基于TA8429H的小型直流電機調(diào)速控制器設(shè)計

張海東，許忠仁，鮑春光

（遼寧石油化工大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

直流電機由于具有啟動、制動性能良好，能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點，在冶金、機械制造、輕工等部門得到廣泛應(yīng)用，而小型直流電機在日常生活中應(yīng)用得尤其廣泛。文中設(shè)計了一種基于TA8429H的小型直流電機調(diào)速控制器，采用直接測量小型直流電機電動勢，不用外部測速電路的辦法，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量，簡化了電路，降低了功耗。以MSP430單片機作為主處理器，用PWM[1-3]（脈沖寬度調(diào)制）信號控制TA8429H芯片，實現(xiàn)對小型直流電機的調(diào)速。

1 TA8429H芯片簡介

TA8429H芯片是日本東芝公司生產(chǎn)的一款用于電機控制的全橋驅(qū)動芯片，輸出電流為3.0A（平均值）。該芯片具有過熱保護電路和短路保護電路，并具有待機模式。

1.1 TA8429H芯片的特性

1）輸出電流平均值為3.0 A，峰值為4.5 A。

2）具有待機模式，待機電流小于等于100μA。

3）具有過熱保護電路和短路保護電路。

4）具有兩個TTL兼容控制輸入端口，可實現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、制動和停止4種工作模式。

5）配有續(xù)流二極管保護電路。

6）配有一個封裝的HZIP電源。

7）寬泛的工作電壓范圍：Vcc=7~27 V，Vs（opr.）=0~27 V。

1.2 TA8429H的結(jié)構(gòu)

TA8429H芯片的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，主要由控制電路、短路保護電路、過熱保護電路等部分組成。芯片的③，⑤，⑦，⑨引腳不用連接。

圖1 TA8429H的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of TA8429H

1.3 TA8429H芯片的引腳功能

TA8429H芯片的各引腳功能如表1所示。

表1 TA8429H芯片引腳功能Tab.1 Pin fuction of TA8429H

2 控制器硬件設(shè)計

2.1 硬件電路組成

選用MSP430F149作為主處理器。MSP430系列單片機是美國TI（德州儀器）公司開發(fā)的帶有Flash的16位總線超低功耗處理器，其CPU結(jié)構(gòu)是按精簡指令集與高透明的宗旨設(shè)計的，指令的執(zhí)行速度和效率很高，實時處理能力強。MSP430的總線是16位的，外設(shè)與內(nèi)存統(tǒng)一編址，尋址范圍可達64K，且可以擴展外存。MSP430的片上外圍模塊十分豐富，片內(nèi)有硬件乘法器一個、16位定時器兩個、14路12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器一個、看門狗一個、USART通信端口兩路、I/O口6路、比較器一個、DCO內(nèi)部振蕩器一個和外部時鐘兩個，且具有統(tǒng)一的中斷管理。MSP430開發(fā)十分方便，可在線進行調(diào)試和下載。MSP430可在超低功耗模式下工作，可靠性高，完全能滿足工業(yè)級直流電機控制與功能擴展的要求[3-6]。

本設(shè)計采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，硬件電路主要由單片機電路、TA8429H電機驅(qū)動電路、測速電路、電流測量電路、鍵盤和顯示器等部分組成，如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the hardware

2.2 電機驅(qū)動電路

電機驅(qū)動電路采用日本東芝公司生產(chǎn)的用于電機轉(zhuǎn)動控制的全橋驅(qū)動芯片TA8429H。實際使用時引腳①和引腳②接MSP430F149輸出的兩路PWM信號，引腳⑥通過0.1歐電阻接地，引腳④和引腳⑧接在直流電機，引腳⑩接正12 V電壓，引腳1○和引腳12○接正5 V電壓，驅(qū)動電路如圖3所示。

圖3 電機驅(qū)動電路及測量電路Fig.3 Moto driving circuit and measuring circuit

TA8429H根據(jù)輸入的PWM信號的不同，可實現(xiàn)對小型直流電機的運動控制，具體情況如表2所示，其中L表示低電平，H表示高電平。

表2 TA8429H控制信號與直流電機工作狀態(tài)Tab.2 Control signal of TA8429H and working satate of DC moto

2.3 測量電路

因采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，故測量電路包括測速電路和電流測量電路兩部分。

2.3.1 測速電路

傳統(tǒng)的測速電路一般采用直流測速發(fā)電機進行測速，該方法易受溫度、電樞反應(yīng)等因素的影響而使測量結(jié)果出現(xiàn)誤差。因此，本設(shè)計采用一種全新的測速電路，由兩個運算放大器OPA604AP、若干電阻和電容組成，如圖3所示。由運算放 大器和電阻組成的兩個電壓跟隨器接在直流電機的電樞兩端，可測得電機的電樞電壓U，通過公式n為直流電機轉(zhuǎn)速，U－電樞端電壓，I－電樞電流，R－電樞電路總電阻，φ－每極磁通量）計算可得出電機轉(zhuǎn)速，再將測得的信號反饋給單片機內(nèi)部的A/D。該測速電路測量準確且成本低廉。

