于基msp430单片机的壁挂式空调风门运动控制系统设计毕业设计.docx
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于基msp430单片机的壁挂式空调风门运动控制系统设计毕业设计
天津工业大学
毕业论文
基于MSP430单片机的壁挂式空调风门运动控制系统设计
姓名胡健民
学院电气工程与自动化学院
专业电气工程及其自动化
指导教师张海华
职称工程师
2013年6月1日
摘要
步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件,由于其精度高,体积小,控制方便灵活,因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用。
本系统的主要工作是应用低功耗MSP430单片机控制步进电机的旋转方向和启停,以实现壁挂式空调风门出风风向的控制。
通过分析步进电机的工作原理:
电脉冲数决定电机的转动圈数;电脉冲的频率决定电机转动的速度。
利用MSP430单片机的四个普通I/O口对步进电机的通电顺序及通电时间进行编程控制,以实现电机的转速和转向调整。
本系统由硬件电路设计和软件编程两部分组成。
此项设计看似简单,但有机的将步进电机和430单片机的相关知识结合了起来,同时将微机原理和电机学等课程从理论学习上升为实践,因此具有很强的现实意义。
此项设计研究将应用于壁挂式空调风门运动的调整,合理地调整将方便于人们的生活,满足人们的各种需求。
关键词:
msp430单片机;步进电机;空调
Abstract
Steppermotorisamechanicalandelectricalactuators,iscommonlyusedindigitalcontrolsystembecauseofitshighprecision,smallvolume,convenientcontrolandflexible,sotheintelligentinstrumentsandhasbeenwidelyusedinpositioncontrol.
ThemainworkofthissystemistheapplicationoflowpowerconsumptionMSP430singlechipmicrocomputertocontrolsteppingmotordirectionofrotationandrev.Stop,soastorealizethecontrolofwall-mountedair-conditionerairdooroutofthewinddirection.Byanalyzingtheworkingprincipleofsteppermotor,electricalimpulsestothemotorrotationlaps;Thefrequencyoftheelectricalmotorrotationalspeed.UsingMSP430singlechipmicrocomputeroffourcommonI/Oportfortheelectricityorderofsteppermotorandthepolarizationtimeprogrammingcontrol,inordertorealizethespeedofthemotorandsteeringadjustments.Thissystemconsistsoftwoparts,hardwarecircuitdesignandsoftwareprogramming.
Thedesignlooksbelikesimple,butorganicwillstepmotorand430singlechipmicrocomputerisacombinationofrelevantknowledge,atthesametime,themicrocomputerprincipleandmotorlearningcoursefromtheoreticalstudytopractice,thushasastrongpracticalsignificance.Willapplytothedesignstudywall-mountedair-conditionerairdoormovementadjustment,reasonableadjustmentwillbeconvenienttothelifeofpeople,meetpeople'svariousneeds.
