【文章內(nèi)容簡介】 (兩個外部時鐘和一個內(nèi)部時鐘 )。 （ 5） 低時鐘頻率可實(shí)現(xiàn)高速通信。 （ 6） 具有 串行在線編程能力。 （ 7） 強(qiáng)大的中斷功能 。 （ 8） 喚醒時間短 ,從低功耗模式下喚醒僅需 6μ s。 （ 9） ESD 保護(hù)，抗干擾力強(qiáng)。 直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu) 直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖 21；其主要結(jié)構(gòu)為：主磁極、機(jī)座、換向極、端蓋、電刷裝置、電樞鐵心、電樞繞組、換向器、磁系統(tǒng)。 7 （ 1轉(zhuǎn)子軸承 2滑環(huán) 3換向器電刷 4磁系統(tǒng) 5電樞 6磁系統(tǒng)軸承 7外軸 8內(nèi)軸 9磁繞組 10殼體 11換向器 12滑環(huán)電刷） 圖 21 電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖 直流電動機(jī)的調(diào)速方式 1. 改變電樞回路 電阻調(diào)速 各種直流電動機(jī)都可以通過改變電樞回路電阻來調(diào)速 ， 這種調(diào)速方法為有級調(diào)速，調(diào)速比一般約為 2:1左右，轉(zhuǎn)速變化率大，輕載下很難得到低速，效率低，故現(xiàn)在已極少采用。 2. 改變電樞電壓調(diào)速 變電樞電壓調(diào)速 有 兩種方法 ： 一種是采用發(fā)電機(jī) 電動機(jī)組供電的調(diào)速系統(tǒng) ；另一種是采用晶閘管變流器供電的調(diào)速系統(tǒng)。 這種方法可 連續(xù)改變電樞供電電壓，使直流電動機(jī)在很寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速 ，是 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的一種調(diào)速方法。 在此方法中，由于電動機(jī)在任何轉(zhuǎn)速下磁通都不變，只是改變電動機(jī)的供電電壓，因而在額定電流下 ，如果不考慮低速下通風(fēng)惡化的影響（也就是假定電動機(jī)是強(qiáng)迫通風(fēng)或?yàn)榉忾]自冷式），則不論在高速還是低速下，電動機(jī)都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，故稱這種調(diào)速方法為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。這是它的一個極為重要的特點(diǎn)。如果采用反饋控制系統(tǒng)，調(diào)速范圍可達(dá) 50:1～ 150:1， 甚至更大。 3. 采用大功率半導(dǎo)體器件的直流電動機(jī)脈寬調(diào)速方法 [7] 脈寬調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)的歷史久遠(yuǎn)，但因缺乏高速大功率開關(guān)器件而未能及時在生產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用。今年來，由于大功率晶體管 (GTR)，特別是 IGBT 功率器件的制造工藝成熟、成本不斷下降，大功率半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)的直流 電動機(jī)脈寬調(diào)速基于 MSP430 的直流電機(jī) PWM 調(diào)速雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計 8 系統(tǒng)才獲得迅猛發(fā)展，目前其最大容量已超過幾十兆瓦數(shù)量級 。 4. 改變勵磁電流調(diào)速 這種調(diào)速方法 又稱 恒功率調(diào)速 ，在低速時受到磁極飽和的限制 , 高速時受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制 , 而且由于勵磁線圈電感較大 , 動態(tài)響應(yīng)較差；因此， 為了使電動機(jī)的容量能得到充分利用，通常只是在電動機(jī)基速以上調(diào)速時才采用 ，在 采用弱磁調(diào)速時的范圍一般為 :1～ 3:1，特殊電動機(jī)可達(dá)到 5:1；不過 這種調(diào)速電路實(shí)現(xiàn)很簡單，只要在勵磁繞組上加一個獨(dú)立可調(diào)的電源供電即可實(shí)現(xiàn) 。 