李江基于MSP430G2553單片機的直流電機PWM調速系統(tǒng)設計

1、目錄1 引言22 MSP430 簡介33 脈寬調制（PWM）基本原理34 硬件設計44.1 電源模塊設計44.2電機控制系統(tǒng)方案設計44.2 調速系統(tǒng)硬件電路設計55 軟件設計65. 1 MSP430 指令集和編譯軟件的特點65. 2 整個系統(tǒng)的軟件設計思想75.3 整個系統(tǒng)的程序設計流程圖76 硬件調試87 性能評估128 總結思考13參考文獻13附錄14摘要電機控制系統(tǒng)是數(shù)控火焰切割機自動調高器中的關鍵部件。提出了自動調高器中電機控制系統(tǒng)的方案，設計了基于單片機的PWM 直流電機控制硬件電路，指出了本系統(tǒng)軟件設計需解決的關鍵問題，并設計了相應的控制軟件。該系統(tǒng)設計了一種實用新型的切割機自動

2、調高系統(tǒng)，較好地解決了電機轉動慣性對調高精度的影響。關鍵詞：自動調高器；直流電機；單片機；PWM1 引言數(shù)控切割機是對金屬板材下料的機電設備，作為型材加工的關鍵設備之一，它是集數(shù)控技術、計算機軟、硬件等技術為一體的高科技產(chǎn)品，在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用。數(shù)控切割機在切割鋼板的過程中，由于鋼板高低不平或者傾斜等其它原因會影響加工質量，為提高加工的精度和質量，切割過程中需要高性能的自動調高器來保證割嘴到鋼板之間高度的恒定。電機控制系統(tǒng)用于實時調整割炬高度，是自動調高器中的關鍵部件。直流電機由于具有速度控制容易，啟、制動性能良好，且在寬范圍內平滑調速等特點而在冶金、機械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣

3、泛應用。直流電動機轉速的控制方法可分為兩類，即勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時受到磁飽和的限制，高速時受到換向火花和換向器結構強度的限制；而且由于勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調速的電樞電壓控制法。調節(jié)電阻R 即可改變端電壓，達到調速目的。但這種傳統(tǒng)的調壓調速方法效率低。隨著電力電子技術的進步，發(fā)展了許多新的電樞電壓控制方法，其中PWM是常用的一種調速方法。其基本原理是用改變電機電樞（定子）電壓的接通和斷開的時間比（占空比）來控制馬達的速度，在脈寬調速系統(tǒng)中，當電機通電時，其速度增加；電機斷電時，其速度減低。只要按照

4、一定的規(guī)律改變通、斷電的時間，即可使電機的速度達到并保持一穩(wěn)定值。最近幾年來，隨著微電子技術和計算機技術的發(fā)展及單片機的廣泛應用，使調速裝置向集成化、小型化和智能化方向發(fā)展。在單片機控制的脈寬調速系統(tǒng)中，占空比D 的產(chǎn)生可以由定時器或延時軟件來產(chǎn)生。MSP430 單片機的定時器可以產(chǎn)生PWM 方波輸出，將它用于直流電機的脈寬調速系統(tǒng)是個很好的方案。2 MSP430 簡介德州儀器公司的MSP430系列單片機是一種超低功耗微處理器，具有如下特點：（1）功耗低，典型功耗是：2.2V時鐘頻率1MHz時，活動模式為200，關閉模式時僅為0.1，且具有5 種節(jié)能工作方式。（2）高效16 位RISC-CPU

5、，27條指令，8MHz 時鐘頻率時，指令周期時間125ns，絕大多數(shù)指令一個時鐘周期完成；32kHz 時鐘頻率時，16位MSP430 單片機的執(zhí)行速度高于典型的8位單片機20MHz 時鐘頻率時的執(zhí)行速度。（3）低電壓供電、寬工作電壓范圍：1.8V 3.6V。（4）靈活的時鐘系統(tǒng)( 兩個外部時鐘和一個內部時鐘)。（5） 低時鐘頻率可實現(xiàn)高速通信。（6）具有串行在線編程能力。（7）強大的中斷功能。（8） 喚醒時間短，從低功耗模式下喚醒僅需6。（9）ESD保護，抗干擾力強。基于以上特點，該系列單片機在便攜式儀表、智能傳感器、實用檢測儀器、電機控制、家庭自動化等領域的應用較為普遍。MSP430的16位

