出版社，1993．8
[43] 李德栋，谢晓方，王昌金，步进电机细分电流试验设计方法，微特电机，2002．2
[44] 杨红红，张琛，陈爱国，步进电机恒力矩均匀细分驱动电路的实现，电子技术，2000．3
[45] 林小娥，范承志，王宇峰，利用绕组反电势抑制步进电机振荡，微特电机，2001．5
[46] 桂林，李忠杰，改善步进电机振荡及加减速性能的模糊控制，微电机，1999．4
[47] 张志利，黄先祥，刘春桐，步进电机细分控制函数修正方法研究，微电机，2000．33(5)
[48] 陈理壁，步进电机及其应用，上海科技出版社，1985
[49] 赵加森，用微机控制步进电机的升降速，
[50] 袁国干，石东，徐洪福，步进电动机加速过程的最佳控制，电气自动化，1997．3
[51] 王宗培，韩光鲜，任雷，程智，步进电机的最大可用功率，微电机，2000．2
[52] 闫贵军，吕海宝，漆新民，提高步进步距精度的研究，国防科技大学学报，1994．6
[53] 钟守炎，步进电机的微机控制，微电机，1992．1
[54] 马西庚，基于函数的步进电动机细分控制量的研究，微电机，1998．4
[55] 王宗培，郑大鹏，李春雨，微步驱动步进电机的角速度均匀性，微电机，1996．1
[56] 王宗培，史敬灼，两相混合式步进电动机仿真模型分析，微特电机，1998．6
[57] 金松令，金孚安，微机控制步进电动机运行参数的计算，微电机，1992．4
[58] 唐荣锡，汪嘉业，彭群生，汪国昭 等编著．计算机图形学教程(修订版)．科学出版社，2000年11月修订版。
[59] 祝绍箕．光栅数字显示技术及其应用．机械工业出版社，1992．4
[60] 来文占．微机显示技术实用手册．电子工业出版社，1992．11
[61] 纪树赓．自动显示技术及仪表．机械工业出版社，1994．5
[62] 傅德胜．微机显示技术与应用．东南大学出版社，1997．12
[63] 彭国贤．显示技术与显示器件．人民邮电出版社1981．6
[64] 李月景．自动显示技术及装置．计算机图形显示2．机械工业出版社，1981
[65] 应根裕．平板显示技术．人民邮电出版社2002
[66] 杨祖清．流动显示技术．国防工业出版社2002
[67] 贺利洁，赵曙光，刘刚．计算机图形显示技术．西安电子科技大学出版社，2001
[68] (日)大石严，(日)烟田丰彦，(日)田村著，白玉林，王毓仁译．显示技术基础．大石科学出版社2003
[69] (日)堀浩雄，(日)铃木幸治主编；金轸裕译．彩色液晶显示．科学出版社，2003
[2] http://www.petrooverseas.com/digiearth4.htm
[3] V.N. Karnaukhov, N. S. Merzlyakov, M. G. Mozerov, L. I. Dimitrov & E. Wenger. Digital Display Holograms. Optics and Lasers in Engineering 29 (1998), 361-367
[4] G.J. Woodgate, D. Ezra, J. Harrold etc. Autostereoscopic 3D display systems with observer tracking. Signal Processing: Image Communication 14 (1998), 131-145
[5] N.S. Merzlyakov & M. G. Mozerov. Computer-generated True-color Rainbow Holograms. Optics and Lasers in Engineering 29 (1998) ,369-376
[6] V.N. Karnaukhov, N. S. Merzlyakov. M. G. Mozerov, etc. Digital Display Holograms. Optics and Lasers in Engineering 29 (1998), 361-367
[7] R. Rodriguez, G. Chinea, N. Lopez, etc. Full window stereo. Journal of Molecular Graphics and Modelling 17(1999), 310-314
[8] T. Tomono. Spectacle-type wearable display. Optics Communications 180(2000), 205-210
[9] John O. Merritt; Stephen A. Benton; Andrew J. Woods; Mark T. Bolas; Eds. Proc. SPIE Vol. 3957(2000.5). Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems Ⅶ
[10] Stephen A. Benton; Sylvia H. Stevenson; T. John Trout; Eds. Pracatical Holography ⅩⅤ and Holographic Materials Ⅶ. Proc. SPIE Vol, 4296(2001.6)
[11] Andrew J. Woods; Mark T. Bolas; John O. Merritt; Stephen A. Benton; Eds. Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems Ⅷ. Proc. SPIE Vol 4297(2001.6)
