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本文主要介紹了基于MSP430F149單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)通用控制器。該控制器可同時(shí)控制多臺(tái)步進(jìn)電機(jī)按曲線(xiàn)方式運(yùn)行，包括加減速、定位及換向功能等。文中重點(diǎn)探討了步進(jìn)電機(jī)升降速曲線(xiàn)的設(shè)計(jì)方案及其實(shí)現(xiàn)方法。 1.前言 基于步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)，除了步進(jìn)電機(jī)一般還需要專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)電源僅僅完成功率驅(qū)動(dòng)部分，用戶(hù)并不能使整個(gè)控制系統(tǒng)按預(yù)定的、期望的工作狀態(tài)運(yùn)行，必須對(duì)它的驅(qū)動(dòng)電源予以控制，用戶(hù)需要再次開(kāi)發(fā)。 鑒于此，設(shè)計(jì)了基于MSP430F149單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)通用控制器，可以滿(mǎn)足大多數(shù)控制場(chǎng)合下的要求。控制器的主要功能為： ① 可控制多套步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；目前可同時(shí)控制3套系統(tǒng)。 ② 工作方式靈活，可按設(shè)定的曲線(xiàn)運(yùn)行，曲線(xiàn)最多達(dá)8段；可按外部檢測(cè)到的控制信號(hào)運(yùn)行；可按模擬調(diào)節(jié)測(cè)試功能運(yùn)行； 2．系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 本控制器主要實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)步進(jìn)電機(jī)在多段曲線(xiàn)上的運(yùn)行控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 2．2微處理器的選擇 本設(shè)計(jì)選用了TI公司所生產(chǎn)的MSP系列單片機(jī)MSP430F149。目的是應(yīng)用其豐富的接口資源和強(qiáng)大的定時(shí)器功能，MSP430F149的性能特點(diǎn)如下： ①6個(gè)八位并行接口；完全可以實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)所有信號(hào)的輸入、輸出，無(wú)須硬件擴(kuò)展，其中P1、P2八位并行端口的每根口線(xiàn)都具有中斷功能，使鍵盤(pán)的軟、硬件設(shè)計(jì)變的非常簡(jiǎn)單。 ②12位A/D轉(zhuǎn)換器ADC；完成模擬設(shè)定功能。 ③強(qiáng)大的定時(shí)器功能；TIMER-A3、TIMER-B7分別為帶有3個(gè)和7個(gè)捕捉/比較寄存器的16位定時(shí)器，可以滿(mǎn)足系統(tǒng)速度的設(shè)定及曲線(xiàn)定時(shí)的要求。 ④液晶驅(qū)動(dòng)模塊； ⑤內(nèi)置2KB RAM、60KB的FLASH； MSP430F149所提供的豐富資源，外圍硬件擴(kuò)展只需做很少的工作，不僅設(shè)計(jì)變得非常簡(jiǎn)單，而且該控制器體積小、可靠性高。 2．3步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)及加/減速控制方案 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最高起動(dòng)頻率（突跳頻率）一般為0.1KHz到3-4KHz，而最高運(yùn)行頻率則可以達(dá)到N*102KHz。以超過(guò)最高起動(dòng)頻率的頻率直接起動(dòng)，將出現(xiàn)"失步"現(xiàn)象，甚至無(wú)法起動(dòng)。較為理想的起動(dòng)曲線(xiàn)，應(yīng)是按指數(shù)規(guī)律起動(dòng)。但實(shí)際應(yīng)用對(duì)起動(dòng)段的處理可采用按直線(xiàn)擬合的方法，即"階梯升速法"。可按兩種情況處理，①已知突跳頻率則按突跳頻率分段起動(dòng)，分段數(shù)n=f/fq。②未知突跳頻率，則按段擬合至給定的起動(dòng)頻率，每段頻率的遞增量（后稱(chēng)階梯頻率）△f=f/8,即采用8段擬合。在運(yùn)行控制過(guò)程中，將起始的速度（頻率）分為n分作為階梯頻率，采用"階梯升速法"將速度連續(xù)升到所需要的速度，然后鎖定，按預(yù)置的曲線(xiàn)運(yùn)行。如圖2所示。 圖2 階梯升速起動(dòng) 用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的加/減速控制，實(shí)際上就是控制發(fā)脈沖的頻率，升速時(shí)，使脈沖頻率增高，減速時(shí)相反。如果使用定時(shí)中斷來(lái)控制電機(jī)的速度，加減速控制就是不斷改變定時(shí)器的初值。速度從V1→V2如果是線(xiàn)性增加，則按給定的斜率升/降速；如果是突變，則按"階梯升速法"處理。