基于MSP430单片机的多功能直流电机驱动器.docx

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基于MSP430单片机的多功能直流电机驱动器

摘要

本设计介绍了一种基于MSP430单片机实现的单闭环直流电机的调速系统，随着我国工业的发展，越来越多的生产机械要求能实现自动调速。

由于MSP430系列的单片机具有处理能力强、运算速度快、集成度高、外部设备丰富、超低功耗等优点,本设计介绍了一种基于MSP430单片机实现的单闭环直流电机的调速系统，该系统利用MSP430单片机的Timer-A模式产生PWM波，通过改变PWM波的占空比来控制电机的速度，并着重介绍了PWM的调速原理。

其中采用光耦隔离的方法实现单片机与外部电路之间的电气隔离，PWM波经过功率驱动芯片放大后控制直流电机的电枢电压进行平滑调速并由霍尔元件检测出直流电机转速构成的速度反馈，设置四个独立性键盘分别控制电机的正反转、加速和减速，最后通过LED动态显示出直流电机的转速。

采用MSP430单片机控制直流电机的转速取代了以往的模拟控制，使控制精度高，而且方便系统的升级和改进，灵活性和适应性更强。

关键词：

MSP430PWM调速直流电机

1任务提出与方案论证

1.1课题研究的目的意义

1.1.1设计目的

随着我国工业的发展，电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于机械、冶金、石油化学、国防等工业部门中，随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，越来越多的生产机械要求能实现自动调速。

由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。

因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。

根据当前单片机发展的趋势，以TI公司的MSP430系列单片机，全面的用来控制直流电机，旨在实现直流电动机的平滑调速，即可平滑改变电动机电枢电压，实现电动机升速、降速、正转和反转等功能。

1.1.2设计的意义

直流电动机是最早实现调速的电动机。

长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。

随着生产技术的发展，对直流电气传动在起制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面提出了更高的要求，这就要求大量使用直流调速系统。

由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。

因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。

1.2主要内容及方法手段

1.2.1主要内容

该系统利用MSP430单片机实现直流电机的单闭环调速系统，通过单片机的片内设计和外围模块完成整个电路设计。

其中通过MSP430F149的Timer-A模式产生PWM输出以生成控制信号，外围模块主要是光耦隔离、驱动、键盘、LED、霍尔传感器的设计。

1.2.2方法手段

介绍了一种基于MSP430单片机实现的单闭环直流电机的调速系统，该单片机利用MSP430F149的Timer-A模式产生PWM输出以生成控制信号，将PWM波通过光耦TLP521实现单片机与外部电路之间的电气隔离，经过功率驱动芯片L298放大后控制直流电机的电枢电压进行平滑调速并由霍尔元件检测直流电机转速构成的速度反馈，通过四个独立性键盘分别控制电机的正转、反转、加速和减速，最后通过LED动态显示出电机的转速和正反转状态。

下图1-1为系统硬件结构简图。

图1-1系统硬件结构简图

2具体电路设计

2.1系统设计原理

系统主要由MSP430单片机及其最小系统、直流电机、驱动、键盘、LED显示、霍尔元件等组成。

其中，MSP430单片机是整个调速系统的核心。

在MSP430单片机为核心的控制系统中，MSP430F149的Timer-A可以产生PWM波，通过设置的四个独立性键盘，其中两个用来改变单片机产生PWM的占空比，MSP430F149通过P1.2口输出PWM波经过光耦TLP521-1隔离和反相器求反后送给电机驱动芯片L298的使能端ENA，控制直流电机的转速。

另外两个键盘用来改变电机的正反转状态，MSP430F149的P2.0和P2.1端口输出值经光耦TLP521-2隔离后送给电机驱动芯片L298的IN1和IN2端口，以确定直流电机的正反转方向；霍尔元件与电机同轴连接作为电机的测速装置，将脉冲信号反馈到单片机，LED实时的显示出脉冲信号的个数，即电机的转速。

