基于MSP430F449的懸掛運動控制系統(tǒng)設計

摘要：以低功耗MSP430F449單片機系統(tǒng)平臺為控制核心，由步進電機控制模塊、紅外傳感和人機交互3個功能部分組成。由MSP430F449實現(xiàn)相應算法產(chǎn)生不同狀態(tài)的PWM波，以控制電機的運動，從而實現(xiàn)對畫筆的控制。系統(tǒng)可通過鍵盤任意設置坐標點參數(shù)；控制質(zhì)量大于100g的物體在仰角不大于100°的80 cmx100 cm白板上做自行設定的運動，并在白板上畫出運動軌跡；控制物體沿白板上按標出的任意黑色間斷曲線運動。畫筆坐標點及各運動狀態(tài)實時顯示在LCD上，人機界面友好。
關鍵詞：步進電機；紅外傳感；PWM波；人機交互

在現(xiàn)代的車輛運動、醫(yī)療設備和工業(yè)控制等系統(tǒng)中，懸掛運動系統(tǒng)的應用越來越多，在這些系統(tǒng)中懸掛運動部件通常是具體的執(zhí)行機構(gòu)，因而懸掛部件的運動精確性是整個系統(tǒng)工作效能的決定因素，因而實際實現(xiàn)懸掛運動控制系統(tǒng)的精確控制具有極其重大的現(xiàn)實意義。本系統(tǒng)采用低功耗MSP430F449單片機系統(tǒng)平臺設計了懸掛運動控制系統(tǒng)，采用高效的PWM電路，提高電源利用率；紅外傳感檢測，提高糾錯能力。由單片機產(chǎn)生脈沖信號驅(qū)動有精確步距的步進電動機，電機帶動懸掛部件在平面上做特定的準確運動。

1 懸掛運動控制系統(tǒng)設計方案
1．1 電機選取
方案①：直流電機。直流電機的優(yōu)點是輸出功率大，帶負載能力強；缺點是不能精確地控制直流電機的轉(zhuǎn)動角度。
方案②：步進電機。步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。給電機加一個脈沖信號，電機就轉(zhuǎn)過一個步距角，具有較強的快速啟停能力。步進角方面，選用的三相六拍式步進電機，步進轉(zhuǎn)角最小可以達到1．5°，可以滿足系統(tǒng)控制精度要求。并且可以通過對其轉(zhuǎn)動步數(shù)的控制實現(xiàn)對位移的精確控制。
方案③：使用伺服電機，伺服電機是一種內(nèi)帶編碼盤，可以通過驅(qū)動器精確控制轉(zhuǎn)動角度(0．001°級別)，而且過載能力強，常用于精密控制，但其驅(qū)動電壓一般較高，體積較大，在本題目的實現(xiàn)上并不適用。
綜上所述，選擇方案②。采用步進電機。
1. 2 電機驅(qū)動器選擇
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電機提供驅(qū)動電壓和電流。但本實驗對功率要求較大，精度有限。
方案②：集成步進電機驅(qū)動器。集成驅(qū)動塊能力強，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)動電路完全隔離，防止了電動機在啟動和制動時對控制電路造成影響。并且其只需要兩三根線便實現(xiàn)電機的精確控制，控制相當簡單。
綜上所述，由于本系統(tǒng)需盡量采用高性能的驅(qū)動電路以保證步進電機良好的運轉(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。采用紅外對管替代普通可見光管，能極大地降低環(huán)境光源的影響。并且，紅外線波長大，近距離衰減小，故探測近距離黑線更加可靠。
綜上，選擇方案②，采用發(fā)射時紅外傳感器ST188。
1. 4 畫線算法
方案①：DDA算法。根據(jù)直線起始坐標得出斜率。取合適的步進量，根據(jù)斜率得出直線上每點的坐標，直接計算出兩側(cè)電機步數(shù)，控制畫筆畫線。該算法簡單易行。
方案②：Bresenham微元算法。該算法只做整數(shù)加／減運算和乘2運算，運算速度很快，適于用硬件實現(xiàn)。
本系統(tǒng)采用軟件實現(xiàn)算法，故選擇方案①。
1．5 畫圓算法
方案①：圖形掃描Bresenham算法。該算法采用直角坐標系，但畫圓時采用該坐標系算法不夠清晰。
方案②：用自行設計的極坐標法。極坐標法公式簡單，算法清晰。運算速度較快，完全能達到要求。
故選擇方案②。
1．6 循跡傳感器的安裝方法
將8個傳感器均勻分布予畫筆周圍，并形成一個八邊形以細化物體的運動方向。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標定傳感器的閾值，將曲線的有無變換為高低電平送單片機I／O口，由軟件尋找反射最弱的傳感器方位，從而實現(xiàn)定位。
1．7 控制方案
基于對步進電機步進方式的考慮，采取一種將物體運動坐標移動轉(zhuǎn)化為步進長度的策略?？刂茟揖€在一定時間內(nèi)伸縮的長度就可以控制物體的運動方向。電機正轉(zhuǎn)，則懸線伸長；反轉(zhuǎn)，則懸線縮短。懸線變化的長度和電機轉(zhuǎn)動的步數(shù)成正比。題目指標要求物體可以行走直線、圓周和一段現(xiàn)場給出的不確定間斷曲線，對此3種運動線型采取統(tǒng)一處理的策略，即都是用微小直線段組合成復雜曲線。這樣做不僅能使電機的步進直接實現(xiàn)，還可以將所有線型集中轉(zhuǎn)化為對直線運動的研究之后再拼接組合復原。對于不確定的運動曲線，物體上的光電傳感器陣列實時采集路線信息，將其傳送給處理器進行方向判斷，給出下一步運動目標點的相關信息。

