薛敏驊

　　（上海廣電凱歌實業有限公司，上海 200062）

       摘要：設計了基于ASSP-MMC-1的步進電機控制器。首先分析了步進電動機的運行原理及細分技術原理，在硬件設計上，采用了TI公司的MSP430F149單片機作為主控制芯片，主控制單元向驅動電路傳遞脈寬調制（PWM）信號，通過驅動控制器（ASSP-MMC-1）實現對步進電動機的控制尤其是細分控制，并顯示運行參數。在軟件設計上，并采用模塊化編程和結構化編程思想，最后通過調試實現控制器軟硬件設計。

　　關鍵詞：步進電動機；MSP430單片機；ASSP-MMC-1；細分技術

0引言

　　隨著控制技術及電子技術的提高，步進電動機的驅動也有了很大的進步，從單電壓或單電流驅動到步進電動機的細分驅動。由于早期的晶體管驅動已趨于淘汰，現在多數以高性價比的恒流電源或細分驅動電源代替［1］。尤其是細分技術的出現，可以在不改變電機本身結構的前提下提高步進電動機的分辨率，而且能減小系統震蕩，提高電動機步頻特性［2］。步進電動機多用于數控車床和機器人系統中。因為在現代工業控制，特別是航空電子領域中，要求完成的工作量大、精度高。利用人工操作不僅勞動強度大、效率低，且難以達到所要求的精度，最重要的是一些工作環境是人類無法到達的地方，這就需要數控機床和自動控制機器人來完成這些高難度工作［35］。因此步進電機的研究對未來自動控制領域有著跨時代的意義。

1細分驅動技術原理

　　細分驅動技術也被稱為微步驅動技術，它細分電機繞組的電流或者電壓。具體地，該技術通過常規的矩形波電源供電變為階梯波供電，然后，或經過若干個階梯步驟上升到設定值，或以同樣的方式從設定值下降到零。雖然這中驅動技術比較復雜，但有以下特點［6］：

　　(1)在保留步進電機內部結構不變的情況下，使實際的步距角減小，縮小步進之間的誤差，同時提高步進電機的分辨率和步距精度，可大大提高對執行機構的控制精度，可用于高精度的控制器中。

　　(2)細分驅動技術可以使驅動電流的變化幅度值減小，電機轉子達到穩定位置時的過剩能量也會隨機減少，與此同時減弱了步進電動機的低頻振蕩問題，獲得了轉矩增加、噪聲降低的優點。

　　(3)相應的步進電機控制信號的頻率提高了N倍（細分數），因此可遠離低頻諧振頻率，克服出現共振的危害，使步進電動機能夠比較穩定、安全地工作。

　　角度細分控制是步進電動機的開環控制技術之一，細分就是把步進電動機的步距角再細分成更小的角度，這樣步進電動機的運行就變成了相對勻變速運動方式，并且能夠使它在任何位置停步［67］。在這里，三相反應式電動機的3拍通電和6拍通電每步轉過的度數分別是120°和60°，如圖1所示。

　　由此可知，步進電動機控制中已蘊含了細分技術的原理，即如果每拍通電使定子合成磁動勢在空間轉動的角度減半，則可使步進電動機的步距角減半［8］。

　　從6拍通電模式可知，若要將每一步細分為4步進行，則合成磁動勢的分步情況如圖2所示。當由A相通電切換成AB通電時，只要使B相不是由零突變成額定值，圖2細分時合成磁動勢的旋轉情況而是分為4步完成，每步增加1/4，則切換過程中合成磁動勢就可變為原來的1/4。與此同理，當AB相通電切換為B相通電時，只要使A相電流不是由額定值突然變為零即可。即如果要把每一步細分為4步完成，只需將相電流分為4個臺階投入或者截斷。因此，步距角4細分時電流波形如圖3所示。

　　如果將繞組中電流波形細分成N（N為正整數）個臺階的階梯波，則電流每上升或下降一個臺階時，步進電動機轉子就轉過一小步。由于當轉子按照這種方式轉過N小步時，也就是它轉過一個步距角的轉動，這就是具體實現的步進電動機角度控制的原理［1］。

