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        基于MSP430的直流電機PWM調(diào)速控制器設計

        2010-04-26 02:31:48葉曉燕
        中國測試 2010年3期
        關(guān)鍵詞:直流電機直流脈沖

        梅 莉,葉曉燕

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

        1 引 言

        隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展,直流電機控制開始從傳統(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)電機轉(zhuǎn)速。隨著單片機成本的降低,以單片機為控制核心的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,目前開始應用于直流電機調(diào)速控制中[4]。但這些直流電機控制系統(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片上資源基礎上設計直流電機調(diào)速控制系統(tǒng),可以提高電機運行的穩(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)學模型

        他勵直流電動機的等效電路如圖1。其中電阻R和電感L包含了電動機的內(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的動態(tài)數(shù)學模型如圖2所示。

        圖1 直流電機等效電路

        采用脈寬調(diào)速,當控制電壓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,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計的,指令執(zhí)行速度和效率高,實時處理能力強。MSP430總線是16位的,外設和內(nèi)存統(tǒng)一編址,尋址范圍可達64K,可擴展外存。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,可在線對單片機進行調(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)級直流電機調(diào)速控制與功能擴展的要求。

        根據(jù)直流電機的反饋方式和控制特點,硬件電路由電源電路、復位監(jiān)控電路、光電隔離電路、電機驅(qū)動電路、光電碼盤電路和單片機電路組成[4]。系統(tǒng)運動控制模塊如圖4所示電機驅(qū)動電路、光電碼盤電路和單片機電路組成,電機驅(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。電機在額定電壓下堵轉(zhuǎn)時電流為16A,該電流遠遠大于單片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,增強驅(qū)動能力。驅(qū)動電路設計如圖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,控制導通與截止,控制電機正反轉(zhuǎn)與停止。MC33886的OUT1和OUT2分別接直流電機的兩個接頭,為直流電機提供驅(qū)動電壓。

        圖5 直流電機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,從而控制電機轉(zhuǎn)速。設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。

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