基于msp430的直流电机pwm调速双闭环控制系统的设计

基于msp430的直流电机pwm调速双闭环控制系统的设计内容摘要：

(两个外部时钟和一个内部时钟 )。 （ 5） 低时钟频率可实现高速通信。 （ 6） 具有 串行在线编程能力。 （ 7） 强大的中断功能。 （ 8） 唤醒时间短 ,从低功耗模式下唤醒仅需 6μ s。 （ 9） ESD 保护，抗干扰力强。 直流电机的主要结构 直流电动机的结构如图 21；其主要结构为：主磁极、机座、换向极、端盖、电刷装置、电枢铁心、电枢绕组、换向器、磁系统。 7 （ 1转子轴承 2滑环 3换向器电刷 4磁系统 5电枢 6磁系统轴承 7外轴 8内轴 9磁绕组 10壳体 11换向器 12滑环电刷） 图 21 电动机结构图 直流电动机的调速方式 1. 改变电枢回路 电阻调速 各种直流电动机都可以通过改变电枢回路电阻来调速 ， 这种调速方法为有级调速，调速比一般约为 2:1左右，转速变化率大，轻载下很难得到低速，效率低，故现在已极少采用。 2. 改变电枢电压调速 变电枢电压调速 有 两种方法 ： 一种是采用发电机 电动机组供电的调速系统 ；另一种是采用晶闸管变流器供电的调速系统。 这种方法可 连续改变电枢供电电压，使直流电动机在很宽的范围内实现无级调速 ，是 直流电机调速系统中应用最广的一种调速方法。 在此方法中，由于电动机在任何转速下磁通都不变，只是改变电动机的供电电压，因而在额定电流下 ，如果不考虑低速下通风恶化的影响（也就是假定电动机是强迫通风或为封闭自冷式），则不论在高速还是低速下，电动机都能输出额定转矩，故称这种调速方法为恒转矩调速。 这是它的一个极为重要的特点。 如果采用反馈控制系统，调速范围可达 50:1～ 150:1， 甚至更大。 3. 采用大功率半导体器件的直流电动机脉宽调速方法 [7] 脉宽调速系统出现的历史久远，但因缺乏高速大功率开关器件而未能及时在生产实际中推广应用。 今年来，由于大功率晶体管 (GTR)，特别是 IGBT 功率器件的制造工艺成熟、成本不断下降，大功率半导体器件实现的直流 电动机脉宽调速基于 MSP430 的直流电机 PWM 调速双闭环控制系统的设计 8 系统才获得迅猛发展，目前其最大容量已超过几十兆瓦数量级。 4. 改变励磁电流调速 这种调速方法 又称 恒功率调速 ，在低速时受到磁极饱和的限制 , 高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制 , 而且由于励磁线圈电感较大 , 动态响应较差；因此， 为了使电动机的容量能得到充分利用，通常只是在电动机基速以上调速时才采用 ，在 采用弱磁调速时的范围一般为 :1～ 3:1，特殊电动机可达到 5:1；不过 这种调速电路实现很简单，只要在励磁绕组上加一个独立可调的电源供电即可实现。 9 3 直流电机双闭环调速控制系统设计 系统组成原理图 基于 MSP430系列单片机的特点，直流电机双闭环调速系统 [8]电路原理如图 31所示，调速系统包括 MSP430F2619 单片机上位机、液晶转速显示屏、光耦 TLP521反相器、光耦 TLP5212 、直流电机驱动芯片 L298 直流电动机、测速发电机、电流滤波电路、电流调理电路、转速滤波电路和转速调理电路。 ` 图 31 双闭环调速控制系统电路原理图 MSP430F2619 单片机作为控制系统的核心， MSP430F2619 通过片内外设与上位机串行通信获得直流电机转速的给定值和转速方向等相关信息；利用片内资源驱动 LCD 显示直流电机的转速、转向等信息； MSP430F2619 通过 和 分别采集直流电机的转速反馈值和电流反馈值，由内部 12 位 A/D 进行模数转换。 转换值与给定值进行代数和运算，偏差作为数字 PI 控制器的输入。 MSP430F2619 通过 输出 PWM 波经过光耦 TLP5211 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。 MSP430F2619 的 和 端口输出值经光耦 TLP5212 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。 MSP430F2619 上位机 转速 显示 TLP5211 TLP5212 反相器 ENA IN1 IN2 L298 M TG 转速调 理电路 电流调 理电路 电流滤波 电路 转速滤波 电路 基于 MSP430 的直流电机 PWM 调速双闭环控制系统的设计 10 外围电路介绍 (1)光耦隔离电路：在单片机系统中为提高系统的抗干扰性，常采用电气隔离的方法。 本文采用光耦隔离的方法，先把 MSP430 单片机送给光耦的电信号转换为光信号，再把光信号转换为单片机系统的电信号，从而实现单片机与外部电路之间的电气隔离。 图 32 为光耦 TLP5211 实现 MSP430F2619 的 输出端口与驱动芯片 L298 的 ENA 口之间电气隔离的电路图。 