6、定時器中斷可用于事件計數(shù)，時序發(fā)生，PWM等，是應用于工業(yè)控制的理想配置。如紋波計數(shù)器、數(shù)字化電機、控制電表和手持式儀表等。DCO為單片機系統(tǒng)提供一個內部時鐘源并具有鎖相環(huán)，當XTALT2 沒有提供時，系統(tǒng)依靠DCO 運行，整個時鐘配置可以通過DCOCTL、BCSCTL1、BCSCTL2和SR等控制寄存器中相應的位來選擇和控制以滿足用戶對系統(tǒng)的要求。不同型號單片機的存儲器容量和外圍模塊各不相同，使用者可以根據(jù)需要具體選擇適應工業(yè)級應用環(huán)境，它的運行環(huán)境溫度范圍為，所設計的產(chǎn)品適合運行于工業(yè)環(huán)境下。3 脈寬調制（PWM）基本原理若把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N個彼此相連的脈沖所

7、組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦等分的中點重合，且使矩形脈沖和相應正弦部分面積（即沖量）相等，就得到一組脈沖序列，這就是PWM波形。可以看出，各脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可，因此在交-直-交變頻器中，整流電路采用不可

8、控的二極管電路即可，PWM逆變電路輸出的脈沖電壓就是直流側電壓的幅值。根據(jù)上述原理，在給出了正弦波頻率，幅值和半個周期內的脈沖數(shù)后，PWM波形各脈沖的寬度和間隔就可以準確計算出來。按照計算結果控制電路中各開關器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形。在PWM調整負載功率的過程中，負載斷開時晶體管無電流通過，不發(fā)熱。負載接通時晶體管飽和，雖然通過有較大電流，但壓降很小，發(fā)熱功率也很低。所以使用PWM控制負載時，開關器件的總發(fā)熱量很小。相比于串聯(lián)耗散式的調整方法，效率會高很多，適合大功率，高效率的負載調整應用。但PWM的缺點是負載功率高頻波動很大，不適合要求輸出平穩(wěn)無紋波要求的場合。4 硬件設計4

9、.1 電源模塊設計首先由于本項目實現(xiàn)需要電源模塊供電，故設計了電源模塊為硬件調速系統(tǒng)供電，該電路已經(jīng)仿真測試合格，其仿真電路如下圖1所示。圖1 硬件調速系統(tǒng)供電電源設計仿真圖4.2電機控制系統(tǒng)方案設計從傳感器輸出的直流電壓信號V2 是鋼板和割炬之間距離（dx）的函數(shù)，用另一個直流電壓信號V1（它是設定高度的函數(shù)）來表示設定的高度，然后把這兩個直流電壓信號的值相減，根據(jù)減得的結果來控制直流電機的運動。據(jù)此思路設計系統(tǒng)的方案如圖2 所示。V1 和V2首先經(jīng)過放大濾波電路輸出合適幅值而且穩(wěn)定電壓信號給A/D 電路，由A/D 電路分別采集之后送給單片機控制電路處理，根據(jù)處理結果通過光電隔離控制H 橋直

10、流電機的運動。圖2 控制系統(tǒng)電路方案圖4.2 調速系統(tǒng)硬件電路設計基于MSP430系列單片機的上述特點，本文設計一種如圖3所示的直流電機PWM調速系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用了MSP430G2553單片機的工業(yè)級特點和16位定時器Timer_A比較模塊功能實現(xiàn)PWM波形輸出功能，通過按鍵改變占空比，P1.3按鍵控制增加它的正占空比，P1.4按鍵控制減小它的正占空比，P1.2輸出方波信號，用示波器來觀察波形的變化情況。并且觀察P1.6管腳連接的直流電機的轉速變化情況，實現(xiàn)直流電機的PWM調速。圖3 直流電機PWM調速系統(tǒng)圖3中電路所示，系統(tǒng)主要由MSP430G2553微控制器、直流電機、驅動及保護電路組

