用MSP430F149單片機實現(xiàn)步進電機通用控制器

1.前言
基于步進電機的控制系統(tǒng)，除了步進電機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)。

鑒于此，設計了基于MSP430F149單片機實現(xiàn)的步進電機通用控制器，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：

① 可控制多套步進電機驅(qū)動系統(tǒng)；目前可同時控制3套系統(tǒng)。

② 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(diào)節(jié)測試功能運行；

2．系統(tǒng)的設計

2.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
本控制器主要實現(xiàn)了多臺步進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。

2．2微處理器的選擇
本設計選用了TI公司所生產(chǎn)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：

①6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、硬件設計變的非常簡單。

②12位A/D轉(zhuǎn)換器ADC；完成模擬設定功能。

③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)速度的設定及曲線定時的要求。

④液晶驅(qū)動模塊；

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。

2．3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N*102 KHz。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，應是按指數(shù)規(guī)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(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（后稱階梯頻率）△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，按預置的曲線運行。如圖2所示。

用單片機實現(xiàn)步進電機的加/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。