由SA51和MSP430F1121組成的驅動控制系統(tǒng)
關鍵詞：SA51 MSP430F1121 脈寬調制 DCO 捕獲
現在的電子設備往往要求體積小、重量輕、效率高，通常在苛刻的環(huán)境條件下，尤其在軍工產品中，設計者非常希望使用單片或雙片系統(tǒng)以盡可能地減少器件數量。SA51和MSP430F1121以其自身的高集成度和強大功能成為組成雙片驅動控制系統(tǒng)的理想選擇方案。該方案可廣泛應用在對電機、電磁閥的控制系統(tǒng)中。
1 SA51簡介
1.1 SA51的特點參數
SA51是由美國APEX公司生產的脈寬調制功率放大器，它能為負載提供5A的連續(xù)電流。該全橋放大器能在很寬的供電電源范圍內工作，對橋上臂和下臂開關的驅動和控制電路混合集成在器件內，用戶只需提供與TTL電平兼容的PWM信號就可進行四象限模式的幅值和方向同時控制，而且與數字控制器的接口非常簡單。SA51的內部電路可提供適當的死區(qū)時間間隔以保護橋的四個N溝道場效應管，場效應管的導通電阻很低，而開關速度卻很高（最高可達500kHz），效率可達97％。對于空閑/休眠模式或錯誤保護，SA51提供有與TTL兼容的禁止管腳來關斷四個場效應管。SA51采用8腳TO-3封裝，可安裝在小型散熱器上或直接焊裝在印制電路板上。
SA51的電氣極限參數如下：
*供電電壓+Vs:80V；
*峰值輸出電流：7A；
*邏輯供電電壓Vcc:16V；
*內部功耗：120W；
*管腳焊接溫度（10s）：300℃；
*環(huán)境溫度：150℃；
*貯存溫度：-65～150℃；
*使用溫度：-65～125℃；
**輸入端輸入電壓：0～Vcc；
*禁止端輸入電壓：0～Vcc。
1.2 SA51的結構功能
SA51放大器的原理框圖如圖1所示?，F將各管腳的功能描述如下：
Vcc：內部邏輯電路和MOSFETS上臂和下臂驅動器的低壓電源；
Vs：H橋供電電源，MOSFETS從這個電源端獲得輸出電流，該腳電壓范圍為Vcc～+80V,MOSFETS標稱值為100V。該腳到地的旁路電容可濾除電壓被動，以確保在開關期間供電電壓的穩(wěn)定，該電容應盡量靠近Vs管腳；
AOUT：半橋的輸出腳A，當PWM輸入為高時，該腳輸出為Vs；
BOUT：半橋的輸出腳B，當PWM輸入為低時，該腳輸出為Vs；
RSENSE:兩個半橋下臂的共同聯(lián)接點，可連接一個到Vs地的檢測電阻以檢測電流，實際上該腳也可以直接連到Vs的地。但該管腳相對于Vs地的最大允許電壓±2V；
GND：輸入邏輯和Vcc的地；
PWM輸入：用于輸入與TTL兼容的PWM信號，占空比在0%～100%之間；
輸入禁止：用于關斷四個MOSFETS管，該腳為1時為關斷，為0時使能。
2 MSP430F1121簡介
2.1 MSP430F1121的主要功能
MSP430F1121是美國TI公司生產的單片機，它采用高效16位RISC內核，具有27條指令和125ns的指令周期，使用1.8～3.6V（最高到4.1V）低電壓供電，程序代碼加密后無法解密。該單片機只需外接一個電阻和一個電容即可實現高精度斜率A/D轉換，同時可串行在線編程。該器件具強大的中斷功能和高達10萬次的擦寫次數，其定時器A在比較模式下可方便地實現D/A轉換或生成脈寬調制輸出信號。MSP430F1121內含4kB+256B Flash以及256B RAM，采用20腳SOWB或TSSOP封裝，P1、P2端口的14個I/O引腳均可獨立編程為輸入、輸出和中斷狀態(tài)，也可以整體作為端口使用。
2.2 MSP430F1121的時鐘系統(tǒng)
MSP430F1121有ACLK(輔助時鐘)、MCLK（主系統(tǒng)時鐘）和SMCLK(子系統(tǒng)時鐘)三種時鐘。這三種時鐘可由低頻振蕩器LFXT1CL經1、2、4、8分頻后得到低頻時鐘。MCLK和SMCLK也可由DCOCLK經1、2、4、8分頻后得到高頻時鐘。DCOCLK則可將DCO振蕩器產生的頻率經軟件FLL后得到。
圖2 電機轉速控制原理圖
DCOCLK的軟件FLL方法為：DCO基礎頻率由內部或外部電阻向DC發(fā)生器注入的電流決定（可由DCOR控制位來選擇片內或片外電阻），當DCOCLK為5MHz時選片內電阻，DCOCLK大于5MHz時，選擇片外電阻。它的基礎頻率可由電阻控制位Rsel2、Rsel1、Rsel0分頻8為個標稱頻率范圍，然后由控制位DCO2、DCO1、DCO0再進行分頻調節(jié)，調整位MOD4～MOD0可用于控制DCO和DCO+1兩種頻率之間的切換。
下面是一個設置時鐘的程序，該程序以將ACLK設置為4096Hz（LFXT1CLK/8=32768Hz/8=4096Hz）、DCOCLK設置為8MHz、MCLK和SMCLK選擇DCOCLK為例進行編寫，其中delta=DCOCLK/ACLK=8M/4096=1953。
