DOI:10.13436/j.mkjx.2013.01.026 第 34 2013 卷第 年 01 01 期 月 基于 MSP430 煤 矿 机 械 Coal Mine Machinery Vol.34No.01 Jan. 2013 单片机的直流电动机调速系统的设计* 周子昂 徐 坤 周口师范学院 ， ， 吴定允 ， ， 河南 周口 李向东 466001） （ 摘 要 ： 介绍了以一种超低功耗 16 位混合信号单片机 MSP430F449 作为核心控制芯片，光电 编码器检 测直流电机 转速构 成 速 度 反 馈 ，MSP430F449 的 定 时 器 生 成 PWM， 应 用 功 率 驱 动 芯 片 L298N 构成驱动电路，采用 PID 控制算法，实现了直流电动机转速的闭环控制。 给出了硬件原理图 和相应的软件设计流程。 关键词 中图分类号 ： MSP430 单片机； PWM； 直流电动机； PID ： TM33 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1003 － 0794（2013）01 － 0170 － 02 Design of DC Electromotor Regulating Speed System Based on MSP430 Microcontroller XU Kun， ZHOU Zi-ang， WU Ding-yun， LI Xiang-dong (Zhoukou Normal University, Zhoukou 466001, China) Abstract: This paper introduces MSP430F449 that is a kind of ultralow -power consumption 16 -bit mixed signal microcontroller. The feedback speed is formed by photoelectric encoder. Regulating speed is achieved by PWM. L298N chip is adapted to drive DC electromotor. PID algorithm implements closed- loop control function. The circuit of hardware and corresponding software of the design are also given. Key words: MSP430 microcontroller; PWM; DC Electromotor; PID 硬件原理 1 1.1 系统工作原理 单 片 机 是 MSP430F449 。 系列单片机是 16 基于 。 MSP430 员 近年开始生产的一种 理器 系统的电路原理如图 作 为 核 心 的 单 片 机 模 块 串 行 通 信 模 块 块 等 MSP430F449 、RS232 1 、 。 MSP430 美国德州仪器 家 族 中 的 一 公司 位的超低功耗混合信号处 单片机的直流电动机调速 TI（ ） 所示 包括 以 ： 。 显 示 模 块 MSP430F449 键 盘 模 测 速 模 块 和 驱 动 模 块 、 、LCD ， ， ， 得到偏差量 ：MSP430F449 系 统 工 作 过 程 当采样周期 到来时 单 片 机 作 为 主 控 增量 式光电编 码器构成 通过编码器信号调理 与电机预先设定转速度比 调 信号通过光电 进行功率放大输出 驱动直流 电 制器 的测速模块测得电机的速度 接口电路反馈到单片机 较 整 PWM 耦合器 机 模块和键盘模块分别完成显示和输入 人机交互功能 然后进入下一个周期速度采样和 脉冲的占空比 经 。LCD 实现系统的 算法得到控制量 ， 然后经过 PID 输出的 L298N 调节 PWM PID ， ， ， ， ， ， ， 。 1.2 测速电路 电磁式转速 传感器测速 霍尔元件测 速 编码器测速等 电编码器的 2 两相脉冲信号 B 号超前 、 、 本文采用光电编码器完成测速 。 个脉冲输出端口分别输出相差 当光电编码器顺时针旋转时 。 ，A 当光电编码器逆时针旋转时 90°A、 信 光 电 光 。 信号 B 90°； 周口师范学院青年科研基金项目 * (zknuqn201132B) A 信号超前 码器输出 显示 LCD A、B 信号 光电编码器顺时针旋转时 90°。 信号形式如图 所示 。 2 编 ， MSP430 F449 光电耦 合电路 直流 电机 驱 L298N 动电路 M 信号调理 接口电路 光电编码 测速电路 接口 RS232 闭环控制系统原理图 图 晶振 复位 键盘 图 1 相信号 相信号 A B 根据光电编码器的工作原理 2 编码器输出信号波形示意图 设计编码器与单 ， 该电路采用一个 所示 。 3 D 两相信号进 对编码器输出 与 A、B 的 MSP430F449 的外部中断 P2.0 相连 相 连 ， 输 0 。 Q 片机硬件接口电路如图 触发器和一个与门 触发 器 行 调理 与门输出与 出信号记为 ，D Q ， MSP430F449 IN1， 和 与门输出信号记为 IN2。 ， ， ， B D 周 ，Q 。 A IN1 IN2 通过 触发器后 Q 为高电平 信号的配合使用 电机的转速和转动方向 端 输出低电平 单片机判断电机顺时针转动 90°， 信号超前 端输出 高 电 平 就可以测得 信号 经 即 两 ；A、B 判断电机 端输出 单 片机判断 电 机 逆 时 针 计数器 当电机顺时针旋转 所 值的变化 两 信号的关系 如图 90°，Q 信号 反之 计数器加 ，B 为 低电平 IN1 信号经与门输出一个窄脉冲 ， 信号超前 旋转 1 低电平 转动 减 时 示 量 ；A、B 判断电机逆时针旋转一周 信号 则电机的速度即为一个采样周期中 电机的转速 IN2 两信号经与门输出一个窄脉冲 IN1、IN2 A、B 。 即 与 1， 1， A N 4 ， ， 。 ， ， 。 。 ， B 式中 170 ω=cΔN/Ts 标度变换系数 c——— （1） 可根据转速的量纲来 ， 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第 34 卷第 01 期 基于 MSP430 单片机的直流电动机调速系统的设计 ——— 徐 坤 等 ， Vol.34No.01 ΔN——— ； 选择 一个采样周期中累 加计数值的 变化 量 采样周期 它的符号反映电机的转动方向 ； ， Ts——— 。 