基于MSP430G2553单片机的直流电机PWM调速专业系统设计.doc

目录
1 引言 2
2 MSP430 介绍 3
3 脉宽调制（PWM）基础原理 3
4 硬件设计 4
4.1 电源模块设计 4
4.2电机控制系统方案设计 4
4.2 调速系统硬件电路设计 5
5 软件设计 6
5. 1 MSP430 指令集和编译软件特点 6
5. 2 整个系统软件设计思想 7
5.3 整个系统程序设计步骤图 7
6 硬件调试 8
7 性能评定 12
8 总结思索 13
参考文件 13
附录 14
摘要
电机控制系统是数控火焰切割机自动调高器中关键部件。提出了自动调高器中电机控制系统方案，设计了基于单片机PWM 直流电机控制硬件电路，指出了本系统软件设计需处理关键问题，并设计了对应控制软件。该系统设计了一个实用新型切割机自动调高系统，很好地处理了电机转动惯性对调高精度影响。
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机电设备，作为型材加工关键设备之一，它是集数控技术、计算机软、硬件等技术为一体高科技产品，在工业生产中发挥着关键作用。数控切割机在切割钢板过程中，因为钢板高低不平或倾斜等其它原因会影响加工质量，为提升加工精度和质量，切割过程中需要高性能自动调高器来确保割嘴到钢板之间高度恒定。电机控制系统用于实时调整割炬高度，是自动调高器中关键部件。
直流电机因为含有速度控制轻易，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。直流电动机转速控制方法可分为两类，即励磁控制法和电枢电压控制法。励磁控制法控制磁通，其控制功率即使小，但低速时受到磁饱和限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度限制；而且因为励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以常见控制方法是改变电枢端电压调速电枢电压控制法。调整电阻R 即可改变端电压，达成调速目标。但这种传统调压调速方法效率低。
伴随电力电子技术进步，发展了很多新电枢电压控制方法，其中PWM是常见一个调速方法。其基础原理是用改变电机电枢（定子）电压接通和断开时间比（占空比）来控制马达速度，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。只要根据一定规律改变通、断电时间，即可使电机速度达成并保持一稳定值。最近几年来，伴随微电子技术和计算机技术发展及单片机广泛应用，使调速装置向集成化、小型化和智能化方向发展。在单片机控制脉宽调速系统中，占空比D 产生能够由定时器或延时软件来产生。MSP430 单片机定时器能够产生PWM 方波输出，将它用于直流电机脉宽调速系统是个很好方案。
2 MSP430 介绍
德州仪器企业MSP430系列单片机是一个超低功耗微处理器，含有以下特点：（1）功耗低，经典功耗是：2.2V时钟频率1MHz时，活动模式为200，关闭模式时仅为0.1，且含有5 种节能工作方法。（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 单片机实施速度高于经典8位单片机20MHz 时钟频率时实施速度。（3）低电压供电、宽工作电压范围：1.8V~ 3.6V。（4）灵活时钟系统( 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）含有串行在线编程能力。（7）强大中止功效。（8） 唤醒时间短，从低功耗模式下唤醒仅需6。（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、家庭自动化等领域应用较为普遍。
MSP43016位定时器中止可用于事件计数，时序发生，PWM等，是应用于工业控制理想配置。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含有锁相环，当XTALT2 没有提供时，系统依靠DCO 运行，整个时钟配置能够经过DCOCTL、BCSCTL1、BCSCTL2和SR等控制寄存器中对应位来选择和控制以满足用户对系统要求。不一样型号单片机存放器容量和外围模块各不相同，使用者能够依据需要具体选择适应工业级应用环境，它运行环境温度范围为，所设计产品适合运行于工业环境下。
3 脉宽调制（PWM）基础原理
若把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N个相互相连脉冲所组成波形。这些脉冲宽度相等，全部等于，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲幅值按正弦规律改变。假如把上述脉冲序列用一样数量等幅而不等宽矩形脉冲序列替换，使矩形脉冲中点和对应正弦等分中点重合，且使矩形脉冲和对应正弦部分面积（即冲量）相等，就得到一组脉冲序列，这就是PWM波形。能够看出，各脉冲宽度是按正弦规律改变。依据冲量相等效果相同原理，PWM波形和正弦半波是等效。对于正弦负半周，也能够用一样方法得到PWM波形。
在PWM波形中，各脉冲幅值是相等，要改变等效输出正弦波幅值时，只要按同一百分比系数改变各脉冲宽度即可，所以在交-直-交变频器中，整流电路采取不可控二极管电路即可，PWM逆变电路输出脉冲电压就是直流侧电压幅值。依据上述原理，在给出了正弦波频率，幅值和半个周期内脉冲数后，PWM波形各脉冲宽度和间隔就能够正确计算出来。根据计算结果控制电路中各开关器件通断，就能够得到所需要PWM波形。
在PWM调整负载功率过程中，负载断开时晶体管无电流经过，不发烧。负载接通时晶体管饱和，即使经过有较大电流，但压降很小，发烧功率也很低。所以使用PWM控制负载时，开关器件总发烧量很小。相比于串联耗散式调整方法，效率会高很多，适合大功率，高效率负载调整应用。但PWM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场所。
4 硬件设计
4.1 电源模块设计
首先因为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，其仿真电路以下图1所表示。

