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，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。由單片機產生脈沖信號驅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動角度。
方案②：步進電機。步進電機是將電脈沖信號轉變?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，伺服電機是一種內帶編碼盤，可以通過驅動器精確控制轉動角度(0．001°級別)，而且過載能力強，常用于精密控制，但其驅動電壓一般較高，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：集成步進電機驅動器。集成驅動塊能力強，工作穩(wěn)定，其內部加入了光耦隔離器將控制電路與驅動電路完全隔離，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動電路以保證步進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化為步進長度的策略?？刂茟揖€在一定時間內伸縮的長度就可以控制物體的運動方向。電機正轉，則懸線伸長；反轉，則懸線縮短。懸線變化的長度和電機轉動的步數(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。電機驅動模塊采用集成電機驅動器，驅動能力強；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，產生磁場，并與轉子形成磁路。磁通從正相齒，經過軟鐵芯的轉子，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動起來，從而實現(xiàn)電脈沖信號到角度的轉換。轉動的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比，轉速與脈沖的頻率成正比，轉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：→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。