11、成。其中MSP430微控制器是整個調速系統(tǒng)的核心。下面分別闡述它們的工作原理。在MSP430G2553微控制器為核心的控制系統(tǒng)中，當P1.3、P1.4任何一個輸入處于邏輯低狀態(tài)時，電路輪流檢測兩個輸入按鍵并且增加或減少Timer_A捕獲/比較寄存器CCR1，軟件檢查寄存器的值以確保它不超過寄存器所保持的最大值和最小值, 因此可防止翻轉。Timer_A作為SMCLK時鐘源被設置為上升模式，輸出模式7且輸出單元1，可以在P1.2和P1.6管腳產(chǎn)生PWM方波輸出。CCR0值置為8000以定義Timer_A可計數(shù)到8000，改變CCR1的值可以改變Timer_A產(chǎn)生的PWM信號的占空比。PWM 信號用

12、于GT8J101。DCO置于5MHz可產(chǎn)生20KHz的PWM信號，因此允許電機運行而不會產(chǎn)生任何可聽到的PWM噪聲。注意在圖1中，電路沒有連接到MSP430的晶振。數(shù)控震蕩器( DCO) 的頻率隨著溫度和電壓變化，PWM信號頻率是基于DCO的頻率，因此它也隨著變化。而占空比是一設定好的比值和頻率無關，所以PWM信號的導通與關斷時間成比例的變化。因此，甚至當DCO頻率改變時，電機的平均電壓也不變。如果需要一固定的PWM頻率，可在電路中加晶振。IGBT元件GT8J101起驅動放大的作用于直流電機，隨著占空比的變化，電機的平均電壓也變化。正是這平均電壓的變化來控制電機的轉速，電機轉速能從低速到最大值

13、分8級調速。在直流電機兩端接反向二極管起到保護作用。光耦TLP5211將控制電路與主電路隔離開，防止主電路對單片機造成沖擊，確保單片機的正常工作。5 軟件設計5. 1 MSP430 指令集和編譯軟件的特點MSP430的內核CPU結構是按照精簡指令集和高透明指令的宗旨來設計的，使用的指令有硬件執(zhí)行的內核指令和基于現(xiàn)有硬件結構的高效率的仿真指令。仿真指令使用內核指令及芯片額外配置的常數(shù)發(fā)生器CG1、CG2。MSP430指令的尋址方式包括立即尋址、索引尋址、符號尋址和絕對尋址。這4種方式均可用于源操作數(shù)，而索引符號和絕對尋址方式只可用于目的操作數(shù)。源操作數(shù)的指令集需占用代碼存儲器中的13個字。CPU

14、中包含的16個寄存器用于縮短指令執(zhí)行時間，可以在一個時鐘周期內完成寄存器與寄存器間的操作。其中4個寄存器用作特殊用途：一個程序計數(shù)器，一個堆棧指針，一個狀態(tài)寄存器和一個常數(shù)發(fā)生器。其余寄存器都可以用作通用寄存器。采用寄存器寄存器結構的指令體系，提供一種非常強大的匯編語言。MSP430系列單片機可以利用TI公司的CCS編譯，直接下載至片內FLASH 內存脫機運行，整個用戶界面友好，調試過程中可以在上層軟件中看到各寄存器的內容，并在線修改，支持單步運行，在線觀察定義的各個變量實時值，采用把所有相關文件放入一個項目中的組織方式，編譯運行時軟件會自動將文件按內在聯(lián)系自動組合在一起，支持匯編和C語言的編

15、程。追求效率的用戶可自由選擇只有27 條精簡指令的匯編語言直接實現(xiàn)對寄存器的控制，一般的用戶可以選擇C編程，TI的C具有如下特點：( 1) 與ANSI 的規(guī)格一致。 ( 2) 有可應用于嵌入式系統(tǒng)的標準函數(shù)庫，具有可選用的源代碼。 ( 3) IEEE 兼容的浮點算法。( 4) 用戶代碼可與匯編子程序連接。( 5) 快速編譯性能，代碼的優(yōu)化，靈活的變量分配和可移植性能，易于理解的出錯和警告信息。這些都將大大縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)難度，可以說MSP430 的軟件使用是相當簡潔、方便、高效的。5. 2 整個系統(tǒng)的軟件設計思想在單片機控制系統(tǒng)中，PWM輸出信號的值（占空比）是決定電機轉速的關鍵。單片機

