基于TA8429H的小型直流電機(jī)調(diào)速控制器設(shè)計(jì)

張海東，許忠仁，鮑春光

（遼寧石油化工大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

直流電機(jī)由于具有啟動(dòng)、制動(dòng)性能良好，能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點(diǎn)，在冶金、機(jī)械制造、輕工等部門(mén)得到廣泛應(yīng)用，而小型直流電機(jī)在日常生活中應(yīng)用得尤其廣泛。文中設(shè)計(jì)了一種基于TA8429H的小型直流電機(jī)調(diào)速控制器，采用直接測(cè)量小型直流電機(jī)電動(dòng)勢(shì)，不用外部測(cè)速電路的辦法，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量，簡(jiǎn)化了電路，降低了功耗。以MSP430單片機(jī)作為主處理器，用PWM[1-3]（脈沖寬度調(diào)制）信號(hào)控制TA8429H芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)小型直流電機(jī)的調(diào)速。

1 TA8429H芯片簡(jiǎn)介

TA8429H芯片是日本東芝公司生產(chǎn)的一款用于電機(jī)控制的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，輸出電流為3.0A（平均值）。該芯片具有過(guò)熱保護(hù)電路和短路保護(hù)電路，并具有待機(jī)模式。

1.1 TA8429H芯片的特性

1）輸出電流平均值為3.0 A，峰值為4.5 A。

2）具有待機(jī)模式，待機(jī)電流小于等于100μA。

3）具有過(guò)熱保護(hù)電路和短路保護(hù)電路。

4）具有兩個(gè)TTL兼容控制輸入端口，可實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)和停止4種工作模式。

5）配有續(xù)流二極管保護(hù)電路。

6）配有一個(gè)封裝的HZIP電源。

7）寬泛的工作電壓范圍：Vcc=7~27 V，Vs（opr.）=0~27 V。

1.2 TA8429H的結(jié)構(gòu)

TA8429H芯片的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，主要由控制電路、短路保護(hù)電路、過(guò)熱保護(hù)電路等部分組成。芯片的③，⑤，⑦，⑨引腳不用連接。

圖1 TA8429H的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of TA8429H

1.3 TA8429H芯片的引腳功能

TA8429H芯片的各引腳功能如表1所示。

表1 TA8429H芯片引腳功能Tab.1 Pin fuction of TA8429H

2 控制器硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路組成

選用MSP430F149作為主處理器。MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)TI（德州儀器）公司開(kāi)發(fā)的帶有Flash的16位總線(xiàn)超低功耗處理器，其CPU結(jié)構(gòu)是按精簡(jiǎn)指令集與高透明的宗旨設(shè)計(jì)的，指令的執(zhí)行速度和效率很高，實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)。MSP430的總線(xiàn)是16位的，外設(shè)與內(nèi)存統(tǒng)一編址，尋址范圍可達(dá)64K，且可以擴(kuò)展外存。MSP430的片上外圍模塊十分豐富，片內(nèi)有硬件乘法器一個(gè)、16位定時(shí)器兩個(gè)、14路12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器一個(gè)、看門(mén)狗一個(gè)、USART通信端口兩路、I/O口6路、比較器一個(gè)、DCO內(nèi)部振蕩器一個(gè)和外部時(shí)鐘兩個(gè)，且具有統(tǒng)一的中斷管理。MSP430開(kāi)發(fā)十分方便，可在線(xiàn)進(jìn)行調(diào)試和下載。MSP430可在超低功耗模式下工作，可靠性高，完全能滿(mǎn)足工業(yè)級(jí)直流電機(jī)控制與功能擴(kuò)展的要求[3-6]。

本設(shè)計(jì)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，硬件電路主要由單片機(jī)電路、TA8429H電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、測(cè)速電路、電流測(cè)量電路、鍵盤(pán)和顯示器等部分組成，如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the hardware

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用日本東芝公司生產(chǎn)的用于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制的全橋驅(qū)動(dòng)芯片TA8429H。實(shí)際使用時(shí)引腳①和引腳②接MSP430F149輸出的兩路PWM信號(hào)，引腳⑥通過(guò)0.1歐電阻接地，引腳④和引腳⑧接在直流電機(jī)，引腳⑩接正12 V電壓，引腳1○和引腳12○接正5 V電壓，驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路及測(cè)量電路Fig.3 Moto driving circuit and measuring circuit

