用MSP430F149單片機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)通用控制器

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)一般還需要專門的驅(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，用戶需要再次開發(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，可以滿足大多數(shù)控制場(chǎng)合下的要求?？刂破鞯闹饕δ転椋?

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)定的曲線運(yùn)行，曲線最多達(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)在多段曲線上的運(yùn)行控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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，無須硬件擴(kuò)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(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，可以滿足系統(tǒng)速度的設(shè)定及曲線定時(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*102 KHz。以超過最高起動(dòng)頻率的頻率直接起動(dòng)，將出現(xiàn)"失步"現(xiàn)象，甚至無法起動(dòng)。較為理想的起動(dòng)曲線，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（后稱階梯頻率）△f=f/8,即采用8段擬合。在運(yùn)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(yùn)行。如圖2所示。

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(gè)問題：

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，并通過轉(zhuǎn)換程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為定時(shí)初值表。通過在不同的階段調(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。