基于ASSP-MMC-1的步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

薛敏驊（上海廣電凱歌實(shí)業(yè)有限公司，上海200062）

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基于ASSP-MMC-1的步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

薛敏驊
（上海廣電凱歌實(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)動電路傳遞脈寬調(diào)制（PWM）信號，通過驅(qū)動控制器（ASSP-MMC-1）實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電動機(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)電動機(jī)的驅(qū)動也有了很大的進(jìn)步，從單電壓或單電流驅(qū)動到步進(jìn)電動機(jī)的細(xì)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(jià)比的恒流電源或細(xì)分驅(qū)動電源代替［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)電動機(jī)的分辨率，而且能減小系統(tǒng)震蕩，提高電動機(jī)步頻特性［2］。步進(jìn)電動機(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)的研究對未來自動控制領(lǐng)域有著跨時(shí)代的意義。

1　細(xì)分驅(qū)動技術(shù)原理

細(xì)分驅(qū)動技術(shù)也被稱為微步驅(qū)動技術(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)動技術(shù)可以使驅(qū)動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)的過剩能量也會隨機(jī)減少，與此同時(shí)減弱了步進(jìn)電動機(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)電動機(jī)的開環(huán)控制技術(shù)之一，細(xì)分就是把步進(jìn)電動機(jī)的步距角再細(xì)分成更小的角度，這樣步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行就變成了相對勻變速運(yùn)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(yīng)式電動機(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勢在空間轉(zhuǎn)動的角度減半，則可使步進(jìn)電動機(jī)的步距角減半［8］。

圖1　3拍和6拍通電時(shí)的磁動勢旋轉(zhuǎn)情況

從6拍通電模式可知，若要將每一步細(xì)分為4步進(jìn)行，則合成磁動勢的分步情況如圖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，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(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)臺階投入或者截?cái)唷Ｒ虼?，步距?細(xì)分時(shí)電流波形如圖3所示。

圖2　細(xì)分時(shí)合成磁動勢的旋轉(zhuǎn)情況

圖3　三相6拍4細(xì)分各相電流波形

如果將繞組中電流波形細(xì)分成N（N為正整數(shù)）個(gè)臺階的階梯波，則電流每上升或下降一個(gè)臺階時(shí)，步進(jìn)電動機(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，這就是具體實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電動機(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)

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4　步進(jìn)電動機(jī)控制器總體框圖

由文獻(xiàn)可知，步進(jìn)電動機(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)電動機(jī)的控制框圖［7］。

圖5　步進(jìn)電機(jī)的控制方式框圖

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(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］。

圖6　引腳說明圖

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：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(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信號驅(qū)動ASSP-MMC-1芯片從而控制步進(jìn)電動機(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，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)變頻控制。

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

圖7　電源模塊原理圖

圖8　軟件設(shè)計(jì)總框圖

圖9　PWM形成方式

其中，T osc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信號的脈沖寬度，通過寫入16位寄存器CCR x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：

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。

圖10　驅(qū)動模塊

圖11　電源模塊

圖12　最小系統(tǒng)模塊

圖13　總體顯示模塊

4　結(jié)論

（1）本文深入探討了步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行特性，對步進(jìn)電動機(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)電動機(jī)控制器。

（2）對于硬件電路設(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。

（3）本文采用SSP-MMC-1驅(qū)動芯片內(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。

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薛敏驊（1966 -），女，碩士，工程師，主要研究方向：智能信息處理、智能控制。

引用格式：薛敏驊.基于ASSP-MMC-1的步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2016，35（10）：82-84，87.

Design of steppermotor controller based on ASSP-MMC-1

Xue Minhua
（Radio and Television Triumph Industrial Co.，LTD.，Shanghai 200062，China）

Abstract：This paper designsa high precision steppermotor controller based on ASSP-MMC-1 chip.Firstly we analyzes the operation principle of steppermotor and subdivision technology principle.For the hardware design，MSP430F149 MCU is adopted as the main control chip.The main unit controls driver circuit and display the running parameter，which produces pulse width modulation（PWM）signals.The drive controller（ASSP-MMC-1）is designed for the subdividing-control of the steppingmotor control.For the software design，the idea ofmodular programming and structured programming is used.Finally through debugging software and hardware design，the design of the controller is realized.

Key words：steppermotor；MSP430；ASSP-MMC-1；subdivision technology

作者簡介：

收稿日期：（2016-02-22）

中圖分類號：T27

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.19358 /j.issn.1674-7720.2016.09.028