薛敏驊

　?。ㄉ虾V電凱歌實(shí)業(yè)有限公司，上海 200062）

       摘要：設(shè)計(jì)了基于ASSP-MMC-1的步進(jìn)電機(jī)控制器。首先分析了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理及細(xì)分技術(shù)原理，在硬件設(shè)計(jì)上，采用了TI公司的MSP430F149單片機(jī)作為主控制芯片，主控制單元向驅(qū)動(dòng)電路傳遞脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)控制器（ASSP-MMC-1）實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制尤其是細(xì)分控制，并顯示運(yùn)行參數(shù)。在軟件設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)控制器軟硬件設(shè)計(jì)。

　　關(guān)鍵詞：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；MSP430單片機(jī)；ASSP-MMC-1；細(xì)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(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)也有了很大的進(jìn)步，從單電壓或單電流驅(qū)動(dòng)到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)。由于早期的晶體管驅(qū)動(dòng)已趨于淘汰，現(xiàn)在多數(shù)以高性價(jià)比的恒流電源或細(xì)分驅(qū)動(dòng)電源代替［1］。尤其是細(xì)分技術(shù)的出現(xiàn)，可以在不改變電機(jī)本身結(jié)構(gòu)的前提下提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分辨率，而且能減小系統(tǒng)震蕩，提高電動(dòng)機(jī)步頻特性［2］。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多用于數(shù)控車床和機(jī)器人系統(tǒng)中。因?yàn)樵诂F(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(dòng)強(qiáng)度大、效率低，且難以達(dá)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(dá)的地方，這就需要數(shù)控機(jī)床和自動(dòng)控制機(jī)器人來完成這些高難度工作［35］。因此步進(jìn)電機(jī)的研究對(duì)未來自動(dòng)控制領(lǐng)域有著跨時(shí)代的意義。

1細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)原理

　　細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)也被稱為微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)，它細(xì)分電機(jī)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(gè)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(dòng)技術(shù)比較復(fù)雜，但有以下特點(diǎn)［6］：

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

　　(2)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以使驅(qū)動(dòng)電流的變化幅度值減小，電機(jī)轉(zhuǎn)子達(dá)到穩(wěn)定位置時(shí)的過剩能量也會(huì)隨機(jī)減少，與此同時(shí)減弱了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的低頻振蕩問題，獲得了轉(zhuǎn)矩增加、噪聲降低的優(yōu)點(diǎn)。

　　(3)相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)的頻率提高了N倍（細(xì)分?jǐn)?shù)），因此可遠(yuǎn)離低頻諧振頻率，克服出現(xiàn)共振的危害，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能夠比較穩(wěn)定、安全地工作。

　　角度細(xì)分控制是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制技術(shù)之一，細(xì)分就是把步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角再細(xì)分成更小的角度，這樣步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行就變成了相對(duì)勻變速運(yùn)動(dòng)方式，并且能夠使它在任何位置停步［67］。在這里，三相反應(yīng)式電動(dòng)機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)控制中已蘊(yùn)含了細(xì)分技術(shù)的原理，即如果每拍通電使定子合成磁動(dòng)勢(shì)在空間轉(zhuǎn)動(dòng)的角度減半，則可使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角減半［8］。

　　從6拍通電模式可知，若要將每一步細(xì)分為4步進(jìn)行，則合成磁動(dòng)勢(shì)的分步情況如圖2所示。當(dāng)由A相通電切換成AB通電時(shí)，只要使B相不是由零突變成額定值，圖2細(xì)分時(shí)合成磁動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)就可變?yōu)樵瓉淼?/4。與此同理，當(dāng)AB相通電切換為B相通電時(shí)，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?xì)分為4步完成，只需將相電流分為4個(gè)臺(tái)階投入或者截?cái)?。因此，步距?細(xì)分時(shí)電流波形如圖3所示。

　　如果將繞組中電流波形細(xì)分成N（N為正整數(shù)）個(gè)臺(tái)階的階梯波，則電流每上升或下降一個(gè)臺(tái)階時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一小步。由于當(dāng)轉(zhuǎn)子按照這種方式轉(zhuǎn)過N小步時(shí)，也就是它轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角的轉(zhuǎn)動(dòng)，這就是具體實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)角度控制的原理［1］。

2步進(jìn)電機(jī)控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　圖4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器總體框圖步進(jìn)電機(jī)控制器系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)在經(jīng)過詳細(xì)的方案比較及論證后，設(shè)計(jì)其總體框圖如圖4所示。

