基于MSP430的直流电机PWM调速控制器设计

2010-04-26 02:31叶晓燕

中国测试 2010年3期

梅莉，叶晓燕

（新疆独山子克拉玛依职业技术学院电子电气工程系，新疆独山子 833600）

1 引言

随着微电子技术、计算机技术和现代控制理论的发展，直流电机控制开始从传统的模拟控制向数字控制转变，控制的智能化逐渐提高。自从全控型电力电子器件问世后，基于脉宽调制的高频开关控制的直流脉宽调速系统（直流PWM调速系统）得到了迅猛发展，成为晶闸管直流调速系统之外另一种极其重要的直流调速方法。脉宽调速系统的脉宽调制变换器的作用是把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。随着单片机成本的降低，以单片机为控制核心的PWM调速系统越来越多[1-3]，其特点是通过程序产生控制脉冲，电路简单；开关频率高，电流连续，谐波少；低速性能好,稳速精度高，调速范围宽。MSP430是一种高性价比和高集成度的低功耗单片机，目前开始应用于直流电机调速控制中[4]。但这些直流电机控制系统，未能充分利用MSP430片上资源，外围驱动与控制电路复杂，降低了控制器的可靠性。因此采用新型的专用控制芯片，在充分利用MSP430片上资源基础上设计直流电机调速控制系统，可以提高电机运行的稳定性，并显著降低成本。

2 直流调速系统的动态数学模型

他励直流电动机的等效电路如图1。其中电阻R和电感L包含了电动机的内阻和电感、平波电抗器的电阻和电感以及整流装置的内阻，额定励磁下直流电机的动态数学模型如图2所示。

图1 直流电机等效电路

采用脉宽调速，当控制电压Uc改变时，PWM变换器输出平均电压Ud按线性规律变化，但其响应会有延迟，最大的时延是一个开关周期T。因此PWM系统也可以看成是一个滞后环节。当开关频率为f>10kHz时，T<0.1ms，时间常数这么小的滞后环节可以近似看成一个一阶惯性环节。以KS表示PWM装置的放大系数，TS表示PWM装置的延迟时间，因此：

图2 额定励磁下的直流电机结构图

因此，单反馈闭环控制的直流调速系统的结构图如图3所示。

图3 反馈控制闭环直流调速系统结构框图

3 硬件电路

MSP430是德州仪器公司开发的带Flash的16位总线单片机，其内核CPU结构是按照精简指令集和高透明的宗旨设计的，指令执行速度和效率高，实时处理能力强。MSP430总线是16位的，外设和内存统一编址，寻址范围可达64K，可扩展外存。MSP430具有丰富的片上外围模块，片内有精密硬件乘法器、两个16位定时器、一个14路的12位的模数转换器、一个看门狗、6路I/O口、两路USART通信端口、一个比较器、一个DCO内部振荡器和两个外部时钟，且具有统一的中断管理。MSP430开发方便，可在线对单片机进行调试和下载[2]。MSP430可以在超低功耗模式下工作，可靠性好，完全可以满足工业级直流电机调速控制与功能扩展的要求。

根据直流电机的反馈方式和控制特点，硬件电路由电源电路、复位监控电路、光电隔离电路、电机驱动电路、光电码盘电路和单片机电路组成[4]。系统运动控制模块如图4所示电机驱动电路、光电码盘电路和单片机电路组成，电机驱动芯片采用MC33886。

图4 控制硬件电路模块

一片MC33886的额定输出流为5 A，而且芯片热损耗较大。电机在额定电压下堵转时电流为16A，该电流远远大于单片MC33886所承受的电流，用两片MC33886时，所能承受的堵转电流更大。同时能减少驱动芯片发热量，增强驱动能力。驱动电路设计如图5所示。

MSP430的I/O口的脉冲信号经光隔后发送MC33886的IN1和IN2，控制导通与截止，控制电机正反转与停止。MC33886的OUT1和OUT2分别接直流电机的两个接头，为直流电机提供驱动电压。

图5 直流电机MC33886驱动电路

速度反馈采用MC3486实现4路独立差分输入的编码器脉冲计数电路，如图6。将/A反向叠加在A，将/B反向叠加在B，将/I反向叠加在I可增强稳定信号。其中，叠加后的OUTA1或OUTB1（脉冲输出）传给MSP430用来计数。OUTI1为零位脉冲，可获得编码器的零参考位。编码器线数（旋转一周脉冲数即500）为M，t时间输出的脉冲数为N，t时间轮子走过的距离是S=NL/M。