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
从传感器输出直流电压信号V2 是钢板和割炬之间距离（dx）函数，用另一个直流电压信号V1（它是设定高度函数）来表示设定高度，然后把这两个直流电压信号值相减，依据减得结果来控制直流电机运动。据此思绪设计系统方案图2 所表示。V1 和V2首先经过放大滤波电路输出适宜幅值而且稳定电压信号给A/D 电路，由A/D 电路分别采集以后送给单片机控制电路处理，依据处理结果经过光电隔离控制H 桥直流电机运动。

图2 控制系统电路方案图
4.2 调速系统硬件电路设计
基于MSP430系列单片机上述特点，本文设计一个图3所表示直流电机PWM调速系统。该系统充足利用了MSP430G2553单片机工业级特点和16位定时器Timer_A比较模块功效实现PWM波形输出功效，经过按键改变占空比，P1.3按键控制增加它正占空比，P1.4按键控制减小它正占空比，P1.2输出方波信号，用示波器来观察波形改变情况。而且观察P1.6管脚连接直流电机转速改变情况，实现直流电机PWM调速。

图3 直流电机PWM调速系统
图3中电路所表示，系统关键由MSP430G2553微控制器、直流电机、驱动及保护电路组成。其中MSP430微控制器是整个调速系统关键。下面分别叙述它们工作原理。
在MSP430G2553微控制器为关键控制系统中，当P1.3、P1.4任何一个输入处于逻辑低状态时，电路轮番检测两个输入按键而且增加或降低Timer_A捕捉/比较寄存器CCR1，软件检验寄存器值以确保它不超出寄存器所保持最大值和最小值, 所以可预防翻转。Timer_A作为SMCLK时钟源被设置为上升模式，输出模式7且输出单元1，能够在P1.2和P1.6管脚产生PWM方波输出。CCR0值置为8000以定义Timer_A可计数到8000，改变CCR1值能够改变Timer_A产生PWM信号占空比。PWM 信号用于GT8J101。
DCO置于5MHz可产生20KHzPWM信号，所以许可电机运行而不会产生任何可听到PWM噪声。注意在图1中，电路没有连接到MSP430晶振。数控震荡器( DCO) 频率伴随温度和电压改变，PWM信号频率是基于DCO频率，所以它也伴随改变。而占空比是一设定好比值和频率无关，所以PWM信号导通和关断时间成百分比改变。所以，甚至当DCO频率改变时，电机平均电压也不变。假如需要一固定PWM频率，可在电路中加晶振。
IGBT元件GT8J101起驱动放大作用于直流电机，伴随占空比改变，电机平均电压也改变。正是这平均电压改变来控制电机转速，电机转速能从低速到最大值分8级调速。
在直流电机两端接反向二极管起到保护作用。光耦TLP521—1将控制电路和主电路隔离开，预防主电路对单片机造成冲击，确保单片机正常工作。
5 软件设计
5. 1 MSP430 指令集和编译软件特点
MSP430内核CPU结构是根据精简指令集和高透明指令宗旨来设计，使用指令有硬件实施内核指令和基于现有硬件结构高效率仿真指令。仿真指令使用内核指令及芯片额外配置常数发生器CG1、CG2。MSP430指令寻址方法包含立即寻址、索引寻址、符号寻址和绝对寻址。这4种方法均可用于源操作数，而索引符号和绝对寻址方法只可用于目标操作数。源操作数指令集需占用代码存放器中1~3个字。CPU中包含16个寄存器用于缩短指令实施时间，能够在一个时钟周期内完成寄存器和寄存器间操作。其中4个寄存器用作特殊用途：一个程序计数器，一个堆栈指针，一个状态寄存器和一个常数发生器。其它寄存器全部能够用作通用寄存器。采取寄存器—寄存器结构指令体系，提供一个很强大汇编语言。
MSP430系列单片机能够利用TI企业CCS编译，直接下载至片内FLASH 内存脱机运行，整个用户界面友好，调试过程中能够在上层软件中看到各寄存器内容，并在线修改，支持单步运行，在线观察定义各个变量实时值，采取把全部相关文件放入一个项目中组织方法，编译运行时软件会自动将文件按内在联络自动组合在一起，支持汇编和C语言编程。追求效率用户可自由选择只有27 条精简指令汇编语言直接实现对寄存器控制，通常用户能够选择C编程，TIC含有以下特点：
( 1) 和ANSI 规格一致。
( 2) 有可应用于嵌入式系统标准函数库，含有可选择源代码。
( 3) IEEE 兼容浮点算法。
( 4) 用户代码可和汇编子程序连接。
( 5) 快速编译性能，代码优化，灵活变量分配和可移植性能，易于了解犯错和警告信息。
这些全部将大大缩短开发周期，降低开发难度，能够说MSP430 软件使用是相当简练、方便、高效。
5. 2 整个系统软件设计思想
在单片机控制系统中，PWM输出信号值（占空比）是决定电机转速关键。单片机靠识别按键P1.3和P1.4输入低电平信号来控制PWM 输出信号值，电机转速从低速度到最大值分8级调速。每按下一次P1.3键，PWM值递加一次，直至最大转速；每按下一次P1.4键，PWM 值递减一次，直至转速为零。整个程序由主程序、初始化子程序、延时子程序等组成。
5.3 整个系统程序设计步骤图
初始化程序完成设置看门狗为停止，设置DCO为高频，设置p1.2和P1.6为PWM输出,设置P1.3、P1.4为输入,设置Timer A 为上升模式、输出模式为7 输出PWM波，经过按键改变占空比，改变PWM波形。其程序步骤图见图4所表示。

