摘 要：本文介紹了一種基于單片機(jī)MSP430F149的電磁控制運(yùn)動裝置，該系統(tǒng)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(dá)林頓管和續(xù)流二極管來控制條形磁鐵的磁化和消磁過程，從而實(shí)現(xiàn)對擺桿轉(zhuǎn)動角度、響應(yīng)時(shí)間的精確控制；擺桿振幅控制準(zhǔn)確、頻率易調(diào)節(jié)、工作穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，此外還配備了語音報(bào)讀和聲光報(bào)警。

關(guān)鍵詞：MSP430F149；電磁；擺桿

中圖分類號：TN602-34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

隨著工業(yè)控制的不斷進(jìn)步，電磁直線運(yùn)動控制以結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、精度高等特點(diǎn)，越來越受工業(yè)控制的重視，如直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)、高端數(shù)控機(jī)床、電磁彈射等場合，起著重要的作用[ 1 ]。本文設(shè)計(jì)了一套電磁運(yùn)動控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電磁運(yùn)控的響應(yīng)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(yùn)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(yùn)動擺桿的角度、幅度、頻率控制。其控制指標(biāo)是：擺桿運(yùn)動擺角范圍為10°～45°，擺動步進(jìn)角度為5°，擺動幅度絕對誤差<=3°，響應(yīng)時(shí)間為10S；擺動周期范圍在0.5S～2S，周期誤差<=0.1S；具有聲光報(bào)警功能[ 2 ]。

1 擺桿受力理論分析

根據(jù)電磁運(yùn)動控制裝置示意圖和控制指標(biāo)要求分析，當(dāng)擺桿靜止時(shí)， 擺桿受到三個(gè)力的作用，一個(gè)是重力G，一個(gè)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(dāng)擺桿在任意角度上時(shí)，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(shí)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(shí)刻的加速度為a[ 5 ]，則

2 系統(tǒng)總體方案

根據(jù)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(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動原理，在距離擺桿磁鐵下方約0.8厘米處，設(shè)計(jì)一條圓弧牽引軌道，在圓弧牽引軌道上每5°一個(gè)等份合理放置19個(gè)條形電磁鐵。

如圖3電磁運(yùn)動裝置結(jié)構(gòu)示意圖。每個(gè)磁鐵間的步距角度為5°，通電方式細(xì)化步距角為2.5°，條形電磁鐵在其驅(qū)動電路的驅(qū)動下，依次產(chǎn)生磁場，由于擺桿端部為磁性材料，根據(jù)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(tǒng)相對簡單，大大減少軟件設(shè)計(jì)難度[ 6 ]。

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

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 條形電磁設(shè)計(jì)

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(yīng)強(qiáng)度的平方成正比。如果磁感應(yīng)強(qiáng)度在磁極表面上是均勻的，則計(jì)算電磁吸力的基本公式為[ 8 ]：

3.2 電磁驅(qū)動模塊電路

如圖6所示，當(dāng)接口1輸出低電平時(shí)，三極管8050截止，TIP142關(guān)閉，電磁鐵不得電；并聯(lián)續(xù)流二極管消除剩磁，避免擺桿運(yùn)行出現(xiàn)“失步”現(xiàn)象；當(dāng)接口1輸出高電平時(shí)，三極管8050導(dǎo)通驅(qū)動TIP142導(dǎo)通，電磁鐵得電，產(chǎn)生磁場，作用于擺桿端部的磁鐵，從而平穩(wěn)擺動[ 10 ]。電磁驅(qū)動電路如圖6所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)主程序流程圖

主程序開始工作在一個(gè)等待設(shè)定狀態(tài)，當(dāng)有鍵按下時(shí)系統(tǒng)根據(jù)按鍵模式工作。系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的模式工作，擺桿振幅角度采樣采用定時(shí)器中斷進(jìn)行，主程序流程圖如圖7所示。開機(jī)后，系統(tǒng)采集并顯示當(dāng)前擺桿角度，當(dāng)有按鍵進(jìn)行功能選擇時(shí)，分別進(jìn)入“基本功能”、“發(fā)揮部分”、“其它”3個(gè)不同的子程序。

4.2 擺角、周期控制子程序流程圖

本系統(tǒng)的擺桿振幅角度和周期控制為設(shè)計(jì)主要內(nèi)容，其控制流程圖如圖8。

5 系統(tǒng)測試

此系統(tǒng)采用實(shí)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(jìn)行準(zhǔn)確測量。第二步驟，固定幾個(gè)擺幅角度，改變擺動周期。利用量角器進(jìn)行準(zhǔn)確測量。其擺動結(jié)果如表1，表2所示，從測量實(shí)測結(jié)果看，誤差在1到2度，達(dá)到控制要求。

預(yù)置周期測試，顯示數(shù)據(jù)如表2所示。

6 結(jié)論

本文采用MSP430F149單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)功能要求的全部功能，并達(dá)到全部指標(biāo)。此裝置在全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽中，獲高職組全國一等獎第一名，獲“瑞薩杯”榮譽(yù)。

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作者簡介：

劉德玉（1982-），吉林大學(xué)研究生，現(xiàn)就職于湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，講師，研究方向：自動控制。