基于MSP430F449的懸掛運動(dòng)控制系統設計

摘要：以低功耗MSP430F449單片機系統平臺為控制核心，由步進(jìn)電機控制模塊、紅外傳感和人機交互3個(gè)功能部分組成。由MSP430F449實(shí)現相應算法產(chǎn)生不同狀態(tài)的PWM波，以控制電機的運動(dòng)，從而實(shí)現對畫(huà)筆的控制。系統可通過(guò)鍵盤(pán)任意設置坐標點(diǎn)參數；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(dòng)，并在白板上畫(huà)出運動(dòng)軌跡；控制物體沿白板上按標出的任意黑色間斷曲線(xiàn)運動(dòng)。畫(huà)筆坐標點(diǎn)及各運動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示在LCD上，人機界面友好。
關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機；紅外傳感；PWM波；人機交互

在現代的車(chē)輛運動(dòng)、醫療設備和工業(yè)控制等系統中，懸掛運動(dòng)系統的應用越來(lái)越多，在這些系統中懸掛運動(dòng)部件通常是具體的執行機構，因而懸掛部件的運動(dòng)精確性是整個(gè)系統工作效能的決定因素，因而實(shí)際實(shí)現懸掛運動(dòng)控制系統的精確控制具有極其重大的現實(shí)意義。本系統采用低功耗MSP430F449單片機系統平臺設計了懸掛運動(dòng)控制系統，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)生脈沖信號驅動(dòng)有精確步距的步進(jìn)電動(dòng)機，電機帶動(dòng)懸掛部件在平面上做特定的準確運動(dòng)。

1 懸掛運動(dòng)控制系統設計方案
1．1 電機選取
方案①：直流電機。直流電機的優(yōu)點(diǎn)是輸出功率大，帶負載能力強；缺點(diǎn)是不能精確地控制直流電機的轉動(dòng)角度。
方案②：步進(jìn)電機。步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制元件。給電機加一個(gè)脈沖信號，電機就轉過(guò)一個(gè)步距角，具有較強的快速啟停能力。步進(jìn)角方面，選用的三相六拍式步進(jìn)電機，步進(jìn)轉角最小可以達到1．5°，可以滿(mǎn)足系統控制精度要求。并且可以通過(guò)對其轉動(dòng)步數的控制實(shí)現對位移的精確控制。
方案③：使用伺服電機，伺服電機是一種內帶編碼盤(pán)，可以通過(guò)驅動(dòng)器精確控制轉動(dòng)角度(0．001°級別)，而且過(guò)載能力強，常用于精密控制，但其驅動(dòng)電壓一般較高，體積較大，在本題目的實(shí)現上并不適用。
綜上所述，選擇方案②。采用步進(jìn)電機。
1. 2 電機驅動(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)電機提供驅動(dòng)電壓和電流。但本實(shí)驗對功率要求較大，精度有限。
方案②：集成步進(jìn)電機驅動(dòng)器。集成驅動(dòng)塊能力強，工作穩定，其內部加入了光耦隔離器將控制電路與驅動(dòng)電路完全隔離，防止了電動(dòng)機在啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)對控制電路造成影響。并且其只需要兩三根線(xiàn)便實(shí)現電機的精確控制，控制相當簡(jiǎn)單。
綜上所述，由于本系統需盡量采用高性能的驅動(dòng)電路以保證步進(jìn)電機良好的運轉性能，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(xiàn)波長(cháng)大，近距離衰減小，故探測近距離黑線(xiàn)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(xiàn)算法
方案①：DDA算法。根據直線(xiàn)起始坐標得出斜率。取合適的步進(jìn)量，根據斜率得出直線(xiàn)上每點(diǎn)的坐標，直接計算出兩側電機步數，控制畫(huà)筆畫(huà)線(xiàn)。該算法簡(jiǎn)單易行。
方案②：Bresenham微元算法。該算法只做整數加／減運算和乘2運算，運算速度很快，適于用硬件實(shí)現。
本系統采用軟件實(shí)現算法，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系，但畫(huà)圓時(shí)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(jiǎn)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(gè)傳感器均勻分布予畫(huà)筆周?chē)?，并形成一個(gè)八邊形以細化物體的運動(dòng)方向。由于黑色物體和白色物體的反射系數不同，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(xiàn)的有無(wú)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(shí)現定位。
1．7 控制方案
基于對步進(jìn)電機步進(jìn)方式的考慮，采取一種將物體運動(dòng)坐標移動(dòng)轉化為步進(jìn)長(cháng)度的策略?？刂茟揖€(xiàn)在一定時(shí)間內伸縮的長(cháng)度就可以控制物體的運動(dòng)方向。電機正轉，則懸線(xiàn)伸長(cháng)；反轉，則懸線(xiàn)縮短。懸線(xiàn)變化的長(cháng)度和電機轉動(dòng)的步數成正比。題目指標要求物體可以行走直線(xiàn)、圓周和一段現場(chǎng)給出的不確定間斷曲線(xiàn)，對此3種運動(dòng)線(xiàn)型采取統一處理的策略，即都是用微小直線(xiàn)段組合成復雜曲線(xiàn)。這樣做不僅能使電機的步進(jìn)直接實(shí)現，還可以將所有線(xiàn)型集中轉化為對直線(xiàn)運動(dòng)的研究之后再拼接組合復原。對于不確定的運動(dòng)曲線(xiàn)，物體上的光電傳感器陣列實(shí)時(shí)采集路線(xiàn)信息，將其傳送給處理器進(jìn)行方向判斷，給出下一步運動(dòng)目標點(diǎn)的相關(guān)信息。

