第 28 卷 第 6 期 2005 年 6 月
核 技 术 NUCLEAR TECHNIQUES
Vol. 28, No.6 June 2005
步进电机控制系统的设计及其应用
敬 岚
1
朱海君
1, 2
张硕成 1
乔卫民 1
北京 100049 )
梁义海 1
1 ( 中国科学院近代物理研究所 2 ( 中国科学院研究生院
兰州 730000 )
摘要
介绍了基于 MSP430F149 单片机的步进电机控制系统的设计. 在硬件部分, 描述了该系统的硬件配置和
工作原理; 在软件部分,分析了单片机控制程序和步进电机运动的设计过程.该系统具有研制成本低且扩展好 的特点,并具有软件功能强,操作使用简便等优点,满足了兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)系统 中对五相步进电机的各种控制要求. 关键词 五相步进电机,控制系统,单片机,D/A 转换 TP271 中图分类号
步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或 角位移的控制电机.它的位移速度与脉冲频率成正 比, 位移量与脉冲数成正比. 每来一个脉冲电压, 转 子就旋转一个步距角.根据电压脉冲的分配方式, 步进电机各相绕组的电流轮流切换,从而使电机旋 转.步进电机具有步进数可控,运行平稳,价格便 宜的优点,在加速器控制系统中的应用很广. 步进电机控制系统采用的微控制器是 MSP430F149 单片机.它是超低功耗 Flash 型 16 位 RISC 指令集单片机, 具有强大的处理能力, 丰富的 片上外围模块和方便高效的开发方式,片内资源丰 富,功耗特别小,是 MSP430 系列中功能最强大的 一款[1].MSP430F149 采用"冯-纽曼"结构,RAM, ROM 和全部外围模块都位于同一个地址空间内, 具有一个硬件乘法器,1 个精确的模拟比较器,2 个具有捕捉/比较寄存器的定时器,8 路 12 位 A/D 转换器,片内看门狗定时器,2 个串行通信接口和 60 KB 的 FlashROM,2 KB RAM.MSP430F149 单 片机还具有强大的扩展功能, 具有 6 个 I/O 端口 (每 个有 8 个 I/O 口) 每个 I/O 口分别对应输入, , 输出, 功能选择,中断等多个寄存器,使得功能口和通用 I/O 口可以复用. MSP430F149 单片机的这些片内外 设为控制系统的单片解决方案提供了极大方便[2]. 1
务器[3].总体控制包括网络通信支持系统,集群服 务系统,数据库系统.前端控制服务器用来提供对 受控目标和装置的完全控制,它们可以接收命令和 数据,运行算法,向设备送出控制信号,返回设备 的状态和数据,提供人机界面等.按照现场要求执 行开环或闭环控制, 从而完成对冷却储存环(CSR) 电源系统,注入引出系统,内靶系统,真空系统, 温度测控系统,电子冷却系统等各个分系统的监视 测量,故障报警,操作和控制[4].CSR 总体控制图 如图 1 所示. 步进电机的控制模块主要由 MCU 单片机, D 比较器, DAC 转换电路, 电机驱动器, 触发器, 键盘显示电路,通讯接口电路等几个单元组成[5]. 五相步进电机的转子为永久磁铁.当电流流过 定子绕组时,定子绕组产生一矢量磁场,该矢量场 会带动转子旋转一角度,使得转子的一对磁极磁场 方向与定子的磁场方向一致.当定子绕组矢量磁场 旋转一个角度,转子也随着该磁场旋转一个角度. 因此,控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律 控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场. 系统中的步进电机采用五相十拍驱动方式,电 机的步距角为 0.72.通过比较分析,加速器控制系 统中的步进电机采用双极性驱动方法,具有性价比 高,惯性小,精度高等特性. 2
硬件系统组成 软件结构
本设计采用的 MSP430F149 单片机属于美国德
兰州重离子加速器冷却存储环(HIRFL-CSR) 的控制系统由两部分构成:总体控制和前端控制服
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HIRFL-CSR 国家实验室国家"九五"重大科学工程项目
第一作者:敬 岚,女,1954 年出生,1983 年于上海工业大学(现为上海大学)获硕士学位,研究员,从事计算机控制与嵌入式技术方面的研究, jing@impcas.ac.cn 收稿日期:2004-01-12,修回日期:2004-03-18
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