9 3 直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)組成原理圖 基于 MSP430系列單片機(jī)的特點(diǎn)，直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) [8]電路原理如圖 31所示，調(diào)速系統(tǒng)包括 MSP430F2619 單片機(jī)上位機(jī)、液晶轉(zhuǎn)速顯示屏、光耦 TLP521反相器、光耦 TLP5212 、直流電機(jī)驅(qū)動芯片 L298 直流電動機(jī)、測速發(fā)電機(jī)、電流濾波電路、電流調(diào)理電路、轉(zhuǎn)速濾波電路和轉(zhuǎn)速調(diào)理電路。 ` 圖 31 雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)電路原理圖 MSP430F2619 單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心， MSP430F2619 通過片內(nèi)外設(shè)與上位機(jī)串行通信獲得直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的給定值和轉(zhuǎn)速方向等相關(guān)信息；利用片內(nèi)資源驅(qū)動 LCD 顯示直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向等信息； MSP430F2619 通過 和 分別采集直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋值和電流反饋值，由內(nèi)部 12 位 A/D 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換值與給定值進(jìn)行代數(shù)和運(yùn)算，偏差作為數(shù)字 PI 控制器的輸入。 MSP430F2619 通過 輸出 PWM 波經(jīng)過光耦 TLP5211 隔離和反相器求反后送給電機(jī)驅(qū)動芯片 L298 的使能端 ENA，控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 MSP430F2619 的 和 端口輸出值經(jīng)光耦 TLP5212 隔離后送給電機(jī)驅(qū)動芯片 L298 的 IN1 和 IN2 端口，以確定直流電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)方向。 MSP430F2619 上位機(jī) 轉(zhuǎn)速 顯示 TLP5211 TLP5212 反相器 ENA IN1 IN2 L298 M TG 轉(zhuǎn)速調(diào) 理電路 電流調(diào) 理電路 電流濾波 電路 轉(zhuǎn)速濾波 電路 基于 MSP430 的直流電機(jī) PWM 調(diào)速雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計 10 外圍電路介紹 (1)光耦隔離電路：在單片機(jī)系統(tǒng)中為提高系統(tǒng)的抗干擾性，常采用電氣隔離的方法。本文采用光耦隔離的方法，先把 MSP430 單片機(jī)送給光耦的電信號轉(zhuǎn)換為光信號，再把光信號轉(zhuǎn)換為單片機(jī)系統(tǒng)的電信號，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與外部電路之間的電氣隔離。圖 32 為光耦 TLP5211 實(shí)現(xiàn) MSP430F2619 的 輸出端口與驅(qū)動芯片 L298 的 ENA 口之間電氣隔離的電路圖。 圖 32 TLP5211實(shí)現(xiàn)電氣隔離電路圖 由圖 32知，當(dāng) TLP5211的輸入端 Vin 為高電平時，對應(yīng)的輸出端 Vout 為低電平，因此為了保證 MSP43 的 輸出 PWM 波的極性，在 TLP5211的輸出端接反相器 74HC14 后，再送給電機(jī)驅(qū)動芯片 L298 的輸入使能端 ENA 來驅(qū)動電機(jī)電機(jī)。 (2)驅(qū)動電路：驅(qū)動采用專業(yè)芯片 L298， L298 內(nèi)部有 2 個功能完全相同的 驅(qū)動模塊，每個模塊能控制一個直流電機(jī)調(diào)速，電路圖如圖 33： 11 圖 33 L298電路驅(qū)動圖 本文只用其中的一個模塊，該模塊 3個控制輸入端口 ENA、 IN1 和 IN2 接 PWM波， IN1 和 IN2 用來組合控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，控制輸入端的電平和電機(jī)轉(zhuǎn)動狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系如表 31所示，表中 H 表示控制輸入為高電平， L 表示低電平， X表示高電平或者低電平。 表 31 L298控制信號與直流電機(jī)轉(zhuǎn)向關(guān)系 ENA IN1 IN2 電機(jī)狀態(tài) H H L 正轉(zhuǎn) H L H 反轉(zhuǎn) H H H 快速停止 H L L 快速停止 L X X 自由停止 (3)三相橋式全控整流電路 [9]：電路 由 一組共陰極和一組共陽極 絕緣柵雙極晶體管（ IGBT） 串聯(lián)起來構(gòu)成的。