在此過(guò)程中要處理好兩個(gè)問(wèn)題： ①速度轉(zhuǎn)換時(shí)間應(yīng)盡量短；為了縮短速度轉(zhuǎn)換的時(shí)間，可以采用建立數(shù)據(jù)表的方法。，結(jié)合各曲線(xiàn)段的頻率和各段間的階梯頻率便可以建立一個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)表，并通過(guò)轉(zhuǎn)換程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為定時(shí)初值表。通過(guò)在不同的階段調(diào)用相應(yīng)的定時(shí)初值，控制電機(jī)的運(yùn)行。定時(shí)初值的計(jì)算是在定時(shí)中斷外實(shí)現(xiàn)的，并不占用中斷時(shí)間，保證電機(jī)的高速運(yùn)行。 ②保證控制速度的精確性；要從一個(gè)速度準(zhǔn)確達(dá)到另外一個(gè)速度，就要建立一個(gè)校驗(yàn)機(jī)制，以防超過(guò)或未達(dá)到所需速度。 2．4步進(jìn)電機(jī)的換向問(wèn)題 步進(jìn)電機(jī)換向時(shí)，一定要在電機(jī)降速停止或降到突跳頻率范圍之內(nèi)再換向，以免產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機(jī)。換向信號(hào)一定要在前一個(gè)方向的最后一個(gè)CP脈沖結(jié)束后以及下一個(gè)方向的第一個(gè)CP脈沖前發(fā)出。如圖3所示。對(duì)于CP脈沖的設(shè)計(jì)主要要求其有一定的脈沖寬度（一般不小于5μs）、脈沖序列的均勻度及高低電平方式。 2．5速度與定時(shí)器初值的轉(zhuǎn)換 本系統(tǒng)的速度控制是依靠定時(shí)產(chǎn)生CP脈沖來(lái)完成的，設(shè)定的速度與產(chǎn)生CP脈沖的定時(shí)器初值間存在一定關(guān)系。MSP430F149定時(shí)器的工作方式有多種，本設(shè)計(jì)定時(shí)器工作在連續(xù)方式下。在連續(xù)模式，定時(shí)器從它的當(dāng)前值開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)到0FFFFH后又從"0"開(kāi)始重新計(jì)數(shù)。在該方式下，將定時(shí)器的當(dāng)前值和比較寄存器CCRX相比較，如相等則產(chǎn)生中斷，并在該中斷服務(wù)程序中可以將下一個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間加到比較寄存器CCRX上，如圖4，如此這樣便會(huì)得到連續(xù)的定時(shí)時(shí)間間隔，并在每一個(gè)定時(shí)間隔到來(lái)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求。 該控制器可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)在多段設(shè)定曲線(xiàn)下的運(yùn)行控制，具有硬件簡(jiǎn)單、體積小、可靠性高的特點(diǎn)，已將其用于電線(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)上的排線(xiàn)控制部分,取得了令人滿(mǎn)意的效果。該課題為北方工業(yè)大學(xué)校科研基金資助項(xiàng)目。 參考文獻(xiàn) 1. 胡大可. MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機(jī). 北京航空航天大學(xué)出版社，2001. 2. 李仁定. 電機(jī)的微機(jī)控制. 機(jī)械工業(yè)出版社，1999. 3. 陳理璧. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其應(yīng)用. 上海科學(xué)技術(shù)出版社，1985. 4. MSP430 Assembler, Linker, and Librarian Programming Guide，Texas Instruments Corportation. 作者簡(jiǎn)介： 李穎宏，女，出生于1968年4月，北方工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)科講師，1992年畢業(yè)于北京理工大學(xué)，取得碩士學(xué)位。畢業(yè)以來(lái)多年從事電機(jī)及單片機(jī)教學(xué)和科研工作，經(jīng)驗(yàn)豐富。 郭棟，男，出生于1980年3月。2002年7月畢業(yè)于北方工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)就讀于北京科技大學(xué)系統(tǒng)工程專(zhuān)業(yè)（研究生），愛(ài)好單片機(jī)開(kāi)發(fā)，精通MCS51,MCS96及MSP430F149單片機(jī)，曾開(kāi)發(fā)過(guò)多個(gè)項(xiàng)目。具有較為豐富的實(shí)際開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。 聯(lián)系電話(huà)：010-82385738(H) 13161001674 |
