基于MSP430F449的懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：以低功耗MSP430F449單片機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)為控制核心，由步進(jìn)電機(jī)控制模塊、紅外傳感和人機(jī)交互3個(gè)功能部分組成。由MSP430F449實(shí)現(xiàn)相應(yīng)算法產(chǎn)生不同狀態(tài)的PWM波，以控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)畫(huà)筆的控制。系統(tǒng)可通過(guò)鍵盤(pán)任意設(shè)置坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù)；控制質(zhì)量大于100g的物體在仰角不大于100°的80 cmx100 cm白板上做自行設(shè)定的運(yùn)動(dòng)，并在白板上畫(huà)出運(yùn)動(dòng)軌跡；控制物體沿白板上按標(biāo)出的任意黑色間斷曲線運(yùn)動(dòng)。畫(huà)筆坐標(biāo)點(diǎn)及各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示在LCD上，人機(jī)界面友好。
關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；紅外傳感；PWM波；人機(jī)交互

在現(xiàn)代的車輛運(yùn)動(dòng)、醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)控制等系統(tǒng)中，懸掛運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越多，在這些系統(tǒng)中懸掛運(yùn)動(dòng)部件通常是具體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因而懸掛部件的運(yùn)動(dòng)精確性是整個(gè)系統(tǒng)工作效能的決定因素，因而實(shí)際實(shí)現(xiàn)懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的精確控制具有極其重大的現(xiàn)實(shí)意義。本系統(tǒng)采用低功耗MSP430F449單片機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)了懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，采用高效的PWM電路，提高電源利用率；紅外傳感檢測(cè)，提高糾錯(cuò)能力。由單片機(jī)產(chǎn)生脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)有精確步距的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)懸掛部件在平面上做特定的準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)。

1 懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
1．1 電機(jī)選取
方案①：直流電機(jī)。直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是輸出功率大，帶負(fù)載能力強(qiáng)；缺點(diǎn)是不能精確地控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。
方案②：步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，具有較強(qiáng)的快速啟停能力。步進(jìn)角方面，選用的三相六拍式步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)轉(zhuǎn)角最小可以達(dá)到1．5°，可以滿足系統(tǒng)控制精度要求。并且可以通過(guò)對(duì)其轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)位移的精確控制。
方案③：使用伺服電機(jī)，伺服電機(jī)是一種內(nèi)帶編碼盤(pán)，可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)器精確控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度(0．001°級(jí)別)，而且過(guò)載能力強(qiáng)，常用于精密控制，但其驅(qū)動(dòng)電壓一般較高，體積較大，在本題目的實(shí)現(xiàn)上并不適用。
綜上所述，選擇方案②。采用步進(jìn)電機(jī)。
1. 2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇
方案①：使用分立元件搭建。利用大功率三極管放大功率給步進(jìn)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)電壓和電流。但本實(shí)驗(yàn)對(duì)功率要求較大，精度有限。
方案②：集成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。集成驅(qū)動(dòng)塊能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，其內(nèi)部加入了光耦隔離器將控制電路與驅(qū)動(dòng)電路完全隔離，防止了電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)對(duì)控制電路造成影響。并且其只需要兩三根線便實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精確控制，控制相當(dāng)簡(jiǎn)單。
綜上所述，由于本系統(tǒng)需盡量采用高性能的驅(qū)動(dòng)電路以保證步進(jìn)電機(jī)良好的運(yùn)轉(zhuǎn)性能，故選擇方案②。
1．3 循跡傳感器選擇
方案①：發(fā)光二極管和光敏二極管組成發(fā)射-接收電路。發(fā)光二極管為可見(jiàn)光，故光敏二極管的工作受外界光照影響很大，很容易造成誤判和漏判。
方案②：反射式紅外發(fā)射-接收器。采用紅外對(duì)管替代普通可見(jiàn)光管，能極大地降低環(huán)境光源的影響。并且，紅外線波長(zhǎng)大，近距離衰減小，故探測(cè)近距離黑線更加可靠。
綜上，選擇方案②，采用發(fā)射時(shí)紅外傳感器ST188。
1. 4 畫(huà)線算法
方案①：DDA算法。根據(jù)直線起始坐標(biāo)得出斜率。取合適的步進(jìn)量，根據(jù)斜率得出直線上每點(diǎn)的坐標(biāo)，直接計(jì)算出兩側(cè)電機(jī)步數(shù)，控制畫(huà)筆畫(huà)線。該算法簡(jiǎn)單易行。
方案②：Bresenham微元算法。該算法只做整數(shù)加／減運(yùn)算和乘2運(yùn)算，運(yùn)算速度很快，適于用硬件實(shí)現(xiàn)。
本系統(tǒng)采用軟件實(shí)現(xiàn)算法，故選擇方案①。
1．5 畫(huà)圓算法
方案①：圖形掃描Bresenham算法。該算法采用直角坐標(biāo)系，但畫(huà)圓時(shí)采用該坐標(biāo)系算法不夠清晰。
方案②：用自行設(shè)計(jì)的極坐標(biāo)法。極坐標(biāo)法公式簡(jiǎn)單，算法清晰。運(yùn)算速度較快，完全能達(dá)到要求。
故選擇方案②。
1．6 循跡傳感器的安裝方法
將8個(gè)傳感器均勻分布予畫(huà)筆周圍，并形成一個(gè)八邊形以細(xì)化物體的運(yùn)動(dòng)方向。由于黑色物體和白色物體的反射系數(shù)不同，傳感器的輸出電平亦有不同，用硬件比較器LM311標(biāo)定傳感器的閾值，將曲線的有無(wú)變換為高低電平送單片機(jī)I／O口，由軟件尋找反射最弱的傳感器方位，從而實(shí)現(xiàn)定位。
1．7 控制方案
基于對(duì)步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)方式的考慮，采取一種將物體運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)移動(dòng)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)長(zhǎng)度的策略?？刂茟揖€在一定時(shí)間內(nèi)伸縮的長(zhǎng)度就可以控制物體的運(yùn)動(dòng)方向。電機(jī)正轉(zhuǎn)，則懸線伸長(zhǎng)；反轉(zhuǎn)，則懸線縮短。懸線變化的長(zhǎng)度和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)成正比。題目指標(biāo)要求物體可以行走直線、圓周和一段現(xiàn)場(chǎng)給出的不確定間斷曲線，對(duì)此3種運(yùn)動(dòng)線型采取統(tǒng)一處理的策略，即都是用微小直線段組合成復(fù)雜曲線。這樣做不僅能使電機(jī)的步進(jìn)直接實(shí)現(xiàn)，還可以將所有線型集中轉(zhuǎn)化為對(duì)直線運(yùn)動(dòng)的研究之后再拼接組合復(fù)原。對(duì)于不確定的運(yùn)動(dòng)曲線，物體上的光電傳感器陣列實(shí)時(shí)采集路線信息，將其傳送給處理器進(jìn)行方向判斷，給出下一步運(yùn)動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)的相關(guān)信息。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2．1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
根據(jù)設(shè)計(jì)要求和方案選擇，本系統(tǒng)主要由3個(gè)模塊電路組成：步進(jìn)電機(jī)控制模塊、紅外傳感和人機(jī)交互模塊。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)；循跡采用紅外對(duì)管，抗干擾能力好。MSP430單片機(jī)微控制器控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，以實(shí)現(xiàn)畫(huà)直線、畫(huà)圓及循跡過(guò)程。用戶可通過(guò)4x4鍵盤(pán)選擇運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)及畫(huà)筆行動(dòng)方式的設(shè)定。同時(shí)所有狀態(tài)均在LCD上實(shí)時(shí)顯示，及時(shí)跟蹤電機(jī)行動(dòng)狀態(tài)。
2．2 總體實(shí)現(xiàn)框圖
系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