2.3.2 電流測量電路

電流測量電路由運算放大器OPA604AP、若干電阻和電容組成，如圖3所示，根據(jù)模擬電子技術(shù)相關(guān)知識，計算可得電機的電樞電流I，再將所得信號反饋給單片機內(nèi)部的A/D。

3 控制器軟件設(shè)計

控制器的軟件設(shè)計在美國IAR公司的“IAR Embedded Workbench for MSP430”開發(fā)平臺上進行。該工具為用戶提供了友好的用戶界面和功能強大的調(diào)試系統(tǒng)，十分便于MSP430系列單片機應(yīng)用程序的開發(fā)。控制器工作流程及調(diào)速流程如圖4和圖5所示。

圖4 控制器工作流程圖Fig.4 Workflow chart of controller

圖5 控制器調(diào)速流程圖Fig.5 Speed control flow chart of controller

本設(shè)計采用PWM（脈沖寬度調(diào)制）的方法實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的控制。PWM調(diào)速時，以一個固定的頻率接通和斷開電源，改變一個周期內(nèi)“接通”與“斷開”時間的長短，通過改變直流電機的電樞電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電機的轉(zhuǎn)速。

在鍵盤上輸入數(shù)據(jù)，設(shè)定電機的轉(zhuǎn)速，啟動電機。通過MSP430F149的TimerB輸出PWM方波來實現(xiàn)電機的調(diào)速。將TimerB捕獲/比較模塊的工作模式作為比較模式，輸出模式作為模式7（PWM復(fù)位/置位模式），改變捕獲/比較寄存器CCR1中的數(shù)值即可改變由TimeB產(chǎn)生的PWM方波信號的占空比，改變捕獲/比較寄存器CCR0中的數(shù)值即可改變PWM方波信號的周期。將TimerB輸出的PWM信號傳輸給TA8429H的輸入引腳①和②，通過鍵盤可改變PWM方波的周期與占空比，從而達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。直流電機的實際轉(zhuǎn)速通過測速電路測量再經(jīng)單片機運算處理在顯示器上顯示，便于用戶根據(jù)電機的實際轉(zhuǎn)速來調(diào)整其目標轉(zhuǎn)速。

4 結(jié) 論

基于TA8429H的小型直流電機調(diào)速控制器，采用無外部測速傳感器測量小型直流電機轉(zhuǎn)速的辦法，成本低廉、電路簡單、容易實現(xiàn)。選用MSP430單片機作為控制器的核心，編程方便，功耗低，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。此外，以TA8429H芯片為驅(qū)動電路，可方便地實現(xiàn)小型直流電機的正反向控制和制動，具有較好的應(yīng)用前景。

[1]趙振虎.基于PWM技術(shù)的直流電機控制系統(tǒng)[J].研究與設(shè)計，2012（3）：55－56.ZHAO Zhen-hu.PWM based DC motor control system[J].Research&Design，2012（3）：55－56.

[2]王曉明.電動機的單片機控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[3]張琛，耿標.數(shù)字PID算法與PWM在直流電機調(diào)速中的應(yīng)用[J].科技與生活，2010（11）：12－13.ZHANG Chen，GENG Biao.Digital PID algorithm and PWM in application of speed control of DC moto[J].Technology&Living，2010（11）：12－13.

[4]李小龍，趙麗娟.用MSP430F149單片機實現(xiàn)的直流無刷電機控制器[J].重慶工學(xué)院學(xué)報，2008，22（10）：144－145.LI Xiao-long，ZHAO Li-juan.Realization of brushless DC motor controller with MSP430Signal chip microcontroller[J].Jornal of Chongqing Institute of Technology，2008，22（10）：144－145.

[5]梅莉，葉曉燕.基于MSP430的直流電機PWM調(diào)速控制器設(shè)計[J].中國測試，2010，36（3）：64－65.MEI Li，YE Xiao-yan.Design of MSP430-based PWM speed controller of DC motor[J].China Measurement&Test，2010，36（3）：64－65.

[6]董久敏，陳紅霞，劉陵順.一種直流電動機控制電路的設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2009，17（8）：84－86.DONG Jiu-min，CHEN Hong-xia，LIU Ling-shun.One king of design of DC moto-control circuit[J].Electronic Design Engineering，2009，17（8）：84－86.