[12] T. Shimobaba, S. Hishinuma & T. Ito. Special-purpose computer for holography HORN-4 with recurrence algorithm. Computer Physics Communications 148 (2002) 160-170
[13] 田民波．电子显示．清华大学出版社，2001年5月第一版
[14] 谷千束[日]著，金轸裕 译．《先进显示器技术》，科学出版社，2002年8月第1版
[15] http://www.lowendpc.com/tech/index.shtml
[16] http://www.hardocp.com/article.html?art=Nywy
[17] DetlefBahr．FELIX体积型计算机控立体显示器的概念，激光与红外，1997．2
[18] http://www.actuality-systems.com
[19] 孔建益．对考虑摩擦时机构力分析逐次逼近的方法的改进．武汉钢铁学院院报，1991．6
[20] 孙桓，傅则绍．机械原理，高等教育出版社，1989．3第四版
[21] 孔建益．考虑摩擦时机构力分析的数学模型及其直接解法；全国冶金高校机原机零第五届学术会议论文
[22] 王鸿钰．解明芳，以微机控制的步进电机开环系统(一)，1988；(2)
[23] 王晓明．电动机的单片机控制，北京航空航天大学出版社，2002．5
[24] 杨渝钦，控制电机，机械工业出版社，1996．5
[25] 李忠杰，宁守信，步进电机应用技术，机械工业出版社，1988．12
[26] 王鸿钰，解明芳．以微机控制的步进电机的开环系统．微电机，1988；(2)
[27] 李明泉，功率步进电机最佳升降频特性及控制程序的设计，机械，1987．1
[28] 李明泉，功率步进电机最佳升降频过程三段曲线逼近法，微电机，1987
[29] 王晓初，何捷，步进电机自动升降速及其单片机控制，微特电机，1998．2
[30] 郑灼，李兴根．单片机控制的步进电机升降频规律及实现[J]．微电机，1999．32(4)
[31] 朱心雄．自由曲线曲面造型技术．科学出版社．2000．1
[32] 陆庭恕．余卫，电动机的微型计算机控制．南京工学院出版社，1986．11
[33] 沈美明，温冬婵，IBM-PC汇编语言程序设计，清华大学出版社，2001．8
[34] 沈美明，温冬婵，张赤红，IBM PC汇编语言程序设计试验教程，清华大学出版社，1992．5
[35] 刘榴娣，常本康，党长民，显示技术，北京理工大学出版社，1993．8
[36] 刘竞成，交流调速系统，上海交通大学出版社，1984．8
[37] 毛英泰，误差理论与精度分析，国防工业出版社，1982．6
[38] 王鉴光，蒋兴铭，谭文琪，董碧云，电机控制系统，1994．8
[39] 王宗培 等．微电机原理，科学出版社，1989．6
[40] 刘豹．现代控制理论，机械工业出版社，2000．5
[41] 马至云．电机瞬态分析，中国电力出版社，1998．5
[42] 庞国仲．自动控制原理，中国科学技术大学出版社，1993．8
[43] 李德栋，谢晓方，王昌金，步进电机细分电流试验设计方法，微特电机，2002．2
[44] 杨红红，张琛，陈爱国，步进电机恒力矩均匀细分驱动电路的实现，电子技术，2000．3
[45] 林小娥，范承志，王宇峰，利用绕组反电势抑制步进电机振荡，微特电机，2001．5
[46] 桂林，李忠杰，改善步进电机振荡及加减速性能的模糊控制，微电机，1999．4
[47] 张志利，黄先祥，刘春桐，步进电机细分控制函数修正方法研究，微电机，2000．33(5)
[48] 陈理壁，步进电机及其应用，上海科技出版社，1985
[49] 赵加森，用微机控制步进电机的升降速，
[50] 袁国干，石东，徐洪福，步进电动机加速过程的最佳控制，电气自动化，1997．3
[51] 王宗培，韩光鲜，任雷，程智，步进电机的最大可用功率，微电机，2000．2
[52] 闫贵军，吕海宝，漆新民，提高步进步距精度的研究，国防科技大学学报，1994．6
[53] 钟守炎，步进电机的微机控制，微电机，1992．1
[54] 马西庚，基于函数的步进电动机细分控制量的研究，微电机，1998．4
[55] 王宗培，郑大鹏，李春雨，微步驱动步进电机的角速度均匀性，微电机，1996．1
[56] 王宗培，史敬灼，两相混合式步进电动机仿真模型分析，微特电机，1998．6
[57] 金松令，金孚安，微机控制步进电动机运行参数的计算，微电机，1992．4
[58] 唐荣锡，汪嘉业，彭群生，汪国昭 等编著．计算机图形学教程(修订版)．科学出版社，2000年11月修订版。
[59] 祝绍箕．光栅数字显示技术及其应用．机械工业出版社，1992．4
[60] 来文占．微机显示技术实用手册．电子工业出版社，1992．11
[61] 纪树赓．自动显示技术及仪表．机械工业出版社，1994．5
[62] 傅德胜．微机显示技术与应用．东南大学出版社，1997．12
[63] 彭国贤．显示技术与显示器件．人民邮电出版社1981．6
[64] 李月景．自动显示技术及装置．计算机图形显示2．机械工业出版社，1981
[65] 应根裕．平板显示技术．人民邮电出版社2002
[66] 杨祖清．流动显示技术．国防工业出版社2002
[67] 贺利洁，赵曙光，刘刚．计算机图形显示技术．西安电子科技大学出版社，2001
[68] (日)大石严，(日)烟田丰彦，(日)田村著，白玉林，王毓仁译．显示技术基础．大石科学出版社2003
[69] (日)堀浩雄，(日)铃木幸治主编；金轸裕译．彩色液晶显示．科学出版社，2003