Keywords:
MSP430MicroChip;Steppermotor;air-conditioner
第一章绪论
1.1课题研究的目的和意义
现今社会,电动机在工业农业生产、人们的日常生活中起着十分重要的作用。
步进电机是目前最常见的一种控制电机,因此在各个领域中得到广泛应用。
步进电机作为执行元件,成为机电一体化的关键产品之一,大量应用在各种自动化控制系统中。
随着微电子和计算机技术行业的发展,对步进电机的需求与日俱增,在各个国民经济领域都有广泛应用。
步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构。
当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按照设定的方向旋转一个固定的角度(称为“步距角”),它的旋转按照固定的角度一步一步运行。
我们可以通过控制脉冲个数来控制旋转角位移量,从而达到准确定位的目的;同时我们可以通过控制脉冲频率来控制步进电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
此电机可以作为一种控制用的特种电机,其特点是结构简单、运行可靠、控制方便。
特别是步距值不受电压、温度的变化而变化、误差不会长期积累等特点,给实际的应用带来了巨大的方便。
它大量用于消费类产品(打印机、照相机、雕刻机)、工业控制(数控机床、工业机器人)、医疗器械等机电产品中。
对步进电机的控制和测量方法的研究,对提高控制精度和响应速度、节约能源都具有重要意义。
整个控制的核心采用MSP430单片机,它以其独特的低耗能,强大的中断控制,特别是其易编程也是不可多得的优点。
为此,本文设计了一个单片机控制步进电机的控制系统,从而可以实现对步进电机转动速度和转动方向的高效控制。
1.2国内外发展状况
我国步进电机的研究及设计制造起开始于本世界50年代后期,从50年代后到60年代后,主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而应用或研发少量产品。
我国在文化大革命时期开始大量生产和使用步进电机,比如江苏、浙江、北京、南京、四川等各地都有投入生产,而且都在各行各业使用,其中的驱动电路和所有半导体器件都是完全国产化的,当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路,还有电容耦合输入的计数器,触发器,环形分配器。
中等耐压的大功率半导体器件等也完全实现国产化。
70年代初期,步进电机的生产和研制都有重大突破,除反映在驱动器设计方面的巨大进步以外,对反应式步进电机本体的设计研究开发等已经到了一个较高的水平。
70年代中期至80年代中期为成品开发阶段,新品种高性能的电动机不断被开发。
到80年代中期以来,由于步进电机精确模型做了大量研究工作,因此各种混合式步进电机及驱动器作为产品得到广泛利用。
国外在大功率的工业设备驱动上,目前已经基本不使用大扭矩步进电动机,因为从驱动电路的成本,效率,噪音,加速度,绝对速度,系统惯量与最大扭矩来比较,较为不划算,还是用直流电机和电动机编码器整体技术和经济指标高。
一些少数高级的应用,就使用空心转杯电机,交流电机。
国外在小功率的地方,还是使用步进电机,比如一些工业器材,工业生产设备,打印机,复印件,速印机,银行自动柜员机。
国内过去是用大力矩步进电机实现机床数控,有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床,在驱动设备的主要差距,是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强,先进的控制理论作为软件,写在控制器内部。
1.3本课题设计的主要任务
本设计是采用MSP430G2553单片机对步进电机的控制,通过I/O口输出的时序方波作为步进电机的输入控制信号,信号经过芯片ULN2003驱动步进电机;同时,用2个按键来对电机的状态进行控制,系统由硬件电路设计和软件程序编程两部分组成。
其中,硬件设计包括MSP430G2553单片机的电源模块、键盘控制模块、步进电机驱动(集成达林顿ULN2003)模块、等3个功能模块的设计,以及各模块的有机结合而实现。
软件设计包括键盘控制、步进电机脉冲的控制程序,最终要实现对步进电机转动方向及转动速度的控制,软件采用在CCS软件环境下编辑的C语言。
本系统具有智能性、实用性及可靠性的特点。
第二章步进电机及其工作原理的介绍
步进电机由于其优点是结构简单、运行可靠、控制方便。
尤其是步距值不受电压、温度等的变化的影响、误差不会长期积累的特点,给实际的应用带来了很大的方便,因此我在这次设计中选用工作方式为四相八拍的永磁式步进电机,下面对它进行详细地介绍。
2.1步进电机概述
2.1.1步进电机的基本介绍
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步进电机件。
在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度,称为“步距角”,它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号,再经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组中。
