基于MSP430F449的悬挂运动控制系统设计

发布时间:2021-09-20 14:54:13

第 19 卷

第 11 期

电子设计工程

Vol.19

No.11

Electronic Design Engineering

2011 年 6 月 Jun. 2011

基于 MSP430F449 的悬挂运动控制系统设计
费婷婷, 刘 蓉, 周乐意, 袁子晴
(武汉大学 电子信息学院, 湖北 武汉 430079 ) 摘要: 以低功耗 MSP430F449 单片机系统*台为控制核心,由步进电机控制模块、红外传感和人机交互 3 个功能部分 组成。 由 MSP430F449 实现相应算法产生不同状态的 PWM 波,以控制电机的运动,从而实现对画笔的控制。 系统可通 过键盘任意设置坐标点参数; 控制质量大于 100 g 的 物体 在 仰 角不 大 于 100° 的 80 cm×100 cm 白 板 上 做自 行 设 定的 运动,并在白板上画出运动轨迹;控制物体沿白板*幢瓿龅娜我夂谏涠锨咴硕 画笔坐标点及各运动状态实时 显示在 LCD 上,人机界面友好。 关键词: 步进电机; 红外传感; PWM 波; 人机交互 中图分类号: TP368 文献标识码: A 文章编号 :1674-6236 (2011 )11-0156-04

Design of hanging movement control system based on MSP430F449
FEI Ting-ting , LIU Rong , ZHOU Le-yi, YUAN Zi-qing
(School of Electronic Information , Wuhan University , Wuhan 430079 , China )

Abstract : This system centered on the low power consumption core platforms of single chip microcomputer system MSP430F449. It consists of Stepper motor control module ,infrared sensing module and human-computer interaction module. This system use MSP430F449 realize that the corresponding algorithms produce different states of PWM waves which control motor sport and finally realize the control of pen. System can set any coordinate point parameters via the keyboard. It controls objects mass greater than 100 gram to do movement on the 80cm ×100cm whiteboard which is not greater than 100° in elevation , and draw trajectory on the whiteboard. System also can control objects to move along any black intermittent curve on the whiteboard. Pen coordinates and the state of motion is real-time displayed on the LCD. Human-machine interface is friendly. Key words : stepper motor; infrared sensing ; PWM wave ; human-computer interaction

在现 代 的 车辆 运 动 、 医疗 设 备 和工 业 控 制 等 系 统 中 ,悬 挂 运 动系 统 的 应用 越 来 越多 ,在 这 些系 统 中 悬挂 运 动 部 件 通 常 是具 体 的 执行 机 构 ,因而 悬 挂 部件 的 运 动精 确 性 是整 个 系 统工 作 效 能的 决 定 因素 ,因 而 实际 实 现 悬挂 运 动 控制 系 统 的 精确控制具有极其重大的现实意义。 本系统采用低功耗

面, 选用的三相六拍式步进电机, 步进转角最小可以达到

1.5° ,可以满足系统控制精度要求。 并且可以通过对其转动步
数的控制实现对位移的精确控制。 方案 ③ :使 用伺 服 电 机,伺 服 电 机是 一 种 内 带 编 码 盘 ,可 以 通 过 驱 动 器 精 确 控 制 转 动 角 度 (0.001° 级 别 ),而 且 过 载 能 力 强 ,常 用 于 精 密 控 制 ,但 其 驱 动 电 压 一 般 较 高 ,体 积 较 大 , 在本题目的实现上并不适用。 综上所述,选择方案 ② ,采用步进电机。 电机驱动器选择 方案 ① :使用 分 立 元件 搭 建 。 利用 大 功 率 三 极 管 放 大 功 率给步进电机提供驱动电压和电流。 但本实验对功率要求较 大,精度有限。 方案 ② :集成步进电机驱动器。 集成驱动块能力强,工作 稳定, 其内部加入了光耦隔离器将控制电路与驱动电路完 全隔离, 防止了电动机在启动和制动时对控制电路造成影 响 [4] 。 并且其只需要两三根线便实现电机的精确控制,控制相 当简单。

MSP430F449 单 片 机 系 统 * 台 设 计 了 悬 挂 运 动 控 制 系 统 ,采
用 高 效 的 PWM 电 路 ,提 高 电 源 利 用 率
[1-2]

