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基于步進(jìn)電機的控制系統(tǒng) ， 除了步進(jìn)電機外一般還需要專門的驅(qū)動電源，驅(qū)動電源僅僅完成功率驅(qū)動部分，用戶并不能使整個控制系統(tǒng)按預(yù)定的、期望的工作狀態(tài)運行，必須對它的驅(qū)動電源予以控制，用戶需要再次開發(fā)。
為此，設(shè)計了基于MSP430F149單片機實現(xiàn)的步進(jìn)電機通用控制器，可以滿足大多數(shù)控制場合下的要求。控制器的主要功能為：
● 可控制多套步進(jìn)電機驅(qū)動系統(tǒng)；目前可同時控制3套系統(tǒng)。
● 工作方式靈活，可按設(shè)定的曲線運行，曲線最多達(dá)8段；可按外部檢測到的控制信號運行；可按模擬調(diào)節(jié)測試功能運行。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
圖2 階梯升速起動
圖3 換向信號起作用的時刻
圖4 連續(xù)模式的定時間隔輸出
系統(tǒng)設(shè)計
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本控制器主要實現(xiàn)了多臺步進(jìn)電機在多段曲線上的運行控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
微處理器的選擇
本設(shè)計選用了TI公司的MSP系列單片機MSP430F149。目的是應(yīng)用其豐富的接口資源和強大的定時器功能，MSP430F149的性能特點如下：
● 6個八位并行接口；完全可以實現(xiàn)該系統(tǒng)所有信號的輸入、輸出，無須硬件擴展，其中P1、P2八位并行端口的每根口線都具有中斷功能，使鍵盤的軟、硬件設(shè)計變得非常簡單。
● 12位A/D轉(zhuǎn)換器ADC；完成模擬設(shè)定功能。
● 強大的定時器功能；TIMER-A3、TIMER-B7分別為帶有3個和7個捕捉/比較寄存器的16位定時器，可以滿足系統(tǒng)速度的設(shè)定及曲線定時的要求。
● 液晶驅(qū)動模塊；
● 內(nèi)置2KB RAM、60KB的FLASH；
MSP430F149所提供的豐富資源，外圍硬件擴展只需做很少的工作，不僅設(shè)計變得非常簡單，而且該控制器體積小、可靠性高。
步進(jìn)電機起動及加/減速控制方案
步進(jìn)電動機的最高起動頻率(突跳頻率)一般為0.1KHz到3-4KHz，而最高運行頻率則可以達(dá)到Nx102KHz。以超過最高起動頻率的頻率直接起動，將出現(xiàn)“失步”現(xiàn)象，甚至無法起動。較為理想的起動曲線，應(yīng)是按指數(shù)規(guī)律起動。但實際應(yīng)用對起動段的處理可采用按直線擬合的方法，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，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頻率，每段頻率的遞增量(階梯頻率)△f=f/8,即采用8段擬合。在運行控制過程中，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)置的曲線運行(如圖2所示)。
用單片機實現(xiàn)步進(jìn)電機的加/減速控制，實際上就是控制發(fā)脈沖的頻率，升速時，使脈沖頻率增高，減速時相反。如果使用定時中斷來控制電機的速度，加減速控制就是不斷改變定時器的初值。速度從V1→V2如果是線性增加，則按給定的斜率升/降速；如果是突變，則按“階梯升速法”處理。在此過程中要處理好兩個問題：
①速度轉(zhuǎn)換時間應(yīng)盡量短；為了縮短速度轉(zhuǎn)換的時間，可以采用建立數(shù)據(jù)表的方法。，結(jié)合各曲線段的頻率和各段間的階梯頻率便可以建立一個連續(xù)的數(shù)據(jù)表，并通過轉(zhuǎn)換程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為定時初值表。通過在不同的階段調(diào)用相應(yīng)的定時初值，控制電機的運行。定時初值的計算是在定時中斷外實現(xiàn)的，并不占用中斷時間，保證電機的高速運行。
②保證控制速度的精確性；要從一個速度準(zhǔn)確達(dá)到另外一個速度，就要建立一個校驗機制，以防超過或未達(dá)到所需速度。
步進(jìn)電機的換向問題
步進(jìn)電機換向時，一定要在電機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。換向信號一定要在前一個方向的最后一個CP脈沖結(jié)束后以及下一個方向的第一個CP脈沖前發(fā)出(如圖3所示)。對于CP脈沖的設(shè)計主要要求其有一定的脈沖寬度(一般不小于5ms)、脈沖序列的均勻度及高低電平方式。
在某一高速下的正、反向切換實質(zhì)包含了降速→換向→升速三個過程。
速度與定時器初值的轉(zhuǎn)換
本系統(tǒng)的速度控制是依靠定時產(chǎn)生CP脈沖來完成的，設(shè)定的速度與產(chǎn)生CP脈沖的定時器初值間存在一定關(guān)系。MSP430F149定時器的工作方式有多種，本設(shè)計定時器工作在連續(xù)方式下。在連續(xù)模式，定時器從它的當(dāng)前值開始計數(shù)，當(dāng)計到0FFFFH后又從“0”開始重新計數(shù)。在該方式下，將定時器的當(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事件發(fā)生的時間加到比較寄存器CCRX上，如圖4，如此這樣便會得到連續(xù)的定時時間間隔，并在每一個定時間隔到來產(chǎn)生中斷請求。
定時初值=所需定時值/計數(shù)周期
對于步進(jìn)電機其速度值常以頻率形式給定，諸如運行在20KHz下，因此上式可轉(zhuǎn)換為：
定時初值=計數(shù)頻率/速度值,其中計數(shù)頻率為系統(tǒng)時鐘頻率。
結(jié)語
該控制器可以實現(xiàn)步進(jìn)電機在多段設(shè)定曲線下的運行控制，具有硬件簡單、體積小、可靠性高的特點，已將其用于電線生產(chǎn)線上的排線控制部分,取得了令人滿意的效果。該課題為北方工業(yè)大學(xué)校科研基金資助項目。 |
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