VCC B A 1 2 3 4 2 3 1 2 D D CLK U3 AND U2 5 6 Q Q U1 IN1 P2.0 MSP430F449 IN2 3 INT0 相信号 相信号 B B IN2 IN1 图 3 编码器与单片机接口电路 图 4 接口电路输入与输出信号示意图 1.3 L298N 驱动接口 ， 。 。 2 2 ，2 ST 是 H 15 L298N 公司生产的一种内含 个 该芯片采用 桥的 脚封 可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机 ， 采用标准逻辑电平信号 配 高电压大电流全桥式驱动器 装 也可以驱动 控制 合使用的 ENABLE A、B，ENABLE A 个输入端口为 个使能控制端 台直流电机 个 输 入 端 口 为 2 配 合 使 用 的 本设计只用其中一组 ABLE B INPUT4， 平 逻 辑 和 电 机 转 动 状 态 对 应 关 系 如 表 中 不确定 表 表 示 低 电 平 表 示 高 电 平 INPUT2，EN- 和 使能控制和输入电 其 表 示 电 平 状 态 使能控制和输入电平与电机转动状态对应表 INPUT1 INPUT3 所 示 ，H 和 ，× ，L 2 1 。 。 ， 1 L298N ENABLE A INPUT1 INPUT2 H H H H L 采用 H L H L × L H H L × 电 路 之 间 的 电 气 隔 离 提 高 了 系 统 抗 干 扰 能 力 TLP521-4 光电耦合器实现单片机与外部 MSP430F449 与 TLP521-4 改 变 PWM ， 波 由 。 经过光耦 通过 引脚输出 使能端 PWM ， 相连 ENABLE A P1.2 L298N 波 的 占 空 比 控 制 直 流 电 机 的 转 速 的 的 ； 分 以实现控 直流电机驱动接口电 TLP521-4 ， 引脚经过 INPUT2 相接 和 ， MSP430F449 别和 L298N 制直流电机的正反转和停止 路如图 P2.1 INPUT1 P2.2 和 所示 。 5 。 电机状态 正转 反转 刹停 快速停止 自由停止 +5 V R4 R5 R6 +5 V +9 V 4 VS IN1 IN2 IN3 IN4 ENA ENB 9 VSS OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 SENA SENB 5 7 10 12 6 11 2 3 13 14 1 15 GND 8 L298N D1 D2 MOTOR D3 D4 16 15 14 13 12 11 10 9 5 L298N 驱动接口电路 +5 V TLP5214 R1 R2 R3 P2.1 P2.2 P1.2 PWM 1 2 3 4 5 6 7 8 图 系统软件设计 2 2.1 主程序流程图 本系统控制软件采用 完成调试 语言编写 C 软件 设计的流 程如图 应用集成环 ， IAR WE430 境 所示 状态的采集 。 6 循环体程序完成电机转速的调节和电机运动 通过数据处理子程序得到电机的转速 。 ， 。 PID 和转动方向 出偏差 波的占空比 ， ， 控制器由实时转速值和设定值得 再由偏差得到控制量输出 实时改变 ， PWM 从而实现了电机的闭环控制 。 开始 系统初始化 以预设速度 启动电机 开中断 定时中断 ？ 是 调节 PID 否 否 外部中断 ？ 是 数据处理 图 6 系统程序流程图 2.2 增量 PID 算法及转速调节流程 比例积分微分 本程序 采用增量式 速 增量 式 学表达式为 ， PID ： （PID） PID 控制器在工业中应用广泛 。 控制器对 直流电 机 进 行 调 该 算法的数 所示 7 ， 控制系统 如图 Δu（k）=Ae（k）-Be（k-1）+Ce（k-2） （2） ），C＝KP TD TI 式中 ），B＝KP（1＋2 TD TI ＋ TD TI A＝KP（1＋ T TI 采样周期 比例系数 积分时间常数 ； 微分时间常数 。 T——— KP——— TI——— TD——— ； ； 比例 （P） + e（k） 积分 （I） 微分 （D） - 图 u（k） 被控对象 c（k） + - 增量式 控制系统示意 PID 7 3 结语 设计了一种基于 ， ， 。 ， MSP430 PID 波的占空比 PWM 。 MSP430 单片机的直流电动机 光电编码器完成了直流电机转速和转向 控制器输出 实 以其强大数 易于实 该设计 调速系统 ， 采集到的数据经过增量式 的检测 控制量 实时改变单片机输出 现了直流电机转速的闭环控制 使该系统具有良好的扩展性能 据处理功能 ， 现操作系统的移植和系统的网络互联 因此 ， 思想在工业控制应用领域有一定的推广价值 。 参考文献 ： 陈 德 益 . 真 丁阳喜 机械 王文成 . 技术与传感器 郑宪伟 赵玉林 系统的设计 宛传平 李慧 , 中国农机化 究 ［J］. 作者简介 ,2011(8):70-72. . ［J］. . ,2008,29(1):120-122. 控制在电子节气门控制系统中应用研 基 于 嵌 入 式 单 片 机 的 电 机 控 制 系 统 设 计 基于单片机的电机转速测量系统的设 计 基于单片机测量电机转速的系统设 计 基于 AVR 煤矿机械 单片机的直流电动机 , 2010,27(1):359-362. ,2010,31(3):236-238. 煤 矿 仪 表 ,2010,3(3):84-86. 硕士研究生 计 算 机 仿 闭环调速 吴冀林 增量式 PWM 李健 徐坤 毕业 ［J］. ［J］. ［J］. PID ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ 。 . , , , 河南郸城人 模式识别与机器视觉 讲师 ， ， ， 电子信箱 ， ：xk. 于长春工业大学 ： （1980- ）， 研究方向 ： ， xukun@163.com. 责任编辑 ： 侯淑华 收稿日期 ：2012－09－20 171 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net