;红 外 传 感 检 测 ,提

高纠错能力。 由单片机产生脉冲信号驱动有精确步距的步进 电动机,电机带动悬挂部件在*面上做特定的准确运动。

1.2

1
1.1

悬挂运动控制系统设计方案
电机选取 方案 ① :直流电机。 直流电机的优点是输出功率大,带负

载能力强;缺点是不能精确地控制直流电机的转动角度。 方案 ② :步进 电 机 。 步进 电 机 是将 电 脉 冲 信 号 转 变 为 角 位移或线位移的开环控制元件 。 给电机加一个脉冲信号,电
[3]

机就 转 过一 个 步 距角 ,具 有 较强 的 快 速启 停 能 力 。 步 进 角 方 收稿日期:2011-04-09 稿件编号:201104043

作者简介:费婷婷(1990 —),女,江苏海门人。 研究方向:电子信息。

-156-

费婷婷,等

基于 MSP430F449 的悬挂运动控制系统设计
管,抗干扰能力好。 MSP430 单片机微控制器控制电机的旋转 方向,以实现画直线、画圆及循迹过程。 用户可通过 4×4 键盘 选择运动坐标及画笔行动方式的设定。 同时所有状态均在

综上 所 述 ,由于 本 系 统需 尽 量 采用 高 性 能 的 驱 动 电 路 以 保证步进电机良好的运转性能,故选择方案 ② 。

1.3

循迹传感器选择 方案 ① :发 光二 极 管 和光 敏 二 极管 组 成 发射 - 接 收 电 路 。

LCD 上实时显示,及时跟踪电机行动状态。 2.2
总体实现框图 系统总体实现框图如图 1 所示。

发 光 二极 管 为 可见 光 ,故 光敏 二 极 管的 工 作 受外 界 光 照 影 响 很大,很容易造成误判和漏判。 方案 ② :反射式红外发射 - 接收器。 采用红外对管替代普 通可见光管,能极大地降低环境光源的影响。 并且,红外线波 长大,*距离衰减小,故探测*距离黑线更加可靠。 综上,选择方案 ② ,采用发射时红外传感器 ST188. 画线算法 方案 ① :DDA 算法。根据直线起始坐标得出斜率。 取合适 的 步 进 量 ,根 据 斜 率 得 出 直 线 上 每 点 的 坐 标 ,直 接 计 算 出 两 侧电机步数,控制画笔画线。 该算法简单易行。 方 案 ② :Bresenham 微 元 算 法 。 该 算 法 只 做 整 数 加 / 减 运 算和乘 2 运算,运算速度很快,适于用硬件实现 [5]。 本系统采用软件实现算法,故选择方案 ① 。

1.4

图1

系统设计框图

Fig. 1

Block diagram of system

3
3.1

原理分析
步进电机控制原理 在本系统中, 左侧使用的是常州微特电机总厂的

1.5

画圆算法 方案 ① : 图形扫描 Bresenham 算法。 该算法采用直角坐

45BC340F 三相步进电机,能精确到 1.5°;右侧用二相步进电机 C6696-9012K,步进 角 1.8° ,额定 电 压 3.1 V,额定 电 流 1.55 A 。
这里以三相步进电机为例介绍步进电机的控制原理。 三相 步 进电 机 定 子上 有 6 个 凸齿 ,每 一 个 齿 上 有 一 个 线 圈 。 线圈 绕 组 的连 接 方 式,是 对 称 齿上 的 两 个线 圈 进 行 反 相 连接。 6 个齿构成三对磁极 (A- (一连 )、 B- (一 连)、 C- (一 连 )),所 以 称 为 三 相 步 进 电 机 ,磁 极 上 有 均 匀 分 布 的 矩 形 小 齿,转子上没有绕组,但有小齿均匀分布在其圆周上。 其工作 过 程 是 :当 一 相 绕 组 通 电 时 ,相 应 的 两 个 磁 极 就 分 别 形 成 了

标系,但画圆时采用该坐标系算法不够清晰。 方案 ② :用自行设计的极坐标法。 极坐标法公式简单,算 法清晰。 运算速度较快,完全能达到要求。 故选择方案 ② 。 循迹传感器的安装方法 将 8 个 传 感 器均 匀 分 布于 画 笔 周围 ,并 形 成 一 个 八 边 形 以细化物体的运动方向。 由于黑色物体和白色物体的反射系 数 不 同 ,传 感 器 的 输 出 电 * 亦 有 不 同 ,用 硬 件 比 较 器 LM311 标 定 传 感器 的 阈 值,将 曲 线 的有 无 变 换为 高 低 电* 送 单 片 机