，所以稱為三相步進(jìn)電機(jī)，磁極上有均勻分布的矩形小齒，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，但有小齒均勻分布在其圓周上。其工作過(guò)程是：當(dāng)一相繞組通電時(shí)，相應(yīng)的兩個(gè)磁極就分別形成了N極和S極，產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。磁通從正相齒，經(jīng)過(guò)軟鐵芯的轉(zhuǎn)子，并以最短的路徑流向負(fù)相齒，而其他四個(gè)凸齒并無(wú)磁通。為使磁通路徑最短，在磁場(chǎng)力的作用下，轉(zhuǎn)子被強(qiáng)迫移動(dòng)，使最近的一對(duì)齒與被激勵(lì)的一相對(duì)準(zhǔn)，即使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對(duì)齊，從而步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)向前“走”了一步。
如果給繞組施加有序的脈沖電流就可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)電脈沖信號(hào)到角度的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖的頻率成正比，轉(zhuǎn)向則與脈沖順序有關(guān)。三相電機(jī)電流脈沖的施加方式有3種：
1)三相單三拍方式(按照單向繞組施加脈沖)：
正轉(zhuǎn)：→A→B→C→；反轉(zhuǎn)：→A→C→B→。
2)三相雙三拍方式(按照雙向繞組施加脈沖)：
正轉(zhuǎn)：→AB→BC→CA→；反轉(zhuǎn)：→AC→CB→BA→。
3)三相六拍方式(單向繞組和雙向繞組交替施加脈沖)：
正轉(zhuǎn)：→A→AB→B→BC→C→CA→；反轉(zhuǎn)：→A→AC→C→CB→B→BA→。
其中，三相六拍式的步距角是1.5°，其他兩種方式為3°。為了不產(chǎn)生累積誤差，必須保證電機(jī)不失步，這和其運(yùn)行矩頻特性密切相關(guān)，值得注意的是步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)存在一個(gè)必須避開(kāi)的頻率——共振頻率￡0。
由于兩邊電機(jī)型號(hào)不一樣，系統(tǒng)控制時(shí)需要注意兩者的同步問(wèn)題，從而以最佳的配合實(shí)現(xiàn)對(duì)畫(huà)筆的精確圓滑控制。