將其按導(dǎo)通順序編號，共陰極的一組為 V V3 和V5，共陽極的一組為 V V4和 V6；此電路即具有 阻抗高、開關(guān)速度快，又有所需驅(qū)動功率小、開關(guān)損耗小、工作頻率高、不需緩沖電路，適用于較高頻率的場合。 三相橋式全控整流電路如圖 34 所示。 基于 MSP430 的直流電機(jī) PWM 調(diào)速雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計 12 圖 34 三相橋式全控整 流電路原理圖 (4)A/D 轉(zhuǎn)換器： 12/14 位 A/D 轉(zhuǎn)換器是字訪問的外圍模塊，其上有 8 個可選模擬輸入通道，也可作為數(shù)字輸入。通過對輸入允許寄存器（ AEN）的相應(yīng)位編程，使數(shù)據(jù)在全部 8個通道或者所選擇的通道上輸入 ,通道上的數(shù)據(jù)可從輸入緩存寄存器（ AIN）讀出，根據(jù)輸出控制寄存器（ ACTL）中的位 11 狀態(tài)（置位 /復(fù)位）， A/D轉(zhuǎn)換器有兩種工作模式，即 14 位或者 12 位，再經(jīng)多路切換進(jìn)入轉(zhuǎn)換器的輸入電路轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在輸出數(shù)據(jù)緩存寄存器（ ADAT）中，并保持到 ACTL 中的開始轉(zhuǎn)換位（ SOC）置位啟動下一次新 的轉(zhuǎn)換時釋放，通過讀取 ADAT 寄存器，結(jié)果將出現(xiàn)在 16位總線上。其結(jié)構(gòu)圖如圖 35 所示。 注意： ? 一次轉(zhuǎn)換在啟動后必須在下一次轉(zhuǎn)換啟動前完成，否則將會產(chǎn)生不可預(yù)測的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。 ? 在轉(zhuǎn)換器上電后，須對 ACTL 寄存器編程，以確定是作比例檢測還是絕對檢測，以及檢測范圍的選擇是非自動的還是自動的。對于非自動模式，檢測范圍位一旦選定，將不可改變，以免使轉(zhuǎn)換結(jié)果失效。 13 圖 35 A/D轉(zhuǎn)換模塊結(jié)構(gòu) (AGND) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 對于經(jīng) 常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng) [10]，利用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有十分明顯的優(yōu)勢。它能充分利用電機(jī)的過載能力，在過渡過程中保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)以最大的加速度啟動，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。 為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌套連接，如圖 36 所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸 出去控制電力電子變換器 UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 基于 MSP430 的直流電機(jī) PWM 調(diào)速雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計 14 i n 給 定 電 壓速 度調(diào) 節(jié) 器電 流調(diào) 節(jié) 器三 相 集 成觸 發(fā) 器三 相全 控 橋直 流電 動 機(jī)電 流檢 測轉(zhuǎn) 速檢 測+Δ Un+n*nU n iU*iU cU dU圖 36 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖 *nU — 轉(zhuǎn)速給定電壓 nU — 轉(zhuǎn)速反饋電壓 *iU — 電流給定電壓 iU — 電流反饋電壓 電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制器設(shè)計 基于 MSP430 的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制原理如圖 37 所示 [11]。 圖 37 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制原理 β n為轉(zhuǎn)速反饋增益，α i為電樞電流反饋增益。轉(zhuǎn)速環(huán)控制器采用比例積分控制器，電流環(huán)采用比例調(diào)節(jié)器。 Un 為轉(zhuǎn)速給定， Un為經(jīng)過測速發(fā)電機(jī)和轉(zhuǎn)