2 系統(tǒng)總體方案設計與實現(xiàn)
2．1 系統(tǒng)總體設計
根據(jù)設計要求和方案選擇，本系統(tǒng)主要由3個模塊電路組成：步進電機控制模塊、紅外傳感和人機交互模塊。電機驅(qū)動模塊采用集成電機驅(qū)動器，驅(qū)動能力強；循跡采用紅外對管，抗干擾能力好。MSP430單片機微控制器控制電機的旋轉(zhuǎn)方向，以實現(xiàn)畫直線、畫圓及循跡過程。用戶可通過4x4鍵盤選擇運動坐標及畫筆行動方式的設定。同時所有狀態(tài)均在LCD上實時顯示，及時跟蹤電機行動狀態(tài)。
2．2 總體實現(xiàn)框圖
系統(tǒng)總體實現(xiàn)框圖如圖1所示。

，所以稱為三相步進電機，磁極上有均勻分布的矩形小齒，轉(zhuǎn)子上沒有繞組，但有小齒均勻分布在其圓周上。其工作過程是：當一相繞組通電時，相應的兩個磁極就分別形成了N極和S極，產(chǎn)生磁場，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。磁通從正相齒，經(jīng)過軟鐵芯的轉(zhuǎn)子，并以最短的路徑流向負相齒，而其他四個凸齒并無磁通。為使磁通路徑最短，在磁場力的作用下，轉(zhuǎn)子被強迫移動，使最近的一對齒與被激勵的一相對準，即使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對齊，從而步進電機實現(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轉(zhuǎn)動起來，從而實現(xiàn)電脈沖信號到角度的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)動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。三相電機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，必須保證電機不失步，這和其運行矩頻特性密切相關，值得注意的是步進電機的驅(qū)動信號存在一個必須避開的頻率——共振頻率￡0。
由于兩邊電機型號不一樣，系統(tǒng)控制時需要注意兩者的同步問題，從而以最佳的配合實現(xiàn)對畫筆的精確圓滑控制。