2.2单片机的最小系统

单片机MSP430F149的最小系统包括：

电源、复位电路、晶体。

2.2.1电源

由于整个系统采用5V和3.3V供电，电机采用12V供电，又考虑到硬件系统要求电源具有稳压功能和纹波小的特点，另外也考虑到硬件系统的低功耗等特点，因此该硬件系统的电源先用LM7805稳压为5V给外围模块电路供电，再用SPX1117芯片稳压到3.3V电压，给CPU和3.3V外设供电，用LM7812稳压为12V给电机供电。

如图3-1（a）双路稳压电源，3-1（b）单片机电源。

控制部分的直流电动机的额定电压为12V，逻辑元件需要+5V的直流电源。

我们采用双路输出的直流稳压电源。

线性直流稳压电源电路较成熟，稳定度高，纹波小，干扰小且电路简单，对于固定式三端稳压器主要有7800系列（输出正电压）和7900系列（输出负电压），后两位数字通常表示输出电压的大小。

图3-1（a）双路稳压电源

由上图可见，这个双路输出的直流稳压电源结构十分简单，只用了一个220V变12V的变压器，一个整流桥，两块稳压集成电路（7812和7805）和4个电容。

图中C1是一个大容量的电解电容，起到低频滤波的作用。

由于C1本身的电解比较大，对高频交流成分的滤波效果比较差，所以为了改善滤波电路的高频抑制特性，在C1旁边并联一个高频滤波性能较好的小电容C2。

而直流稳压电路输出端的电容C3和C4是用作改善稳压电源电路的瞬态负载响应特性。

图3-1（b）单片机电源

SPX1117是一个低功耗正向电压调节器，它的一个特性是3端可调节（电压可选：

1.5V，1.8V，2.5V，3.0V，3.3V，及5V）；2.2uF陶瓷电容即可保持稳定。

它可以用在一些高效率，小封装的低功耗设计中。

SPX1117有很低的静态电流，在满负载时其低压差仅为1.1V。

当输出电流减少时，静态电流随负载变化，并提高效率。

SPX1117可以提供多种3引脚封装，一个10uF的输出电容可有效的保证稳定性，然而在大多数应用中仅需一个更小的2.2uF电容。

为了确保SPX1117的稳定性，输出端至少需要一个2.2uF钽/陶瓷电容或10uF的铝电容。

其值可以根据输出负载/温度范围的要求变动。

也可以选用一个更大的输出电容值（100uF）以增长负载瞬态响应。

为了使电源的输出纹波较小和降低其对整个系统的干扰，在输入端和输出端连接两个电容以滤除高频和低频干扰，在输出端得到稳定的直流工作电压。

2.2.2复位电路

为了使系统上电后很好的复位，使其处于稳定的运行状态。

一般简单的复位电路可以采用RC复位，但是很不稳定，可靠性不高，尤其在高速和庞大的系统中使根本不能采用的，在MSP430系统中，我们都采用专门的复位芯片来提高系统的稳定性和可靠性。

