薛敏驊

　?。ㄉ虾V電凱歌實業(yè)有限公司,，上海 200062）

       摘要：設(shè)計了基于ASSP-MMC-1的步進電機控制器,。首先分析了步進電動機的運行原理及細分技術(shù)原理，在硬件設(shè)計上,，采用了TI公司的MSP430F149單片機作為主控制芯片,，主控制單元向驅(qū)動電路傳遞脈寬調(diào)制（PWM）信號，通過驅(qū)動控制器（ASSP-MMC-1）實現(xiàn)對步進電動機的控制尤其是細分控制,，并顯示運行參數(shù),。在軟件設(shè)計上，并采用模塊化編程和結(jié)構(gòu)化編程思想,，最后通過調(diào)試實現(xiàn)控制器軟硬件設(shè)計,。

　　關(guān)鍵詞：步進電動機；MSP430單片機,；ASSP-MMC-1,；細分技術(shù)

0引言

　　隨著控制技術(shù)及電子技術(shù)的提高，步進電動機的驅(qū)動也有了很大的進步,，從單電壓或單電流驅(qū)動到步進電動機的細分驅(qū)動。由于早期的晶體管驅(qū)動已趨于淘汰,，現(xiàn)在多數(shù)以高性價比的恒流電源或細分驅(qū)動電源代替［1］,。尤其是細分技術(shù)的出現(xiàn)，可以在不改變電機本身結(jié)構(gòu)的前提下提高步進電動機的分辨率,，而且能減小系統(tǒng)震蕩,，提高電動機步頻特性［2］。步進電動機多用于數(shù)控車床和機器人系統(tǒng)中,。因為在現(xiàn)代工業(yè)控制,，特別是航空電子領(lǐng)域中，要求完成的工作量大,、精度高,。利用人工操作不僅勞動強度大、效率低,，且難以達到所要求的精度,，最重要的是一些工作環(huán)境是人類無法到達的地方，這就需要數(shù)控機床和自動控制機器人來完成這些高難度工作［35］,。因此步進電機的研究對未來自動控制領(lǐng)域有著跨時代的意義,。

1細分驅(qū)動技術(shù)原理

　　細分驅(qū)動技術(shù)也被稱為微步驅(qū)動技術(shù)，它細分電機繞組的電流或者電壓,。具體地,，該技術(shù)通過常規(guī)的矩形波電源供電變?yōu)殡A梯波供電，然后,，或經(jīng)過若干個階梯步驟上升到設(shè)定值,，或以同樣的方式從設(shè)定值下降到零,。雖然這中驅(qū)動技術(shù)比較復雜，但有以下特點［6］：

　　(1)在保留步進電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)不變的情況下,，使實際的步距角減小,，縮小步進之間的誤差，同時提高步進電機的分辨率和步距精度,，可大大提高對執(zhí)行機構(gòu)的控制精度,，可用于高精度的控制器中。

　　(2)細分驅(qū)動技術(shù)可以使驅(qū)動電流的變化幅度值減小,，電機轉(zhuǎn)子達到穩(wěn)定位置時的過剩能量也會隨機減少,，與此同時減弱了步進電動機的低頻振蕩問題，獲得了轉(zhuǎn)矩增加,、噪聲降低的優(yōu)點,。

　　(3)相應的步進電機控制信號的頻率提高了N倍（細分數(shù)），因此可遠離低頻諧振頻率,，克服出現(xiàn)共振的危害,，使步進電動機能夠比較穩(wěn)定、安全地工作,。

　　角度細分控制是步進電動機的開環(huán)控制技術(shù)之一,，細分就是把步進電動機的步距角再細分成更小的角度，這樣步進電動機的運行就變成了相對勻變速運動方式,，并且能夠使它在任何位置停步［67］,。在這里，三相反應式電動機的3拍通電和6拍通電每步轉(zhuǎn)過的度數(shù)分別是120°和60°,，如圖1所示,。

　　由此可知，步進電動機控制中已蘊含了細分技術(shù)的原理,，即如果每拍通電使定子合成磁動勢在空間轉(zhuǎn)動的角度減半,，則可使步進電動機的步距角減半［8］。

　　從6拍通電模式可知,，若要將每一步細分為4步進行,，則合成磁動勢的分步情況如圖2所示。當由A相通電切換成AB通電時,，只要使B相不是由零突變成額定值,，圖2細分時合成磁動勢的旋轉(zhuǎn)情況而是分為4步完成，每步增加1/4,，則切換過程中合成磁動勢就可變?yōu)樵瓉淼?/4,。與此同理，當AB相通電切換為B相通電時,，只要使A相電流不是由額定值突然變?yōu)榱慵纯?。即如果要把每一步細分?步完成,，只需將相電流分為4個臺階投入或者截斷。因此,，步距角4細分時電流波形如圖3所示,。

　　如果將繞組中電流波形細分成N（N為正整數(shù)）個臺階的階梯波，則電流每上升或下降一個臺階時,，步進電動機轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一小步,。由于當轉(zhuǎn)子按照這種方式轉(zhuǎn)過N小步時，也就是它轉(zhuǎn)過一個步距角的轉(zhuǎn)動,，這就是具體實現(xiàn)的步進電動機角度控制的原理［1］,。

2步進電機控制器系統(tǒng)設(shè)計

　　圖4步進電動機控制器總體框圖步進電機控制器系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)在經(jīng)過詳細的方案比較及論證后，設(shè)計其總體框圖如圖4所示,。