TA8429H根據(jù)輸入的PWM信號(hào)的不同，可實(shí)現(xiàn)對(duì)小型直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，具體情況如表2所示，其中L表示低電平，H表示高電平。

表2 TA8429H控制信號(hào)與直流電機(jī)工作狀態(tài)Tab.2 Control signal of TA8429H and working satate of DC moto

2.3 測(cè)量電路

因采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，故測(cè)量電路包括測(cè)速電路和電流測(cè)量電路兩部分。

2.3.1 測(cè)速電路

傳統(tǒng)的測(cè)速電路一般采用直流測(cè)速發(fā)電機(jī)進(jìn)行測(cè)速，該方法易受溫度、電樞反應(yīng)等因素的影響而使測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差。因此，本設(shè)計(jì)采用一種全新的測(cè)速電路，由兩個(gè)運(yùn)算放大器OPA604AP、若干電阻和電容組成，如圖3所示。由運(yùn)算放 大器和電阻組成的兩個(gè)電壓跟隨器接在直流電機(jī)的電樞兩端，可測(cè)得電機(jī)的電樞電壓U，通過(guò)公式n為直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，U－電樞端電壓，I－電樞電流，R－電樞電路總電阻，φ－每極磁通量）計(jì)算可得出電機(jī)轉(zhuǎn)速，再將測(cè)得的信號(hào)反饋給單片機(jī)內(nèi)部的A/D。該測(cè)速電路測(cè)量準(zhǔn)確且成本低廉。

2.3.2 電流測(cè)量電路

電流測(cè)量電路由運(yùn)算放大器OPA604AP、若干電阻和電容組成，如圖3所示，根據(jù)模擬電子技術(shù)相關(guān)知識(shí)，計(jì)算可得電機(jī)的電樞電流I，再將所得信號(hào)反饋給單片機(jī)內(nèi)部的A/D。

3 控制器軟件設(shè)計(jì)

控制器的軟件設(shè)計(jì)在美國(guó)IAR公司的“IAR Embedded Workbench for MSP430”開(kāi)發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行。該工具為用戶(hù)提供了友好的用戶(hù)界面和功能強(qiáng)大的調(diào)試系統(tǒng)，十分便于MSP430系列單片機(jī)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)?？刂破鞴ぷ髁鞒碳罢{(diào)速流程如圖4和圖5所示。

圖4 控制器工作流程圖Fig.4 Workflow chart of controller

圖5 控制器調(diào)速流程圖Fig.5 Speed control flow chart of controller

本設(shè)計(jì)采用PWM（脈沖寬度調(diào)制）的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。PWM調(diào)速時(shí)，以一個(gè)固定的頻率接通和斷開(kāi)電源，改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”與“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短，通過(guò)改變直流電機(jī)的電樞電壓的“占空比”來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

在鍵盤(pán)上輸入數(shù)據(jù)，設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)電機(jī)。通過(guò)MSP430F149的TimerB輸出PWM方波來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。將TimerB捕獲/比較模塊的工作模式作為比較模式，輸出模式作為模式7（PWM復(fù)位/置位模式），改變捕獲/比較寄存器CCR1中的數(shù)值即可改變由TimeB產(chǎn)生的PWM方波信號(hào)的占空比，改變捕獲/比較寄存器CCR0中的數(shù)值即可改變PWM方波信號(hào)的周期。將TimerB輸出的PWM信號(hào)傳輸給TA8429H的輸入引腳①和②，通過(guò)鍵盤(pán)可改變PWM方波的周期與占空比，從而達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。直流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速通過(guò)測(cè)速電路測(cè)量再經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算處理在顯示器上顯示，便于用戶(hù)根據(jù)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整其目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

4 結(jié) 論

基于TA8429H的小型直流電機(jī)調(diào)速控制器，采用無(wú)外部測(cè)速傳感器測(cè)量小型直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的辦法，成本低廉、電路簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)。選用MSP430單片機(jī)作為控制器的核心，編程方便，功耗低，控制效果好，可在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差控制。此外，以TA8429H芯片為驅(qū)動(dòng)電路，可方便地實(shí)現(xiàn)小型直流電機(jī)的正反向控制和制動(dòng)，具有較好的應(yīng)用前景。

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