　　圖5步進(jìn)電機(jī)的控制方式框圖由文獻(xiàn)可知，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制框圖［7］。

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

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

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

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

　　(3)指令系統(tǒng)：要求指令簡(jiǎn)單，容易修改維護(hù)。

　　(4)價(jià)格因素：性價(jià)比高。

　　(5)綜合性能。

　　本設(shè)計(jì)所選用的單片機(jī)是美國(guó)德州儀器(TI)公司的MSP430系列中的MSP430F149單片機(jī)。因?yàn)樗鼘⒍喾N外圍資源集中在片上，實(shí)現(xiàn)了片上系統(tǒng)(SoC)，因而大大簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并且它是一種具有超低功耗特性的高性價(jià)比單片機(jī)系統(tǒng)。

　　2.2基于ASSP-MMC-1驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

　　MMC1為多通道兩相四線式步進(jìn)電機(jī)/直流電機(jī)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(kuò)展專用電機(jī)控制功能，可同時(shí)控制三路步進(jìn)電機(jī)或直流電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)控制原理圖如圖6所示［9］。

　　2.3電源模塊設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的電源模塊共分為3個(gè)電壓等級(jí)：12 V為驅(qū)動(dòng)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(jì)采用LM2940-5V和LM117-3.3 V完成5 V和3. 3V電源的設(shè)計(jì)，如圖7所示。

　　2.4步進(jìn)電機(jī)控制器軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如8所示。

　　本設(shè)計(jì)由PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)ASSP-MMC-1芯片從而控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各種工作狀態(tài)。MSP430F149單片機(jī)擁有捕獲/比較(capture/compare)模塊,可以輸出脈沖寬度隨時(shí)可調(diào)的PWM信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)變頻控制。

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

　　PWM周期=［CCR0+1］×Tosc/分頻比(1)

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

　　初始化PWM信號(hào)的脈沖寬度，通過寫入16位寄存器CCRx的值進(jìn)行初始化。其計(jì)算公式與選定的工作模式密切相關(guān)，若選定置位/復(fù)位模式則數(shù)學(xué)計(jì)算公式如下：

　　PWM脈寬=［CCR0-CCRx］×Tosc/分頻比（2)

　　在電機(jī)運(yùn)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(jī)轉(zhuǎn)速［10］。當(dāng)設(shè)置PWM的周期較大，并且在一個(gè)周期的計(jì)數(shù)數(shù)量足夠大時(shí)，可以通過PWM比較精確地調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在本設(shè)計(jì)中，通過MSP430F149的定時(shí)器TimerA產(chǎn)生PWM波，通過設(shè)定定時(shí)器的初值來改變PWM波的頻率，最終實(shí)現(xiàn)改變電機(jī)的速度。整個(gè)過程采用了開環(huán)控制，能夠精確地對(duì)步進(jìn)電機(jī)速度和方位進(jìn)行控制。利用MSP430F149定時(shí)器TimerA還可以方便地達(dá)到控制要求，它能平滑地輸出不同的電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)調(diào)速。

3步進(jìn)電機(jī)控制器調(diào)試

　　本設(shè)計(jì)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(yùn)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(jìn)電機(jī)控制器可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)、加減速、細(xì)分步距角。

4結(jié)論

　?。?）本文深入探討了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制原理及細(xì)分原理進(jìn)行了詳細(xì)深入的分析，并設(shè)計(jì)出一款新型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器。

　?。?）對(duì)于硬件電路設(shè)計(jì)，主要分為主控制電路設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，在硬件設(shè)計(jì)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(duì)于軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要運(yùn)用了模塊化設(shè)計(jì)思想。

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

參考文獻(xiàn)

　?。?］ 吳朝霞，張瑩，華建寧，等. 控制電機(jī)及其運(yùn)用［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2012.

　?。?］ 馬文斌,楊延竹,洪運(yùn). 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］. 電子技術(shù)應(yīng)用,2015,(41)11: 1113.

　?。?］ 龐海燕,謝云,肖姍姍,等. SVPWM伺服控制系統(tǒng)的FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］. 微型機(jī)與應(yīng)用,2010,29(2):7578，82.

　?。?］ Wang Yanwen， Zhang Yanping， Ge Biao， et al. Design of stepper motor drive based on AMIS30512［C］. Lecture Notes in Information TechnologyProceedings of 2012 International Conference on Electronics, Information and Communication Engineering (EICE2012), Hong Kong, 2012:6.