每输入一个脉冲到脉冲分配器,电动机各相的通电状态就发生改变,转子会转过一定的角(称为步距角)。
一般情况下,步进电机转过的总角度和输入的脉冲数量成正比;连续输入一定频率的脉冲时,电动机的转动速度与输入脉冲的频率保持严格的对应关系,不被电压波动和负载变化而影响。
因为步进电动机能直接接收数字量的输入,因此特别适合于微机控制。
2.1.2步进电机的主要分类
步进电机在构造上有三种主要类型:
反应式、永磁式和混合式。
反应式:
定子上有绕组、转子由软磁材料组成。
结构简单、成本低、步距角小,可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大,可靠性难保证。
永磁式:
永磁式步进电机的转子用永磁材料制成,转子的极数与定子的极数相同。
其特点是动态性能好、输出力矩大,但这种电机精度差,步矩角(一般为7.5°或15°)。
混合式:
混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点,其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料,转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。
其特点是输出力矩大、动态性能好,步距角小,但结构复杂、成本相对较高。
按定子上绕组来分,共有二相、三相和五相等系列。
最受欢迎的是两相混合式步进电机,约占97%以上的市场份额,其原因是性价比高,配上细分驱动器后效果良好。
该种电机的基本步距角为1.8°/步,配上半步驱动器后,步距角减少为0.9°,配上细分驱动器后其步距角可细分达256倍(0.007°/微步)。
由于摩擦力和制造精度等原因,实际控制精度略低。
同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。
2.2步进电机的工作原理
步进电机的工作就是步进转动,它的功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直线位移,就是给一个电脉冲信号,电动机转动一个角度或者前进一步。
步进电机的角位移量与脉冲个数成正比,它的转速与脉冲频率成正比,在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲个数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个电脉冲信号,电机则转过一个步距角。
图2-1为四相步进电机工作原理图。
图2-1四相步进电机工作原理图
开始时,开关SB接通电源,SA、SC、SD断开,B相磁极和转子和0、3号齿对齐,同时转子1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿,2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。
当开关SC接通电源,SB、SC、SD断开时,由于C相绕组磁力线和1、4号齿磁力线的作用,使转子转动,1、4号齿就和C相绕组的磁极对齐,而0、3号齿就和A、B相绕组磁极产生错齿,2、5号齿和A、D相绕组磁极产生错齿。
依次类推,A、B、C、D四相绕组轮流供电,那么转子就会按照A、B、C、D的顺序旋转。
四相步进电机按照通电顺序不同,可以分为单四拍,双四拍,八拍三种工作方式,如图2-2步进电机工作时序波形图。
单四拍与双四拍的步距角相等,但是单四拍的转动力矩小。
八拍的步距角是单四拍和双四拍的一半,因此,八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。
图2-2步进电机工作时序波形图
根据以上论述我们可知,采用八拍的工作方式更为合理,因此,本次设计采用八拍的工作方式,下面进行具体描述。
进一步分析四相八拍减速步进电机的工作原理,简化步进电机我们可以得到图2-3。
图2-3步进电机工作原理图
从图2-3中可以看出来,要实现步进电机的转动,可以用八拍方式:
八个状态分别为:
1、在A正电压,其余接地;
2、在A与B正电压,其余接地;
3、在B正电压,其余接地;
4、在B与C正电压,其余接地;
5、在C正电压,其余接地;
6、在C与D正电压,其余接地;
7、在D正电压,其余接地;
8、在D与A正电压,其余接地;
按以上八个状态轮流供电,电机就可以转动了。
四个引脚各一根控制线:
1~9表示各线时序:
表2-1步进电机引脚通电时序
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
1
1
0
0
0
0
0
1
1
B
0
1
1
1
0
0
0
0
0
C
0
0
0
1
1
1
0
0
0
D
0
0
0
0
0
1
1
1
0
2.3步进电机的基本参数及其指数标语
2.3.1本实验步进电机的基本参数
本实验选用了型号为28BYJ-48的步进电机,它的外形图如图2-4所示,其基本参数如表2-2所示。
图2-4永磁步进电机的外形图
表2-228BYJ-48步进电机的基本参数
2.3.2静态指标术语
1、相数:
产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。
常用m表示。
2、拍数:
完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或
导电状态用n表示,或指电机转过一个齿距角所需脉冲数,以四相电机为例,有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。
3、步距角:
对应一个脉冲信号,电机转子转过的角位移用θ表示。
θ=360度/(转子齿数*运行拍数),以常规二、四相,转子齿为50的电机为例。
四拍运行时步距角为θ=360度/(50*4)=1.8度(俗称整步),八拍运行时步距角为θ=360度/(50*8)=0.9度(俗称半步)。
4、定位转矩:
电机在不通电状态下,电机转子自身的锁定力矩(由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的)。
5、静转矩:
电机在额定静态电作用下,电机不作旋转运动时,电机转轴的锁定力矩。
此力矩是衡量电机体积的标准,与驱动电压及驱动电源等无关。
虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比,与定齿转子间的气隙有关,但过分采用减小气隙,增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的,这样会造成电机的发热及机械噪音。
2.3.3动态指标术语
1、步距角精度:
步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。
用百分比表示:
误差/步距角*100%。
不同运行拍数其值不同,四拍运行时应在5%之内,八拍运行时应在15%以内。
2、失步:
电机运转时运转的步数,不等于理论上的步数。
称之为失步。
3、失调角:
转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度,电机运转必存在失调角,由失调角产生的误差,采用细分驱动是不能解决的。
4、最大空载起动频率:
电机在某种驱动形式、电压及额定电流下,在不加负载的情况下,能够直接起动的最大频率。
5、最大空载的运行频率:
电机在某种驱动形式,电压及额定电流下,电机不带负载的最高转速频率。
6、运行矩频特性:
电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性,这是电机诸多动态曲线中最重要的,也是电机选择的根本依据。
其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。
电机一旦选定,电机的静力矩确定,而动态力矩却不然,电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流(而非静态电流),平均电流越大,电机输出力矩越大,即电机的频率特性越硬。
要使平均电流大,尽可能提高驱动电压,采用小电感大电流的电机。
7、电机的共振点:
步进电机均有固定的共振区域,二、四相感应子式的共振区一般在180-250pps之间(步距角1.8度)或在400pps左右(步距角为0.9度),电机驱动电压越高,电机电流越大,负载越轻,电机体积越小,则共振区向上偏移,反之亦然,为使电机输出电矩大,不失步和整个系统的噪音降低,一般工作点均应偏移共振区较多。
8、电机正反转控制:
当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA时为正转,通电时序为DA-CD-BC-AB时为反转。
2.4步进电机的特点和特性
2.4.1步进电机的主要特点
1、一般步进电机的精度为步进角的3-5%,且不累积。
2、步进电机外表允许的最高温度。
步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁,
从而导致力矩下降乃至于失步,因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点;一般来讲,磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上,有的甚至高达摄氏200度以上,所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。
3、步进电机的力矩会随转速的升高而下降。
当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反向电动势越大。
在它的作用下,电机随频率(或速度)的增大而相电流减小,从而导致力矩下降。
4、步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。
步进电机有一个技术参数:
空载启动频率,即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。
在有负载的情况下,启动频率应更低。
如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即启动频率较低,然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。
步进电动机以其显著的特点,在数字化制造时代发挥着重大的用途。
伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高,步进电机将会在更多的领域得到应用。