2 系統總體方案設計與實(shí)現
2．1 系統總體設計
根據設計要求和方案選擇，本系統主要由3個(gè)模塊電路組成：步進(jìn)電機控制模塊、紅外傳感和人機交互模塊。電機驅動(dòng)模塊采用集成電機驅動(dòng)器，驅動(dòng)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方向，以實(shí)現畫(huà)直線(xiàn)、畫(huà)圓及循跡過(guò)程。用戶(hù)可通過(guò)4x4鍵盤(pán)選擇運動(dòng)坐標及畫(huà)筆行動(dòng)方式的設定。同時(shí)所有狀態(tài)均在LCD上實(shí)時(shí)顯示，及時(shí)跟蹤電機行動(dòng)狀態(tài)。
2．2 總體實(shí)現框圖
系統總體實(shí)現框圖如圖1所示。

，所以稱(chēng)為三相步進(jìn)電機，磁極上有均勻分布的矩形小齒，轉子上沒(méi)有繞組，但有小齒均勻分布在其圓周上。其工作過(guò)程是：當一相繞組通電時(shí)，相應的兩個(gè)磁極就分別形成了N極和S極，產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與轉子形成磁路。磁通從正相齒，經(jīng)過(guò)軟鐵芯的轉子，并以最短的路徑流向負相齒，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，轉子被強迫移動(dòng)，使最近的一對齒與被激勵的一相對準，即使轉子齒與定子齒對齊，從而步進(jìn)電機實(shí)現向前“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動(dòng)起來(lái)，從而實(shí)現電脈沖信號到角度的轉換。轉動(dòng)的角度大小與施加的脈沖數成正比，轉速與脈沖的頻率成正比，轉向則與脈沖順序有關(guān)。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：→A→B→C→；反轉：→A→C→B→。
2)三相雙三拍方式(按照雙向繞組施加脈沖)：
正轉：→AB→BC→CA→；反轉：→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：→A→AB→B→BC→C→CA→；反轉：→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(guān)，值得注意的是步進(jìn)電機的驅動(dòng)信號存在一個(gè)必須避開(kāi)的頻率——共振頻率￡0。
由于兩邊電機型號不一樣，系統控制時(shí)需要注意兩者的同步問(wèn)題，從而以最佳的配合實(shí)現對畫(huà)筆的精確圓滑控制。