16、靠識別按鍵P1.3與P1.4輸入的低電平信號來控制PWM 輸出信號的值，電機轉速從低速度到最大值分8級調速。每按下一次P1.3鍵，PWM值遞加一次，直至最大轉速；每按下一次P1.4鍵，PWM 值遞減一次，直至轉速為零。整個程序由主程序、初始化子程序、延時子程序等組成。5.3 整個系統(tǒng)的程序設計流程圖初始化程序完成設置看門狗為停止，設置DCO為高頻，設置p1.2和P1.6為PWM輸出,設置P1.3、P1.4為輸入,設置Timer A 為上升模式、輸出模式為7 輸出PWM波，通過按鍵改變占空比，改變PWM波形。其程序流程圖見圖4所示。圖4 整個系統(tǒng)的程序設計流程圖6 硬件調試在單片機控制系統(tǒng)中，P

17、WM輸出信號的值（占空比）是決定電機轉速的關鍵。單片機靠識別按鍵P1.3與P1.4輸入的低電平信號來控制PWM 輸出信號的值，電機轉速從低速（幾乎0轉速）到最大值共分8級調速。每按下一次P1.3鍵，PWM的占空比值遞加一次，直至最大轉速；每按下一次P1.4鍵，PWM 值遞減一次，直至轉速為零。 本文運用MSP430G2553定時器Timer_A的比較模式以及中斷功能。采用比較輸出模式7，每次TA計數(shù)值計至TACCRx時，TAx管腳會自動置低，當TA計至TACCR0時，TA管腳會自動至高，輸出的波形就是調制PWM方波。改變TACCR0的值即可改變PWM的周期，改變TACCRx的值即可改變從TAx

18、管腳輸出信號的占空比，TACCRx越大，占空比越大。本文設置P1.2與P1.6為PWM波形輸出管腳，設置P1.3與P1.4為按鍵，通過按鍵改變PWM波的占空比，P1.3按鍵控制增加它的正占空比，P1.4按鍵控制減小它的正占空比，P1.2輸出方波信號，用示波器來觀察波形的變化情況。并且觀察P1.6燈的變化情況。其實物展示圖見圖5-10所示。圖5 PWM波占空比為12.43%時的電機運動狀態(tài)由圖5可知，從示波器中可以讀出當PWM方波占空比為12.43%時，電機運動的速度很低，可以看出此時電機處于剛好運轉的臨界狀態(tài)，即第1級調速狀態(tài)，并且此時P1.6引腳連接的LED燈亮度很低。圖6 PWM波占空比為

19、37.47%時的電機運動狀態(tài)連續(xù)按P1.3按鍵兩次，增加P1.2與P1.6管腳輸出PWM方波的占空比，由圖6可知，從示波器中可以讀出當PWM方波占空比為37.47%時，電機運動的速度變高，可以看出此時電機處于低速運轉的狀態(tài)即第3級調速狀態(tài)，并且此時P1.6引腳連接的LED燈亮度增加。圖7 PWM波占空比為50%時的電機運動狀態(tài)繼續(xù)按P1.3按鍵增加P1.2與P1.6管腳輸出PWM方波的占空比，由圖7可知，從示波器中可以讀出當PWM方波占空比為50%時，電機運動的速度變高，可以看出此時電機處于中速運轉的狀態(tài)，即第4級調速狀態(tài)，并且此時P1.6引腳連接的LED燈亮度增加。圖8 PWM波占空比為87

20、.57%時的電機運動狀態(tài)連續(xù)按P1.3按鍵兩次，增加P1.2與P1.6管腳輸出PWM方波的占空比，由圖8可知，從示波器中可以讀出當PWM方波占空比為87.57%時，電機運動的速度變高，可以看出此時電機處于高速運轉的狀態(tài)，即第7級調速狀態(tài)，并且此時P1.6引腳連接的LED燈亮度增加。圖9 PWM波占空比為74.93%時的電機運動狀態(tài)此時按P1.4按鍵減小P1.2與P1.6管腳輸出PWM方波的占空比，由圖9可知，從示波器中可以讀出當PWM方波占空比為74.93%時，電機運動的速度變低，可以看出此時電機處于中高速運轉的狀態(tài)，即第6級調速狀態(tài)，并且此時P1.6引腳連接的LED燈亮度降低。圖10 PWM