2.4.2步进电机的主要特性
1、步进电机必须加驱动才可以运转,驱动信号必须为脉冲信号,
没有脉冲的时候,步进电机静止,如果加入适当的脉冲信号,就会以一定的角度(称为步角)转动。
转动的速度和脉冲的频率成正比。
2、三相步进电机的步进角度为7.5度,一圈360度,需要48个脉冲完成。
3、步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。
4、改变脉冲的顺序,可以方便的改变转动的方向。
因此,打印机、绘图仪、机器人等设备都以步进电机为动力核心。
2.5步进电机驱动系统介绍
步进电机不能直接接到交直流电源上工作,而必须使用专用设备,即步进电机驱动器。
步进电机驱动系统的性能,除与电机本身的性能有关外,也在很大程度上取决于驱动器的优劣。
典型的步进电机驱动系统由步进电机控制器,步进电机驱动器,和步进电机本体三部分组成。
步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号,每发出一个脉冲,步进电机驱动器就驱动步进电机的转子前进一个步距角。
步进电机转速的高低,升速或者降速,启动或者停止都完全取决于脉冲频率的高低和脉冲的有无。
通常,步进电机驱动器由逻辑控制电路,功率驱动电路,保护电路和电源组成。
步进电机驱动器一旦接收到来自控制器的步进脉冲信号,控制电路就按预先设定的电机的通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止的信号。
控制电路输出的信号功率很低,不能提供步进电机所需的输出功率,必须进行功率放大,这就是步进电机的功率驱动部分。
步进电机驱动电路向步进电机的控制绕组输入电流,使其励磁形成空间旋转磁场,驱动转子运动。
保护电路在出现短路,过载,过热等故障情况下迅速停止驱动器和电机的运行。
本人在这次设计中采用了基于ULN2003芯片的步进电机驱动器,将在4.3节进行详细的表述。
第三章MSP430G2553芯片及其引脚功能介绍
近年来,随着微电子技术的日新月异,世界上的许多芯片制造商纷纷推出自己的新产品,品种极为丰富。
由于竞争激烈,其中串行接口多、低功耗、本身具有液晶显示驱动器与看门狗定时器的多功能芯片将成为主流器件。
全球著名DSP制造商—美国德州仪器(TI)公司所生产的新型芯片MSP430系列,以其独特的性能和丰富的片内外设成为电子技术设计开发人员的新宠。
3.1单片机原理概述
单片机(single-chipmicrocomputer)是把微型计算机的主要部分都集成在一块芯片上的单芯片微型计算机。
由于单片机的高度集成化缩短了系统内的信号传送距离,优化了结构配置,大大提高了系统的可靠性和运行速度,同时它的指令系统又非常适合于工业控制的要求,所以单片机在工业过程及设备过程得到广泛应用。
由于MSP430G2553型单片机足以满足对步进电机的控制要求,因此下面我们详细对MSP430G2553单片机进行详细的介绍,典型单片机结构图如图3-1。
图3-1典型单片机结构图
3.2MSP430G2553型单片机概述
MSP430G2553外设:
(1)通用I/O:
可独立编程;可提供输入输出和中断的任意组合;所有寻址指令可对端口寄存器进行读写访问;每个I/O具有一个可编程的上拉/下拉电阻;某些器件或引脚具有触摸按键模块。
(2)16位Timer_A2:
两个捕获/比较寄存器;丰富的中断功能。
(3)WDT+看门狗定时器。
(4)欠压复位:
可在上电和断电期间提供正确的复位信号;功耗包含于MCU最低功耗时所消耗的电流之中。
(5)串行通信:
支持I²C和SPI的USI以及UART的USCI。
(6)Comparator_A:
可设定反相和同相输入;可选的RC输出滤波器;可直接输出至Timer_A2捕获输入;具有中断能力。
MSP430G2553的引脚图3-2如下:
图3-2Msp430G2553单片机引脚图
MSP430G2553开发板各接口引脚介绍
表3-1MSP430G2553引脚介绍
3.3Msp430G2553型单片机的各个功能模块
1、时钟系统:
超低功耗/低频振荡器;外接晶体振荡器;数字控制振荡器。
2、通用I/O(P端口寄存器):
(1)PXDIR输入/输出方向寄存器(0:
输入模式,1:
输出模式);
(2)PXIN输入寄存器,输入寄存器是只读寄存器,用户不能对其写入,只能通过读取该寄存器的内容知道I/O口的输入信号。
(3)PXOUT输出寄存器,寄存器内的内容不会受引脚方向改变的影响(4)PXIFG中断标志寄存器(0:
没有中断请求,1:
有中断请求),该寄存器有8个标志位,对应相应的引脚是否有待处理的中断请求,这8个中断标志共用一个中断向量,中断标志不会自动复位,必须软件复位。
外部中断事件的时间必须大于等于1.5倍的MCLK的时间,以保证中断请求被接受。
(5)PXIES中断触发沿选择寄存器(0:
上升沿中断,1:
下降沿中断)(6)PXIEL功能选择寄存器(0:
选择引脚为I/O端口,1:
选择引脚为外围模块功能)(7)PXREN上拉/下拉电阻使能寄存器(0:
禁止,1:
使能)。
所有P口都可以作为通用I/O口使用;所有P口都可以进行字节操作和位操作。
3、中断:
(1)中断源:
外部中断
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