2步進電機控制器系統設計

　　圖4步進電動機控制器總體框圖步進電機控制器系統的總體結構在經過詳細的方案比較及論證后，設計其總體框圖如圖4所示。

　　圖5步進電機的控制方式框圖由文獻可知，步進電動機的種類有很多種，但它們的控制方式也有相似之處，圖5為步進電動機的控制框圖［7］。

　　2.1基于MSP430F149單片機最小系統模塊的設計

　　步進電機控制器系統的主要控制模塊是單片機最小系統，因此選擇合適的單片機主控單元尤其重要。在選擇單片機應考慮以下幾個因素［9］：

　　(1)存儲器容量：存儲容量是指數據存儲器(RAM)的容量和程序存儲器(ROM)的容量。

　　(2)中斷能力：要求單片機的中斷數量和中斷間隔時間符合實際的需要。

　　(3)指令系統：要求指令簡單，容易修改維護。

　　(4)價格因素：性價比高。

　　(5)綜合性能。

　　本設計所選用的單片機是美國德州儀器(TI)公司的MSP430系列中的MSP430F149單片機。因為它將多種外圍資源集中在片上，實現了片上系統(SoC)，因而大大簡化了整個系統的設計，并且它是一種具有超低功耗特性的高性價比單片機系統。

　　2.2基于ASSP-MMC-1驅動模塊設計

　　MMC1為多通道兩相四線式步進電機/直流電機控制芯片，基于NEC電子16位通用MCU（PD78F1203）固化專用程序實現。通過UART或SPI串行接口，為主控MCU擴展專用電機控制功能，可同時控制三路步進電機或直流電機。步進電機控制原理圖如圖6所示［9］。

　　2.3電源模塊設計

　　本文設計的電源模塊共分為3個電壓等級：12 V為驅動芯片工作電壓，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。

　　本設計采用LM2940-5V和LM117-3.3 V完成5 V和3. 3V電源的設計，如圖7所示。

　　2.4步進電機控制器軟件系統設計

　　本設計軟件系統總體設計框圖如8所示。

　　本設計由PWM信號驅動ASSP-MMC-1芯片從而控制步進電動機的各種工作狀態。MSP430F149單片機擁有捕獲/比較(capture/compare)模塊,可以輸出脈沖寬度隨時可調的PWM信號，從而實現步進電機變頻控制。

　　如圖9所示，此種PWM信號選擇的定時器計數方式為增計數模式。PWM信號的周期可以通過向CCR0中寫入數值計算。則該周期的計算公式如下：

　　PWM周期=［CCR0+1］×Tosc/分頻比(1)

　　其中，Tosc為定時器選擇的始終周期；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CCRx的值進行初始化。其計算公式與選定的工作模式密切相關，若選定置位/復位模式則數學計算公式如下：

　　PWM脈寬=［CCR0-CCRx］×Tosc/分頻比（2)

　　在電機運行過程中，速度控制必不可少，采用PWM調速可比較方便地控制電機轉速［10］。當設置PWM的周期較大，并且在一個周期的計數數量足夠大時，可以通過PWM比較精確地調節步進電機的轉速。在本設計中，通過MSP430F149的定時器TimerA產生PWM波，通過設定定時器的初值來改變PWM波的頻率，最終實現改變電機的速度。整個過程采用了開環控制，能夠精確地對步進電機速度和方位進行控制。利用MSP430F149定時器TimerA還可以方便地達到控制要求，它能平滑地輸出不同的電壓，從而實現對步進電機調速。

3步進電機控制器調試

　　本設計采用了瑞典IAR System 公司推出的IAREW集成開發工具，它是一種高效的嵌入式開發工具，具有豐富的仿真功能。調試過程是：輸入源程序的.c文件、編譯成.obj文件、單步運行、斷電執行、全速執行等。在調試過程中可以清楚地觀察程序執行的全過程。在這里，控制器調試模塊及調試效果圖如圖10~圖13所示。通過調試步進電機控制器可實現電機正反轉、加減速、細分步距角。

4結論

　?。?）本文深入探討了步進電動機運行特性，對步進電動機的控制原理及細分原理進行了詳細深入的分析，并設計出一款新型步進電動機控制器。

　　（2）對于硬件電路設計，主要分為主控制電路設計和驅動電路設計，在硬件設計過程中增加了一些濾波電路，大大提高了系統的抗干擾能力；對于軟件架構的設計，主要運用了模塊化設計思想。

　?。?）本文采用SSPMMC1驅動芯片內部可以實現步距角的多種細分控制，從而減少了控制系統的外圍硬件電路，使設計更加實用；在進行軟硬件的聯合調試時，盡可能地優化了控制控制器，提升了控制器性能。

參考文獻

　?。?］ 吳朝霞，張瑩，華建寧，等. 控制電機及其運用［M］.北京：北京郵電大學出版社，2012.

　?。?］ 馬文斌,楊延竹,洪運. 步進電機控制系統的設計及應用［J］. 電子技術應用,2015,(41)11: 1113.

　　［3］ 龐海燕,謝云,肖姍姍,等. SVPWM伺服控制系統的FPGA設計與實現［J］. 微型機與應用,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.