21、波占空比為62.53%時的電機運動狀態(tài)此時繼續(xù)按P1.4按鍵減小P1.2與P1.6管腳輸出PWM方波的占空比，由圖10可知，從示波器中可以讀出當PWM方波占空比為62.53%時，電機運動的速度變低，可以看出此時電機處于第5級調速運轉的狀態(tài)，并且此時P1.6引腳連接的LED燈亮度降低。7 性能評估系統(tǒng)在試驗的過程中，采用軟件實現(xiàn)了占空比可調，如圖11所示為占空比為50% 的PWM波形圖，波形穩(wěn)定可靠，試驗中能靈活改變占空比，電機的轉速可從低速到最大值分為8級調速，具有很寬的調速范圍。圖11 單片機輸出PWM波形圖MSP430單片機的指令周期僅為125ns，工作速度快，通過實時計算來產(chǎn)生PWM波，

22、算法靈活。采用軟件實現(xiàn)小到的死區(qū)時間，可以靈活的調整死區(qū)時間。公式如下：式中為死區(qū)時間，為定時器的時鐘周期，為捕獲/比較寄存器的差值。常采用的生成PWM波方法有3 種：一是完全由模擬電路生成；二是由數(shù)字電路生成；三是由專用集成芯片生成。模擬方法電路復雜，硬件太多，抗干擾性能差，有溫漂現(xiàn)象，系統(tǒng)可靠性低；數(shù)字方法按照不同的數(shù)字模型用計算機算出各切換點，將其存入內存，然后通過查表及必要的計算產(chǎn)生PWM波，該方法調頻范圍不寬。輸出的PWM波1/4 軸不對稱，會產(chǎn)生偶次諧波，低頻區(qū)尤其嚴重；由專用集成芯片生成PWM 波的技術近年來被廣泛采用，常用的有HEF4752，SLE4520，MA818，MA82

23、8，MA838 和MITEL公司研制的三相、單相PWM 產(chǎn)生器SA828，SA838系列芯片。它們多與微處理器連接，完成外圍控制功能，但在系統(tǒng)構成上仍然較復雜，成本高。與上述方法相比，本系統(tǒng)的優(yōu)點是顯而易見的。MSP430單片機是一種新型的單片機，具有超低功耗和適應工業(yè)應用的特點，用美國TI公司生產(chǎn)的MSP430系列單片機設計的直流電機的PWM調速系統(tǒng)結構簡單，易于維護，性能價格比高，因而具有實用價值。8 總結思考本作品是以MSP430G2系列Launchpad開發(fā)平臺為核心板，配上直流電機，以及自己設計的直流電機驅動模塊，軟件設計等等，利用單片機產(chǎn)生的PWM波的占空比的大小來調節(jié)直流電機的轉

24、速，本作品的特點是穩(wěn)定性方面，采用了加速曲線的措施實現(xiàn)了較快的轉速，同時保證系統(tǒng)的運行穩(wěn)定。當然同時也發(fā)現(xiàn)了一些硬件和軟件方面的問題，比如如果用TA中斷來代替延時，程序就用跑飛，而用空循環(huán)就可以正常運行；再比如同樣的程序，用IAR集成開發(fā)工具下載調試，電機就可以正常轉動，而用CCS卻不行。參考文獻1 胡大可. MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機M . 北京: 北京航空航天大學出版社, 2001.2 左玉蘭,馬宗龍. 直流電機調速系統(tǒng)的單片機控制 J . 集成電路應用, 1999.3 王福瑞. 單片微機測控系統(tǒng)設計大全 M . 北京: 北京航空航天大學出版社, 1999.4 陳國呈. PWM變頻調速技術.北京：機械工業(yè)出版社，1998 5 MSP430G2553 Data Sheet.6 童詩白,華成英. 模擬電子技術基礎（第四版）,清華大學出版社,2006.01 附錄/程序清單#include msp430g2553.hvoid Timer_A0_init()TA0CTL=TASSEL_2+TACLR+MC_1;/Timer_A計數(shù)器的時鐘源選擇輔助時鐘SMCLK，選擇增計