　　圖5步進電機的控制方式框圖由文獻可知,，步進電動機的種類有很多種，但它們的控制方式也有相似之處,，圖5為步進電動機的控制框圖［7］,。

　　2.1基于MSP430F149單片機最小系統(tǒng)模塊的設(shè)計

　　步進電機控制器系統(tǒng)的主要控制模塊是單片機最小系統(tǒng)，因此選擇合適的單片機主控單元尤其重要,。在選擇單片機應考慮以下幾個因素［9］：

　　(1)存儲器容量：存儲容量是指數(shù)據(jù)存儲器(RAM)的容量和程序存儲器(ROM)的容量,。

　　(2)中斷能力：要求單片機的中斷數(shù)量和中斷間隔時間符合實際的需要。

　　(3)指令系統(tǒng)：要求指令簡單,，容易修改維護。

　　(4)價格因素：性價比高,。

　　(5)綜合性能,。

　　本設(shè)計所選用的單片機是美國德州儀器(TI)公司的MSP430系列中的MSP430F149單片機。因為它將多種外圍資源集中在片上,，實現(xiàn)了片上系統(tǒng)(SoC),，因而大大簡化了整個系統(tǒng)的設(shè)計，并且它是一種具有超低功耗特性的高性價比單片機系統(tǒng),。

　　2.2基于ASSP-MMC-1驅(qū)動模塊設(shè)計

　　MMC1為多通道兩相四線式步進電機/直流電機控制芯片,，基于NEC電子16位通用MCU（PD78F1203）固化專用程序?qū)崿F(xiàn)。通過UART或SPI串行接口,，為主控MCU擴展專用電機控制功能,，可同時控制三路步進電機或直流電機。步進電機控制原理圖如圖6所示［9］,。

　　2.3電源模塊設(shè)計

　　本文設(shè)計的電源模塊共分為3個電壓等級：12 V為驅(qū)動芯片工作電壓,，5 V為主要集成電路工作電壓，3.3 V為微控制器工作電壓,。

　　本設(shè)計采用LM2940-5V和LM117-3.3 V完成5 V和3. 3V電源的設(shè)計,，如圖7所示,。

　　2.4步進電機控制器軟件系統(tǒng)設(shè)計

　　本設(shè)計軟件系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如8所示。

　　本設(shè)計由PWM信號驅(qū)動ASSP-MMC-1芯片從而控制步進電動機的各種工作狀態(tài),。MSP430F149單片機擁有捕獲/比較(capture/compare)模塊,可以輸出脈沖寬度隨時可調(diào)的PWM信號,，從而實現(xiàn)步進電機變頻控制。

　　如圖9所示,，此種PWM信號選擇的定時器計數(shù)方式為增計數(shù)模式,。PWM信號的周期可以通過向CCR0中寫入數(shù)值計算。則該周期的計算公式如下：

　　PWM周期=［CCR0+1］×Tosc/分頻比(1)

　　其中,，Tosc為定時器選擇的始終周期,；分頻比可為1、2,、4,、8。

　　初始化PWM信號的脈沖寬度,，通過寫入16位寄存器CCRx的值進行初始化,。其計算公式與選定的工作模式密切相關(guān)，若選定置位/復位模式則數(shù)學計算公式如下：

　　PWM脈寬=［CCR0-CCRx］×Tosc/分頻比（2)

　　在電機運行過程中,，速度控制必不可少,，采用PWM調(diào)速可比較方便地控制電機轉(zhuǎn)速［10］。當設(shè)置PWM的周期較大,，并且在一個周期的計數(shù)數(shù)量足夠大時,，可以通過PWM比較精確地調(diào)節(jié)步進電機的轉(zhuǎn)速。在本設(shè)計中,，通過MSP430F149的定時器TimerA產(chǎn)生PWM波,，通過設(shè)定定時器的初值來改變PWM波的頻率，最終實現(xiàn)改變電機的速度,。整個過程采用了開環(huán)控制,，能夠精確地對步進電機速度和方位進行控制。利用MSP430F149定時器TimerA還可以方便地達到控制要求,，它能平滑地輸出不同的電壓,，從而實現(xiàn)對步進電機調(diào)速。

3步進電機控制器調(diào)試

　　本設(shè)計采用了瑞典IAR System 公司推出的IAREW集成開發(fā)工具,，它是一種高效的嵌入式開發(fā)工具,，具有豐富的仿真功能。調(diào)試過程是：輸入源程序的.c文件,、編譯成.obj文件,、單步運行、斷電執(zhí)行,、全速執(zhí)行等,。在調(diào)試過程中可以清楚地觀察程序執(zhí)行的全過程,。在這里，控制器調(diào)試模塊及調(diào)試效果圖如圖10~圖13所示,。通過調(diào)試步進電機控制器可實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn),、加減速、細分步距角,。

4結(jié)論

　?。?）本文深入探討了步進電動機運行特性，對步進電動機的控制原理及細分原理進行了詳細深入的分析,，并設(shè)計出一款新型步進電動機控制器,。

　　（2）對于硬件電路設(shè)計,，主要分為主控制電路設(shè)計和驅(qū)動電路設(shè)計,，在硬件設(shè)計過程中增加了一些濾波電路，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力,；對于軟件架構(gòu)的設(shè)計,，主要運用了模塊化設(shè)計思想。

　?。?）本文采用SSPMMC1驅(qū)動芯片內(nèi)部可以實現(xiàn)步距角的多種細分控制,，從而減少了控制系統(tǒng)的外圍硬件電路，使設(shè)計更加實用,；在進行軟硬件的聯(lián)合調(diào)試時,，盡可能地優(yōu)化了控制控制器，提升了控制器性能,。

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