基于MSP430F149的電磁控制運動裝置設計

摘 要：本文介紹了一種基于單片機MSP430F149的電磁控制運動裝置，該系統采用MSP430F149為控制核心，以19組條形電磁組成電磁牽引軌道，通過控制達林頓管和續流二極管來控制條形磁鐵的磁化和消磁過程，從而實現對擺桿轉動角度、響應時間的精確控制；擺桿振幅控制準確、頻率易調節、工作穩定可靠、經濟實用，此外還配備了語音報讀和聲光報警。

關鍵詞：MSP430F149；電磁；擺桿

中圖分類號：TN602-34 文獻標識碼：A

隨著工業控制的不斷進步，電磁直線運動控制以結構簡單、響應速度快、精度高等特點，越來越受工業控制的重視，如直線電機伺服控制系統、高端數控機床、電磁彈射等場合，起著重要的作用[ 1 ]。本文設計了一套電磁運動控制系統，實現電磁運控的響應速度控制，幅度控制等。如圖1所示，此裝置由支架、擺桿支撐軸、運動擺桿、磁鐵、電磁控制裝置組成，利用電磁控制裝置控制磁力的變化，完成運動擺桿的角度、幅度、頻率控制。其控制指標是：擺桿運動擺角范圍為10°～45°，擺動步進角度為5°，擺動幅度絕對誤差<=3°，響應時間為10S；擺動周期范圍在0.5S～2S，周期誤差<=0.1S；具有聲光報警功能[ 2 ]。

1 擺桿受力理論分析

根據電磁運動控制裝置示意圖和控制指標要求分析，當擺桿靜止時， 擺桿受到三個力的作用，一個是重力G，一個是電磁鐵L和拉力F，其受力分析如圖2（a）所示[ 3 ]。

繩子的拉力F=重力G+磁場對擺桿的拉力L

當擺桿在任意角度上時，擺桿受到重力G、磁塊對擺桿的拉力L和繩子對擺桿的拉力F。此時磁塊D對擺桿的作用力方向始終于與拉力F方向相反[ 4 ]。 擺桿在擺動過程中的某一時刻的加速度為a[ 5 ]，則

2 系統總體方案

根據受力分析，利用電磁鐵中的同性相斥、異性相吸的特性，模擬電磁牽引方法，借助步進電機的結構和運動原理，在距離擺桿磁鐵下方約0.8厘米處，設計一條圓弧牽引軌道，在圓弧牽引軌道上每5°一個等份合理放置19個條形電磁鐵。

如圖3電磁運動裝置結構示意圖。每個磁鐵間的步距角度為5°，通電方式細化步距角為2.5°，條形電磁鐵在其驅動電路的驅動下，依次產生磁場，由于擺桿端部為磁性材料，根據磁場“異性相吸”的原理，依靠磁場吸力牽引擺桿擺動。此方法可以控制擺桿角度精確，控制系統相對簡單，大大減少軟件設計難度[ 6 ]。

如圖4系統模塊框圖所示。此電磁控制裝置，采用MSP430F149作為系統控制器。分為電磁驅動模塊、振幅檢測模塊、聲光報警模塊、鍵盤模塊、顯示模塊和電源模塊組成[ 7 ]。

3 硬件設計

3.1 條形電磁設計

作用在被磁化的銜鐵上的電磁吸力，其大小與磁力線穿過磁極的總面積及氣隙中磁感應強度的平方成正比。如果磁感應強度在磁極表面上是均勻的，則計算電磁吸力的基本公式為[ 8 ]：

3.2 電磁驅動模塊電路

如圖6所示，當接口1輸出低電平時，三極管8050截止，TIP142關閉，電磁鐵不得電；并聯續流二極管消除剩磁，避免擺桿運行出現“失步”現象；當接口1輸出高電平時，三極管8050導通驅動TIP142導通，電磁鐵得電，產生磁場，作用于擺桿端部的磁鐵，從而平穩擺動[ 10 ]。電磁驅動電路如圖6所示。

4 系統軟件設計

4.1 系統主程序流程圖

主程序開始工作在一個等待設定狀態，當有鍵按下時系統根據按鍵模式工作。系統根據設定的模式工作，擺桿振幅角度采樣采用定時器中斷進行，主程序流程圖如圖7所示。開機后，系統采集并顯示當前擺桿角度，當有按鍵進行功能選擇時，分別進入“基本功能”、“發揮部分”、“其它”3個不同的子程序。

4.2 擺角、周期控制子程序流程圖

本系統的擺桿振幅角度和周期控制為設計主要內容，其控制流程圖如圖8。

5 系統測試

此系統采用實測的方法，測試分為兩大步驟，第一步驟，固定周期，改變擺幅角度。利用量角器進行準確測量。第二步驟，固定幾個擺幅角度，改變擺動周期。利用量角器進行準確測量。其擺動結果如表1，表2所示，從測量實測結果看，誤差在1到2度，達到控制要求。

預置周期測試，顯示數據如表2所示。

6 結論

本文采用MSP430F149單片機為控制核心，實現功能要求的全部功能，并達到全部指標。此裝置在全國大學生電子設計競賽中，獲高職組全國一等獎第一名，獲“瑞薩杯”榮譽。

參考文獻：

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作者簡介：

劉德玉（1982-），吉林大學研究生，現就職于湖南工業職業技術學院電氣工程系，講師，研究方向：自動控制。