发布时间 : 星期日 文章李江基于MSP430G2553单片机的直流电机PWM调速系统设计 - 图文更新完毕开始阅读
目录
1 引言............................................................................................................................ 1 2 MSP430 简介............................................................................................................. 2 3 脉宽调制（PWM）基本原理 .................................................................................. 2 4 硬件设计.................................................................................................................... 3
4.1 电源模块设计.................................................................................................. 3 4.2电机控制系统方案设计................................................................................... 3 4.2 调速系统硬件电路设计.................................................................................. 4 5 软件设计.................................................................................................................... 5
5. 1 MSP430 指令集和编译软件的特点.............................................................. 5 5. 2 整个系统的软件设计思想............................................................................. 6 5.3 整个系统的程序设计流程图.......................................................................... 6 6 硬件调试.................................................................................................................... 7 7 性能评估.................................................................................................................. 11 8 总结思考.................................................................................................................. 12 参考文献...................................................................................................................... 12 附录.............................................................................................................................. 13
摘要
电机控制系统是数控火焰切割机自动调高器中的关键部件。提出了自动调高器中电机控制系统的方案，设计了基于单片机的PWM 直流电机控制硬件电路，指出了本系统软件设计需解决的关键问题，并设计了相应的控制软件。该系统设计了一种实用新型的切割机自动调高系统，较好地解决了电机转动惯性对调高精度的影响。
关键词：自动调高器；直流电机；单片机；PWM
1 引言
数控切割机是对金属板材下料的机电设备，作为型材加工的关键设备之一，它是集数控技术、计算机软、硬件等技术为一体的高科技产品，在工业生产中发挥着重要的作用。数控切割机在切割钢板的过程中，由于钢板高低不平或者倾斜等其它原因会影响加工质量，为提高加工的精度和质量，切割过程中需要高性能的自动调高器来保证割嘴到钢板之间高度的恒定。电机控制系统用于实时调整割炬高度，是自动调高器中的关键部件。
直流电机由于具有速度控制容易，启、制动性能良好，且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工等工业部门中得到广泛应用。直流电动机转速的控制方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制，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。所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。调节电阻R 即可改变端电压，达到调速目的。但这种传统的调压调速方法效率低。
随着电力电子技术的进步，发展了许多新的电枢电压控制方法，其中PWM是常用的一种调速方法。其基本原理是用改变电机电枢（定子）电压的接通和断开的时间比（占空比）来控制马达的速度，在脉宽调速系统中，当电机通电时，其速度增加；电机断电时，其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持一稳定值。最近几年来，随着微电子技术和计算机技术的发展及单片机的广泛应用，使调速装置向集成化、小型化和智能化方向发展。在单片机控制的脉宽调速系统中，占空比D 的产生可以由定时器或延时软件来产生。MSP430 单片机的定时器可以产生PWM 方波输出，将它用于直
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流电机的脉宽调速系统是个很好的方案。
2 MSP430 简介
德州仪器公司的MSP430系列单片机是一种超低功耗微处理器，具有如下特点：（1）功耗低，典型功耗是：2.2V时钟频率1MHz时，活动模式为200?A，关闭模式时仅为0.1?A，且具有5 种节能工作方式。（2）高效16 位RISC-CPU，27条指令，8MHz 时钟频率时，指令周期时间125ns，绝大多数指令一个时钟周期完成；32kHz 时钟频率时，16位MSP430 单片机的执行速度高于典型的8位单片机20MHz 时钟频率时的执行速度。（3）低电压供电、宽工作电压范围：1.8V~ 3.6V。（4）灵活的时钟系统( 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6?s。（9）ESD保护，抗干扰力强。基于以上特点，该系列单片机在便携式仪表、智能传感器、实用检测仪器、电机控制、家庭自动化等领域的应用较为普遍。
MSP430的16位定时器中断可用于事件计数，时序发生，PWM等，是应用于工业控制的理想配置。如纹波计数器、数字化电机、控制电表和手持式仪表等。DCO为单片机系统提供一个内部时钟源并具有锁相环，当XTALT2 没有提供时，系统依靠DCO 运行，整个时钟配置可以通过DCOCTL、BCSCTL1、BCSCTL2和SR等控制寄存器中相应的位来选择和控制以满足用户对系统的要求。不同型号单片机的存储器容量和外围模块各不相同，使用者可以根据需要具体选择适应工业级应用环境，它的运行环境温度范围为?40~85?C，所设计的产品适合运行于工业环境下。
3 脉宽调制（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个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于?N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（即冲量）相等，就得到一
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组脉冲序列，这就是PWM波形。可以看出，各脉冲宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。
在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可，因此在交-直-交变频器中，整流电路采用不可控的二极管电路即可，PWM逆变电路输出的脉冲电压就是直流侧电压的幅值。根据上述原理，在给出了正弦波频率，幅值和半个周期内的脉冲数后，PWM波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。
在PWM调整负载功率的过程中，负载断开时晶体管无电流通过，不发热。负载接通时晶体管饱和，虽然通过有较大电流，但压降很小，发热功率也很低。所以使用PWM控制负载时，开关器件的总发热量很小。相比于串联耗散式的调整方法，效率会高很多，适合大功率，高效率的负载调整应用。但PWM的缺点是负载功率高频波动很大，不适合要求输出平稳无纹波要求的场合。
4 硬件设计
4.1 电源模块设计
首先由于本项目实现需要电源模块供电，故设计了电源模块为硬件调速系统供电，该电路已经仿真测试合格，其仿真电路如下图1所示。
图1 硬件调速系统供电电源设计仿真图
4.2电机控制系统方案设计
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