图4 整个系统程序设计步骤图
6 硬件调试
在单片机控制系统中，PWM输出信号值（占空比）是决定电机转速关键。单片机靠识别按键P1.3和P1.4输入低电平信号来控制PWM 输出信号值，电机转速从低速（几乎0转速）到最大值共分8级调速。每按下一次P1.3键，PWM占空比值递加一次，直至最大转速；每按下一次P1.4键，PWM 值递减一次，直至转速为零。
本文利用MSP430G2553定时器Timer_A比较模式和中止功效。采取比较输出模式7，每次TA计数值计至TACCRx时，TAx管脚会自动置低，当TA计至TACCR0时，TA管脚会自动至高，输出波形就是调制PWM方波。改变TACCR0值即可改变PWM周期，改变TACCRx值即可改变从TAx管脚输出信号占空比，TACCRx越大，占空比越大。本文设置P1.2和P1.6为PWM波形输出管脚，设置P1.3和P1.4为按键，经过按键改变PWM波占空比，P1.3按键控制增加它正占空比，P1.4按键控制减小它正占空比，P1.2输出方波信号，用示波器来观察波形改变情况。而且观察P1.6灯改变情况。其实物展示图见图5-10所表示。

图5 PWM波占空比为12.43%时电机运动状态
由图5可知，从示波器中能够读出当PWM方波占空比为12.43%时，电机运动速度很低，能够看出此时电机处于刚好运转临界状态，即第1级调速状态，而且此时P1.6引脚连接LED灯亮度很低。

图6 PWM波占空比为37.47%时电机运动状态
连续按P1.3按键两次，增加P1.2和P1.6管脚输出PWM方波占空比，由图6可知，从示波器中能够读出当PWM方波占空比为37.47%时，电机运动速度变高，能够看出此时电机处于低速运转状态即第3级调速状态，而且此时P1.6引脚连接LED灯亮度增加。

图7 PWM波占空比为50%时电机运动状态
继续按P1.3按键增加P1.2和P1.6管脚输出PWM方波占空比，由图7可知，从示波器中能够读出当PWM方波占空比为50%时，电机运动速度变高，能够看出此时电机处于中速运转状态，即第4级调速状态，而且此时P1.6引脚连接LED灯亮度增加。

图8 PWM波占空比为87.57%时电机运动状态
连续按P1.3按键两次，增加P1.2和P1.6管脚输出PWM方波占空比，由图8可知，从示波器中能够读出当PWM方波占空比为87.57%时，电机运动速度变高，能够看出此时电机处于高速运转状态，即第7级调速状态，而且此时P1.6引脚连接LED灯亮度增加。

图9 PWM波占空比为74.93%时电机运动状态
此时按P1.4按键减小P1.2和P1.6管脚输出PWM方波占空比，由图9可知，从示波器中能够读出当PWM方波占空比为74.93%时，电机运动速度变低，能够看出此时电机处于中高速运转状态，即第6级调速状态，而且此时P1.6引脚连接LED灯亮度降低。

图10 PWM波占空比为62.53%时电机运动状态
此时继续按P1.4按键减小P1.2和P1.6管脚输出PWM方波占空比，由图10可知，从示波器中能够读出当PWM方波占空比为62.53%时，电机运动速度变低，能够看出此时电机处于第5级调速运转状态，而且此时P1.6引脚连接LED灯亮度降低。
7 性能评定
系统在试验过程中，采取软件实现了占空比可调，图11所表示为占空比为50% PWM波形图，波形稳定可靠，试验中能灵活改变占空比，电机转速可从低速到最大值分为8级调速，含有很宽调速范围。