1.6

N 极 和 S 极 ,产生 磁 场 ,并与 转 子 形 成 磁 路 。 磁 通 从 正 相 齿 ,
经 过 软 铁 芯 的 转 子 ,并 以 最 短 的 路 径 流 向 负 相 齿 ,而 其 他 四 个凸齿并无磁通。 为使磁通路径最短,在磁场力的作用下,转 子 被 强 迫 移 动 ,使 最 * 的 一 对 齿 与 被 激 励 的 一 相 对 准 ,即 使 转子齿与定子齿对齐,从而步进电机实现向前“走”了一步。 如果给绕组施加有序的脉冲电流就可以控制电机转动 起来 ,从 而 实现 电 脉 冲信 号 到 角度 的 转 换 。 转 动 的 角 度 大 小 与 施 加 的 脉 冲 数 成 正 比 ,转 速 与 脉 冲 的 频 率 成 正 比 ,转 向 则 与脉冲顺序有关。 三相电机电流脉冲的施加方式有 3 种:

I/O 口,由软件寻找反射最弱的传感器方位,从而实现定位。 1.7
控制方案 基于 对 步 进电 机 步 进方 式 的 考虑 ,采 取 一 种 将 物 体 运 动 坐标移动转化为步进长度的策略。 控制悬线在一定时间内伸 缩的 长 度 就可 以 控 制物 体 的 运动 方 向 。 电机 正 转 ,则 悬 线 伸 长;反转,则悬线缩短。 悬线变化的长度和电机转动的步数成 正比 。 题 目 指标 要 求 物体 可 以 行走 直 线 、圆周 和 一 段 现 场 给 出的 不 确 定间 断 曲 线,对 此 3 种 运动 线 型 采取 统 一 处 理 的 策 略,即 都 是 用微 小 直 线段 组 合 成复 杂 曲 线 。 这 样 做 不 仅 能 使 电机 的 步 进直 接 实 现,还 可 以 将所 有 线 型集 中 转 化 为 对 直 线 运 动 的 研究 之 后 再拼 接 组 合复 原 。 对 于不 确 定 的运 动 曲 线 , 物 体 上 的光 电 传 感器 阵 列 实时 采 集 路线 信 息 ,将其 传 送 给 处 理器进行方向判断,给出下一步运动目标点的相关信息。

1 ) 三相单三拍方式(按照单向绕组施加脉冲):
正转:→A→B→C→ ;反转:→A→C→B→ 。

2 ) 三相双三拍方式(按照双向绕组施加脉冲):
正转:→AB→BC→CA→ ;反转:→AC→CB→BA→ 。

3 ) 三相六拍方式(单向绕组和双向绕组交替施加脉冲):
正转 :→A→AB→B→BC→C→CA→ ; 反 转 ,→A→AC→

2
2.1

系统总体方案设计与实现
系统总体设计 根据 设 计要 求 和 方案 选 择 ,本系 统 主 要 由 3 个 模 块 电 路

C→CB→B→BA→ 。
其中 ,三 相六 拍 式 的步 距 角 是 1.5° ,其 他 两 种 方 式 为 3° 。 为 了 不 产 生 累 积 误 差 ,必 须 保 证 电 机 不 失 步 ,这 和 其 运 行 矩 频特 性 密 切相 关 ,值 得注 意 的 是步 进 电 机的 驱 动 信 号 存 在 一 个必须避开的频率— — —共振频率 £0。

组成:步进电机控制模块、红外传感和人机交互模块。 电机驱 动 模 块 采 用 集 成 电 机 驱 动 器 ,驱 动 能 力 强 ;循 迹 采 用 红 外 对

-157-

《电子设计工程》2011 年第 11 期
由于 两 边 电机 型 号 不一 样 ,系 统控 制 时 需 要 注 意 两 者 的 同步问题,从而以最佳的配合实现对画笔的精确圆滑控制。 直线中的每一点坐标都可以由前一点坐标变化一个增 量而得到(Dx ,Dy ),即表示递归式:

3.2 3.2.1

系统算法实现原理 悬挂系统画任意曲线算法实现 前提 :画 纸 和步 进 电 机都 是 量 化设 备 。 画 纸 为 坐 标 纸 (1 并有关系:

xi+1=xi+Dx yi+1=yi+Dy
· Dy=m Dx 法来生成一条直线。

(6 ) (7 ) (8 )

cm 间隔),如图 2 所示,步进电机步进角度恒定(1.5°或1.8° )。

递 归 式 的 初 值 为 直 线 的 起 点 (x1,y1), 这 样 , 就 可 以 用 加

3.2.3

圆的生成算法 本系统画圆采用极坐标法实现。 · · x=xc+r cosθ ,y=yc+r cosθ (9 ) 当 θ 从 0 到 2π 做 递增 时 , 由 此式 便 可 求出 圆 周 上均 匀