在这里采用SP708S，该芯片提供可靠的复位。

图3-2为复位电路图。

图3-2复位电路图

SP708S系列属于微处理器监控器件。

其集成有众多组件，所以它可以有效的增强系统的可靠性及工作效率。

它适用于3V和3.3V环境。

手动复位，其输入为低电平有效。

PFI供电失败信号输入---如果没有使用该引脚可以将PFI连接至地或VCC。

NC无连接。

RST高电平有效RST输出---输出为的补充，一旦RST为高，为低，反之亦然。

SP708S仅有一个复位输出。

供电失败信号输出。

SP708S在上电、下电及掉电情况下复位输出；一个低电平手动复位允许外部按键开关产生RST信号。

由图3-2所示，当按下RESET时低电平有效，RST高电平有效RST输出，为单片机提供复位信号。

2.2.3晶体

单片机内部有时钟模块只需要外接震荡元件即可工作。

外接震荡元件一般选用晶体振荡器。

单片机的基础时钟有低频晶体振荡器、高频晶体振荡器及数字控制振荡器。

低频振荡器支持超低功耗，它在低频模式下使用一个32KHZ的晶体，32KHZ的晶体连接在XIN和XOUT引脚上，不需要任何电容，在低频模式下内部集成了电容。

低频振荡器也支持高频模式和高速晶体，但连接时每端必须加电容。

电容大小根据所接晶体频率的高低来选择。

高频振荡器作为MSP430F149的第二晶体振荡器，与低频相比，其功耗更大。

它需要外接在XIN2和OUT2两个引脚，而且必须外接电容。

图3-3为高速晶体和低速晶体的连接图。

图3-3（a）高速晶体连接图图3-3（b）低速晶体连接图

如图3-3（a）所示，XIN2和XOUT2连接高速晶体8MHZ,同时附有两个电容。

图3-3（b）所示XIN和XOUT连接12KHZ的低速晶体。

2.3PWM波调速

2.3.1直流电机PWM的调速原理

脉宽调制控制技术通常简称为PWM控制技术，是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，控制电压脉冲的宽度或周期已达到变压目的，或控制电压脉冲的宽度或周期以达到变压变频目的的一种控制技术。

图3-4给出了PWM调速系统的工作原理电路及其输出波形。

图3-4（a）PWM工作原理图图3-4（b）PWM输出波形图

假设Vi先导通T1秒，然后又关断T2秒，如此反复进行，可得到图3-4（b）的波形图。

可以得到电机电枢端的平均电压Ua，如公式（3-1）。

=（3-1）

其中=（3-2）

可定义为占空比。

设定输入电压Ud不变，越大，电机电枢端的平均电压Ud越大，反之也成立。

故改变值就可以达到调压的目的。

改变有三种方法：

第一种就是T1保持不变，使T2在0到无穷之间变化；第二种就是T2不变，使T1在0到无穷之间变化；第三种就是T保持不变，使T1在0到T变化，在此改变占空比采用的是第三种方法。

2.3.2Timer-A实现PWM

1．MSP430单片机的Timer-A特性

1）具有16位计数器，4种工作模式。

2）具有多种可选的计数器时钟源。

3）具有3个或者5个可配置的捕获/比较寄存器。

4）支持多时序控制、多个捕获/比较功能及多种输出波形（PWM）。

5）具有异步输入、输出锁存功能。

6）没有自动重载时间常数功能，但产生的定时脉冲或PWM信号没有软件带来的误差。

7）能捕获外部事件发生的时间，锁定其发生时的高低电平。

8）具有完善的中断服务功能。

9）具有8种输出方式选择，3个可配置输出单元。

2．Timer-A结构

（1）计数器部分

计数器部分用来完成时钟源的选择与分频、模式控制及计数等功能。

输入的时钟源具有4种选择，所选定的时钟源又可以1、2、4或8分频作为计数频率，Timer-A可以通过选择4种工作模式灵活的完成定时/计数功能。

（2）捕获/比较寄存器

捕获/比较寄存器用于捕获事件发生的时间或产生的时间间隔，捕获比较功能的引入主要是为了提高I/O端口处理事务的能力和速度。

捕获/比较器相互之间工作完全相互独立。

（3）输出单元

输出单元用于产生用户所需要的输出信号。

Timer-A具有可选的8种输出模式，支持PWM输出。

2.4电机驱动电路

2.4.1电气隔离电路

光耦TLP521将控制电路与主电路隔离开，防止主电路对单片机造成冲击，以确保单片机的正常工作。

图3-8为光耦TPL521-1实现MSP430单片机的P1.2/TA1输出端口与驱动芯片L298的ENA口之间的电气隔离电路图。

图3-8电气隔离电路

由图3-8所示，当TLP521-1得输入端Vin为高电平时，对应的输出端Vout为低电平；输入端Vin为低电平时，对应的输出端Vout为高电平。

因此为了保证MSP430的P1.2/TAL输出PWM波的极性，在TLP521-1的输出端接反相器74HC14后再送给