图 32 TLP5211实现电气隔离电路图 由图 32知，当 TLP5211的输入端 Vin 为高电平时，对应的输出端 Vout 为低电平，因此为了保证 MSP43 的 输出 PWM 波的极性，在 TLP5211的输出端接反相器 74HC14 后，再送给电机驱动芯片 L298 的输入使能端 ENA 来驱动电机电机。 (2)驱动电路：驱动采用专业芯片 L298， L298 内部有 2 个功能完全相同的 驱动模块，每个模块能控制一个直流电机调速，电路图如图 33： 11 图 33 L298电路驱动图 本文只用其中的一个模块，该模块 3个控制输入端口 ENA、 IN1 和 IN2 接 PWM波， IN1 和 IN2 用来组合控制电机的转向，控制输入端的电平和电机转动状态的对应关系如表 31所示，表中 H 表示控制输入为高电平， L 表示低电平， X表示高电平或者低电平。 表 31 L298控制信号与直流电机转向关系 ENA IN1 IN2 电机状态 H H L 正转 H L H 反转 H H H 快速停止 H L L 快速停止 L X X 自由停止 (3)三相桥式全控整流电路 [9]：电路 由 一组共阴极和一组共阳极 绝缘栅双极晶体管（ IGBT） 串联起来构成的。 将其按导通顺序编号，共阴极的一组为 V V3 和V5，共阳极的一组为 V V4和 V6；此电路即具有 阻抗高、开关速度快，又有所需驱动功率小、开关损耗小、工作频率高、不需缓冲电路，适用于较高频率的场合。 三相桥式全控整流电路如图 34 所示。 基于 MSP430 的直流电机 PWM 调速双闭环控制系统的设计 12 图 34 三相桥式全控整 流电路原理图 (4)A/D 转换器： 12/14 位 A/D 转换器是字访问的外围模块，其上有 8 个可选模拟输入通道，也可作为数字输入。 通过对输入允许寄存器（ AEN）的相应位编程，使数据在全部 8个通道或者所选择的通道上输入 ,通道上的数据可从输入缓存寄存器（ AIN）读出，根据输出控制寄存器（ ACTL）中的位 11 状态（置位 /复位）， A/D转换器有两种工作模式，即 14 位或者 12 位，再经多路切换进入转换器的输入电路转换数据，转换结果保存在输出数据缓存寄存器（ ADAT）中，并保持到 ACTL 中的开始转换位（ SOC）置位启动下一次新 的转换时释放，通过读取 ADAT 寄存器，结果将出现在 16位总线上。 其结构图如图 35 所示。 注意：  一次转换在启动后必须在下一次转换启动前完成，否则将会产生不可预测的转换数据。  在转换器上电后，须对 ACTL 寄存器编程，以确定是作比例检测还是绝对检测，以及检测范围的选择是非自动的还是自动的。 对于非自动模式，检测范围位一旦选定，将不可改变，以免使转换结果失效。 13 图 35 A/D转换模块结构 (AGND) 转速、电流双闭环直流调速系统 对于经 常正、反转运行的调速系统 [10]，利用双闭环调速系统具有十分明显的优势。 它能充分利用电机的过载能力，在过渡过程中保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统以最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。 这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。 为实现转速和电流两种负反馈分别作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。 二者之间实行嵌套连接，如图 36 所示。 把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输 出去控制电力电子变换器 UPE。 从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。 这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 基于 MSP430 的直流电机 PWM 调速双闭环控制系统的设计 14 i n 给 定 电 压速 度调 节 器电 流调 节 器三 相 集 成触 发 器三 相全 控 桥直 流电 动 机电 流检 测转 速检 测+Δ Un+n*nU n iU*iU cU dU图 36 转速、电流双闭环直流调速系统框图 *nU — 转速给定电压 nU — 转速反馈电压 *iU — 电流给定电压 iU — 电流反馈电压 电流、转速双闭环控制器设计 基于 MSP430 的转速、电流双闭环控制原理如图 37 所示 [11]。 图 37 转速、电流双闭环控制原理 β n为转速反馈增益，α i为电枢电流反馈增益。 转速环控制器采用比例积分控制器，电流环采用比例调节器。 Un 为转速给定， Un为经过测速发电机和转。