分布的 360 个点的(x ,y )坐标。 利用圆周坐标的对称性,此算
图2 悬挂算法实现原理图

法还可以简化。 将圆周分为 8 个象限,只要将第 1a 象限中的 圆周 光 栅 点求 出 , 其 余 7 部 分 可 以通 过 对 称法 则 计 算 出 来 。 图中给出了圆心在(0 ,0 )点时的对称变化法则。

Fig. 2

Schematic of suspension algorithm

公式推导:由勾股定理:

3.2.4
(1 ) (2 ) (3 ) (4 )

循迹算法 循迹中, 将传感器阵列的八个方向分成正向反向两大

a×a= (y0+d )× (y0+d )+ (x0+d )× (x0+d ) b×b= (y0+d )× (y0+d )+ (C-x0+d )× (C-x0+d )
推导公式:

类。 其中,有效检测方向分以下 3 级: 第 1 级:原方向。 第 2 级:原方向紧邻的两个方向。 第 3 级:与原方向垂直的两个方向。 其他 3 个方向均为反方向。 循迹 运 动 方向 选 取 原则 :首 先 滤除 前 4 步 的 所 有 反 方 向 (由位或得到),防止按反方向倒退。 滤除之后,剩下的有效方 向 中 ,如 果 仍 有 原 方 向 ,则 按 原 方 向 继 续 执 行 ;若 没 有 ,则 依 次寻找第 2 级,第 3 级。 若最后均没有(遇到黑线的间断处), 则回归到第 1 级,即继续往前行。 综上,就是只有上一级循迹 不成功才会依次寻找下一级。

x0= (a×a-b×b+c×c+2×d×c )/ (2× (c+2×d )) y0=sqrt (a×a- (x0+d )× ( x0+d ))-d
初步方案:

1 ) 以直 线 或 圆的 量 化 算法 计 算 出轨 迹 上 的 下 一 个 点 坐
标,磁电机为步进电机的驱动目标。

2 )根据推导公式计算出步进电机的驱动距离 3 )将 驱 动 距 离 量 化 为 驱 动 圈 数 ,为 降 低 累 积 误 差 ,量 化
余数算入下一次的驱动距离当中。 具体方案流程图如图 3 所示。

4
4.1

系统硬件电路设计
步进电机驱动模块电路 三 相 步 进 电 机 使 用 的 是 UP-3BF04 型 电 机 驱 动 器 ,操 作

方便, 控制信号可由 MSP430 直接引出, 编程实现对 它的 控 制 ,如图 4 所示。

图3

悬挂算法实现流程

Fig. 3

Flow chart of suspension algorithm's

3.2.2

直线的生成算法 本 系 统 中 画 直 线 直 接 用 数 字 微 分 分 析 式 DDA (Digital
图4 集成步进电机驱动控制原理图

Differential Analyzer )算法。 具体实现过程如下:
设直线的起点为(x1,y1),终点为,则斜率 m 为:
Fig. 4

Schematic of integrated stepper motor driver control

m=

y2 -y1 dy = x2 -x1 dx

(5 )

其 特 点 是 : 1 )PWM 恒 流 驱 动 ,三 相 六 拍 励 磁 方 式 ,电 源 损耗极低且具有极高的开关效率;2)自动半流锁定功能,驱动

-158-

费婷婷,等

基于 MSP430F449 的悬挂运动控制系统设计

电 流 可 达 4 A ;3 ) 所 有 控 制 信 号 与 功 率 驱 动 部 分 光 电 隔 离 ;

4 )散热外壳与驱动器内部完全绝缘。
由图可看出,只用控制两根线即可实现对驱动器的控制 :

5

系统软件设计
本系 统 软件 主 要 用基 于 430 单 片机 的 C 语 言,主 要 完 成

CP :步进脉冲输入端,上升沿有效; U/D :方向控制器,U/D=1 时电机正转 ,U/D=0 或 悬 空时 电
机反转。 两 相 步 进 电 机 C6696-9012K 驱 动 器 控 制 方 法 与 三 相 十 分类似,不再赘述。

