基于MSP430的直流電機(jī)PWM調(diào)速控制器設(shè)計

梅 莉，葉曉燕

（新疆獨山子克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系，新疆 獨山子 833600）

1 引 言

隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，直流電機(jī)控制開始從傳統(tǒng)的模擬控制向數(shù)字控制轉(zhuǎn)變，控制的智能化逐漸提高。自從全控型電力電子器件問世后，基于脈寬調(diào)制的高頻開關(guān)控制的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)（直流PWM調(diào)速系統(tǒng)）得到了迅猛發(fā)展，成為晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)之外另一種極其重要的直流調(diào)速方法。脈寬調(diào)速系統(tǒng)的脈寬調(diào)制變換器的作用是把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。隨著單片機(jī)成本的降低，以單片機(jī)為控制核心的PWM調(diào)速系統(tǒng)越來越多[1-3]，其特點是通過程序產(chǎn)生控制脈沖，電路簡單；開關(guān)頻率高，電流連續(xù)，諧波少；低速性能好,穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬。MSP430是一種高性價比和高集成度的低功耗單片機(jī)，目前開始應(yīng)用于直流電機(jī)調(diào)速控制中[4]。但這些直流電機(jī)控制系統(tǒng)，未能充分利用MSP430片上資源，外圍驅(qū)動與控制電路復(fù)雜，降低了控制器的可靠性。因此采用新型的專用控制芯片，在充分利用MSP430片上資源基礎(chǔ)上設(shè)計直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，可以提高電機(jī)運行的穩(wěn)定性，并顯著降低成本。

2 直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型

他勵直流電動機(jī)的等效電路如圖1。其中電阻R和電感L包含了電動機(jī)的內(nèi)阻和電感、平波電抗器的電阻和電感以及整流裝置的內(nèi)阻，額定勵磁下直流電機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

圖1 直流電機(jī)等效電路

采用脈寬調(diào)速，當(dāng)控制電壓Uc改變時，PWM變換器輸出平均電壓Ud按線性規(guī)律變化，但其響應(yīng)會有延遲，最大的時延是一個開關(guān)周期T。因此PWM系統(tǒng)也可以看成是一個滯后環(huán)節(jié)。當(dāng)開關(guān)頻率為f>10kHz時，T<0.1ms，時間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成一個一階慣性環(huán)節(jié)。以KS表示PWM裝置的放大系數(shù)，TS表示PWM裝置的延遲時間，因此：

圖2 額定勵磁下的直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

因此，單反饋閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件電路

MSP430是德州儀器公司開發(fā)的帶Flash的16位總線單片機(jī)，其內(nèi)核CPU結(jié)構(gòu)是按照精簡指令集和高透明的宗旨設(shè)計的，指令執(zhí)行速度和效率高，實時處理能力強(qiáng)。MSP430總線是16位的，外設(shè)和內(nèi)存統(tǒng)一編址，尋址范圍可達(dá)64K，可擴(kuò)展外存。MSP430具有豐富的片上外圍模塊，片內(nèi)有精密硬件乘法器、兩個16位定時器、一個14路的12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個看門狗、6路I/O口、兩路USART通信端口、一個比較器、一個DCO內(nèi)部振蕩器和兩個外部時鐘，且具有統(tǒng)一的中斷管理。MSP430開發(fā)方便，可在線對單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試和下載[2]。MSP430可以在超低功耗模式下工作，可靠性好，完全可以滿足工業(yè)級直流電機(jī)調(diào)速控制與功能擴(kuò)展的要求。

根據(jù)直流電機(jī)的反饋方式和控制特點，硬件電路由電源電路、復(fù)位監(jiān)控電路、光電隔離電路、電機(jī)驅(qū)動電路、光電碼盤電路和單片機(jī)電路組成[4]。系統(tǒng)運動控制模塊如圖4所示電機(jī)驅(qū)動電路、光電碼盤電路和單片機(jī)電路組成，電機(jī)驅(qū)動芯片采用MC33886。

圖4 控制硬件電路模塊

一片MC33886的額定輸出流為5 A，而且芯片熱損耗較大。電機(jī)在額定電壓下堵轉(zhuǎn)時電流為16A，該電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單片MC33886所承受的電流，用兩片MC33886時，所能承受的堵轉(zhuǎn)電流更大。同時能減少驅(qū)動芯片發(fā)熱量，增強(qiáng)驅(qū)動能力。驅(qū)動電路設(shè)計如圖5所示。

MSP430的I/O口的脈沖信號經(jīng)光隔后發(fā)送MC33886的IN1和IN2，控制導(dǎo)通與截止，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)與停止。MC33886的OUT1和OUT2分別接直流電機(jī)的兩個接頭，為直流電機(jī)提供驅(qū)動電壓。

圖5 直流電機(jī)MC33886驅(qū)動電路

速度反饋采用MC3486實現(xiàn)4路獨立差分輸入的編碼器脈沖計數(shù)電路，如圖6。將/A反向疊加在A，將/B反向疊加在B，將/I反向疊加在I可增強(qiáng)穩(wěn)定信號。其中，疊加后的OUTA1或OUTB1（脈沖輸出）傳給MSP430用來計數(shù)。OUTI1為零位脈沖，可獲得編碼器的零參考位。編碼器線數(shù)（旋轉(zhuǎn)一周脈沖數(shù)即500）為M，t時間輸出的脈沖數(shù)為N，t時間輪子走過的距離是S=NL/M。

4 控制程序

在PWM調(diào)速中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短，通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。設(shè)Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)，T采樣周期。

其中：

所以：

計算脈寬調(diào)節(jié)量的程序如下：

圖6 編碼器反饋電路

5 結(jié)束語

采用MSP430的直流電機(jī)PWM調(diào)速控制，電路與編程簡單，成本低，控制效果好，可在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差控制。

[1] 陳軍平，范大鵬.無刷直流電動機(jī)集成化驅(qū)動電路設(shè)計[J].微特電機(jī)，2006（1）：25-27.

[2]薛 輝，王叢林.基于單片機(jī)采用算法的電機(jī)運動控制設(shè)計[J].機(jī)床電器，2006（1）：51-52.

[3]董久敏，陳紅霞，劉陵順.一種直流電動機(jī)控制電路的設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2009，17（8）：84-86.

[4] 王鵬飛，王保強(qiáng).基于MSP430單片機(jī)的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)的研究 [J].成都信息工程學(xué)院學(xué)報，2003（2）：105-109.

[5] 賈明月，朱建光.新型泵用永磁無刷直流電動機(jī)驅(qū)動器的設(shè)計[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，29（3）：295-299.

[6] 熊田忠，孫承志.數(shù)字控制無刷直流電動機(jī)的驅(qū)動器硬件設(shè)計[J].機(jī)床與液壓，2009（8）：353-356.

[7] 沈建華，楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[8]胡建輝，鄒繼斌.油田探測用高溫?zé)o刷直流電動機(jī)驅(qū)動控制電路設(shè)計[J].電子器件，2006（2）：528-531.

[9] 何 穎，鹿 雷.PID參數(shù)自整定方法概述[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2004（24）：20-23.