图11 单片机输出PWM波形图
MSP430单片机指令周期仅为125ns，工作速度快，经过实时计算来产生PWM波，算法灵活。采取软件实现小到死区时间，能够灵活调整死区时间。公式以下：

式中为死区时间，为定时器时钟周期，为捕捉/比较寄存器差值。
常采取生成PWM波方法有3 种：一是完全由模拟电路生成；二是由数字电路生成；三是由专用集成芯片生成。模拟方法电路复杂，硬件太多，抗干扰性能差，有温漂现象，系统可靠性低；数字方法根据不一样数字模型用计算机算出各切换点，将其存入内存，然后经过查表及必需计算产生PWM波，该方法调频范围不宽。输出PWM波1/4 轴不对称，会产生偶次谐波，低频区尤其严重；由专用集成芯片生成PWM 波技术多年来被广泛采取，常见有HEF4752，SLE4520，MA818，MA828，MA838 和MITEL企业研制三相、单相PWM 产生器SA828，SA838系列芯片。它们多和微处理器连接，完成外围控制功效，但在系统组成上仍然较复杂，成本高。和上述方法相比，本系统优点是显而易见。
MSP430单片机是一个新型单片机，含有超低功耗和适应工业应用特点，用美国TI企业生产MSP430系列单片机设计直流电机PWM调速系统结构简单，易于维护，性能价格比高，所以含有实用价值。
8 总结思索
本作品是以MSP430G2系列Launchpad开发平台为关键板，配上直流电机，和自己设计直流电机驱动模块，软件设计等等，利用单片机产生PWM波占空比大小来调整直流电机转速，本作品特点是稳定性方面，采取了加速曲线方法实现了较快转速，同时确保系统运行稳定。当然同时也发觉了部分硬件和软件方面问题，比如假如用TA中止来替换延时，程序就用跑飞，而用空循环就能够正常运行；再比如一样程序，用IAR集成开发工具下载调试，电机就能够正常转动，而用CCS却不行。
参考文件
[1] 胡大可. MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机[M] . 北京: 北京航空航天大学出版社, .
[2] 左玉兰,马宗龙. 直流电机调速系统单片机控制[ J] . 集成电路应用, 1999.
[3] 王福瑞. 单片微机测控系统设计大全[ M] . 北京: 北京航空航天大学出版社, 1999.
[4] 陈国呈. PWM变频调速技术.北京：机械工业出版社，1998
[5] MSP430G2553 Data Sheet.
[6] 童诗白,华成英. 模拟电子技术基础（第四版）,清华大学出版社,.01
附录
//程序清单
#include "msp430g2553.h"
void Timer_A0_init()
{
TA0CTL=TASSEL_2+TACLR+MC_1;
//Timer_A计数器时钟源选择辅助时钟SMCLK，选择增计数模式
TA0CCTL1=OUTMOD_7;//选择比较模式7
TA0CCR0=8000; //设置TA0CCR0初始值为8000
TA0CCR1=1000; //设置TA0CCR1初始值为1000，(CCR1/CCR0)代表占空比
}
void main( void )
{
WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;//关闭看门狗
P1DIR|=BIT2+BIT6; //设置P1.2和P1.6为输出方向
P1SEL|=BIT2+BIT6; //P1.2和P1.6作为PWM输出
P1DIR&=~(BIT3+BIT4); //P1.3和p1.4作为输入，按键改变PWM占空比
P1OUT|=(BIT3+BIT4);//P1.3和p1.4上拉输入
P1REN|=(BIT3+BIT4); //P1.3和p1.4上拉电阻使能
Timer_A0_init();
while(1)
{
if (!(P1IN&BIT3)) //判定P1.3按键是否按下
{
_delay_cycles(10000);//延时消抖
if (!(P1IN&BIT3)) //判定P1.3按键是否按下
{
if (CCR1>=8000) CCR1=1000;//假如CCR1>=8000,CCR1赋值为1000
else CCR1+=1000;//不然CCR1=CCR1+1000
}
while(!(P1IN&BIT3)); //判定P1.3按键是否按下
_delay_cycles(10000);//延时
}
if (!(P1IN&BIT4)) //判定P1.4按键是否按下
{
_delay_cycles(10000);//延时消抖
if (!(P1IN&BIT4)) //判定P1.4按键是否按下
{
if (CCR1<=1000) //假如CCR1<=1000,CCR1赋值为1000
CCR1=8000;
else CCR1-=1000; //不然，CCR1=CCR1-1000
}
while(!(P1IN&BIT4)); //判定P1.4按键是否按下
_delay_cycles(10000); //延时
}
}
}