用 户 输 入 输 出 处 理 和 系 统 控 制 , 故 软 件 设 置 了 INPUT 和

CONTROL 两 种 模 式。 最 主 要 的部 分 是 :画直 线 控 制、画 圆 控
制、循迹等几个控制算法。 其中按键的处理很重要,有限的按 键 要 用 于 多 方 面 控 制 ,包 括 电 机 的 一 步 或 多 步 控 制 、电 机 控 制或按键输入,一键多用导致整个程序的复杂。 不过,该软件 模仿 DOS 系统输入命令进行操作的方式选择所有功能,搭建 了一 个 大框 架 ,思 路清 晰 ,移 植性 强 ,人 机交 互 良 好 。 系 统 初 始 化 后 ,等 待 按 键 输 入 ,选 择 控 制 或 输 入 功 能 后 进 行 相 应 操 作。 系统软件总流程图如图 6 所示。

4.2

红外对管电路设计 我们 选 用 红外 对 管 ST188 。 ST188 由 高 发 射 功 率 红 外 光

电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。 检测距离可调整范 围 大 , 4~13 mm 可 用 。 其 响 应 时 间 受 检 测 表 面 光 洁 度 及 *
[6]

整 度 的 影 响,所 以 实 验时 要 保 持白 板 * 面的 洁 净 与黑 色 轨 道 的*整。 红外传感器电路如图 5 所示。 当传感器处于黑线上方 时 ,由 于 黑线 红 外 光线 的 反 射能 力 很 弱 ,光 敏 三 极管 截 止 ,输 出 端 为 高 电 * ;反 之 ,传 感 器 离 开 黑 线 时 ,输 出 端 为 低 电 * 。 将 此 电 * 送 至 比 较 器 LM311 ,与 标 准 电 * 比 较 ,若 高 于 标 准 电*,则比较器输出高电*,反之,输出低电*。 实验中,调节

R4 测量出最合适 的 标 准电 * 为 2.4 V 。 处理 器 通 过判 断 比 较
器 输 出 电* 的 高 低来 辨 别 受控 物 体 的位 置 ,从 而通 过 控 制 步 进电机来控制物体运动。
图6 系统软件流程图

Fig. 6

Flow chart of system software's

6

结束语
本悬挂运动控制系统很好的完成了设计要求中的各项

基本 指 标 和发 挥 要 求,并 有 不 同程 度 的 提高 。 通 过 按 键 即 可 完成 整 个 测试 过 程 ,如画 任 意 直线 、任 意 圆点 和 半 径的 圆 ,红
图5 红外对管控制电路图

外 传 感 数 据 采 集 、处 理 和 结 果 显 示 、记 录 均 由 测 试 系 统 自 动 完成 。 但 如 果电 机 转 轴半 径 及 悬线 半 径 都变 小 ,白 板 表 面 变 *滑,系统性能会更大幅度提高。 参考文献:

Fig. 5

Infrared tube control circuit

4.3

按键模块设计 系统软件设置了两种模式:INPUT 和 CONTROL 模式。

1 )CONTROL 模式 下 ,按 键操 作 直 接对 电 机 进 行 命 令 ,主
要 完 成 手动 或 自 动控 制 左 右电 机 正 反旋 转 , 画 固定 的 直 线 、 圆,循迹等功能。

[1] 李 朝 青 . 单 片 机 原 理 与 接 口 技 术 [M]. 北 京 :北 京 航 空 航 天
大学出版社,1994.

[2] 沈建华 . MSP430 系列 16 位超低功耗单片机原理 与应 用 [M].
北京:清华大学出版社,2004.

2)INPUT 模式下,本系统软件中采取了输入命令 + 参数的
模式,设置了 3 个命令,其功能列表如下:
INPUT 模式下命令介绍 Tab. 1 Command description under INPUT mode
命令 “0 ” “1 ” “2 ” “3 ” 功能 设置初始坐标点 移动到目标点 画圆 画折线 参数 初始坐标 目标点坐标 圆心坐标和半径 两个目的坐标 参数个数 表1

[3] 黄根 春 ,陈 小 桥 ,张 望 先 . 电 子 设 计 教 程 [M]. 北 京 :电 子 工
业出版社,2007.

[4] 董尚斌,苏利,代永红 . 电 子 线 路(Ι )[M]. 北 京 :清 华大 学 出
版社,2006. —原理、方法及应用 [M]. 北京:高 [5] 潘云鹤 . 计算机图形学— —
1 1 2 2

等教育出版社,2001.

[6] 陈 杰 ,黄 鸿 . 传 感 器 与 检 测 技 术 [M]. 北 京 :高 等 教 育 出 版
社 ,2009.

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