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基于步進電機的控制系統 ， 除了步進電機外一般還需要專門的驅動電源，驅動電源僅僅完成功率驅動部分，用戶并不能使整個控制系統按預定的、期望的工作狀態運行，必須對它的驅動電源予以控制，用戶需要再次開發。
為此，設計了基于MSP430F149單片機實現的步進電機通用控制器，可以滿足大多數控制場合下的要求。控制器的主要功能為：
● 可控制多套步進電機驅動系統；目前可同時控制3套系統。
● 工作方式靈活，可按設定的曲線運行，曲線最多達8段；可按外部檢測到的控制信號運行；可按模擬調節測試功能運行。
圖1 系統結構框圖
圖2 階梯升速起動
圖3 換向信號起作用的時刻
圖4 連續模式的定時間隔輸出
系統設計
系統結構
本控制器主要實現了多臺步進電機在多段曲線上的運行控制。系統結構如圖1所示。
微處理器的選擇
本設計選用了TI公司的MSP系列單片機MSP430F149。目的是應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；完全可以實現該系統所有信號的輸入、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、硬件設計變得非常簡單。
● 12位A/D轉換器ADC；完成模擬設定功能。
● 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，可以滿足系統速度的設定及曲線定時的要求。
● 液晶驅動模塊；
● 內置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，不僅設計變得非常簡單，而且該控制器體積小、可靠性高。
步進電機起動及加/減速控制方案
步進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到Nx102KHz。以超過最高起動頻率的頻率直接起動，將出現“失步”現象，甚至無法起動。較為理想的起動曲線，應是按指數規律起動。但實際應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”將速度連續升到所需要的速度，然后鎖定，按預置的曲線運行(如圖2所示)。
用單片機實現步進電機的加/減速控制，實際上就是控制發脈沖的頻率，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速度轉換時間應盡量短；為了縮短速度轉換的時間，可以采用建立數據表的方法。，結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的數據表，并通過轉換程序將其轉換為定時初值表。通過在不同的階段調用相應的定時初值，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；要從一個速度準確達到另外一個速度，就要建立一個校驗機制，以防超過或未達到所需速度。
步進電機的換向問題
步進電機換向時，一定要在電機降速停止或降到突跳頻率范圍之內再換向，以免產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脈沖結束后以及下一個方向的第一個CP脈沖前發出(如圖3所示)。對于CP脈沖的設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、反向切換實質包含了降速→換向→升速三個過程。
速度與定時器初值的轉換
本系統的速度控制是依靠定時產生CP脈沖來完成的，設定的速度與產生CP脈沖的定時器初值間存在一定關系。MSP430F149定時器的工作方式有多種，本設計定時器工作在連續方式下。在連續模式，定時器從它的當前值開始計數，當計到0FFFFH后又從“0”開始重新計數。在該方式下，將定時器的當前值和比較寄存器CCRX相比較，如相等則產生中斷，并在該中斷服務程序中可以將下一個事件發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的定時時間間隔，并在每一個定時間隔到來產生中斷請求。
定時初值=所需定時值/計數周期
對于步進電機其速度值常以頻率形式給定，諸如運行在20KHz下，因此上式可轉換為：
定時初值=計數頻率/速度值,其中計數頻率為系統時鐘頻率。
結語
該控制器可以實現步進電機在多段設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。該課題為北方工業大學校科研基金資助項目。 |
66821730(技術支持)