#include "msp430x11x1.h"
#include "stdio.h"
#define delta 1953
void setdco(void);
main(void)
{
WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD； //關看門狗
BCSCTL1|=DIVA1+DIVA0; //ACLK=LFXT1CLK/8
BCSCTL2|=DCOR; //用外部電阻
Setdco();
}
void setdco(void)
{
int fir1,fir2,lable1=1;
fir2=0;
TACTL=TASSEL1+TACLR;
CCTL2=CCIS0+CM0+CAP;
TACTL|=MC1;
For(;lable1==1;)
{
lable2:
if((CCTL2&CCLFG)==0) //測試是否捕獲到數
goto lable2;
CCTL2=CCTL2-CCLFG； //清除捕獲標志
fir1=CCR2;
fir1=fir1-fir2;
fir2=CCR2;
if(delta>fir1)
{ DCOCTL=DCOCTL+1;
if(DCOCTL= =255)
{if((BCSCTL1&7)= =7)
lable1=0;
else
BCSCTL1=BCSCTL1+1;
}
}
if(delta<fir1)
{DCOCTL=DCOCTL-1;
if(DCOCTL= =0)
{if((BCSCTL1&7)= =0)
lable1=0;
else
BCSCTL1=BCSCTL1-1;
}
}
if(delta= =fir1)
lable1=0;
}
CCTL2=0;
TACTL=0;
}
2.3 ASP430F1121的定時設置
定時器Timer-A有三個捕獲/比較模塊，其中比較模式下可方便地生成PWM信號。下面是一個Timer-A的捕獲/比較模塊1在比較模式下生成占空比為50％的PWM信號的例程。它的PWM輸出模式為3：PWM置位/復位，改變CCR0的值可改變PWM周期（如SMCLK=8MHz，則P1.2輸出的PWM的周期為CCR0/8M=8000/8M=1ms），而改變CCR1的值則可改變占空比(0%～100%)。
#include "msp430x11x1.h"
#include "stdio.h"
main(void)
{
WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD; //關看門狗
TACTL=TASSEL1+TACLR; //定時器時鐘源選SMCLK
CCR0=8000;
CCTL1=OUTMOD0+OUTMOD1;
CCR1=4000;
P1DIR|=4;
P1SEK=|4;
TACTL|=MCO;
}
定時器Timer-A工作在捕獲模式下可用于時間事件的精確定位。如在選定的輸入引腳上產生選定脈沖觸發(fā)沿，則定時器計數的值將被復制到捕獲寄存器CCRx中。下面是捕獲/比較模塊2工作在捕獲模式下的例程，其中定時器時鐘源選SMCLK，增計數模式，捕獲源為P1.3腳輸入的脈沖，捕獲次數為100次，捕獲的頻率數據放數組READCCR2[]中。
#include "msp430x11x1.h"
#include "stdio.h"
main(void)
{ int READCCR2[100];
WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD; //關看門狗
TACTL=TASSEL1+TACLR; //定時器時鐘源選SMCLK
CCTL2=CM0+CAP;
TACTL|=MCO;
for(I=0;I<100;I++)
{TST:
IF((CCTL2&CCIF)==0)
GOTO TST;
CCTL2=CCTL2-CCIFG;
READCCR2[I]=CCR2;
}
}
3 電機轉速控制系統(tǒng)的設計
圖2是由微控制器MSP430F1121和驅動器SA51組成的小功率電機轉速控制系統(tǒng)原理圖。圖中，V1～V4為TVS管（Transient Voltage Suggressor Diode：瞬態(tài)電壓抑制二極管），當承受一個高能量的瞬時過壓脈沖時，其工作阻抗可立即降至導通值，以允許大電流通過，并將電壓箝位到預定水平，以有效保護電路中的精密元器件免受損壞。箝位響應時間僅為1ps（10-12S），電路中采用TVS管可有效防止Aout和Bout輸出電壓高于Vss或低于地。
圖2中的U2為TPS77101電源管理芯片，V0=Vref(1+R1/R2)，其中，Vref=1.1834V，選R2為30kΩ，若使V0為4.0V，則R1應選72kΩ，為了減少噪聲和抑制振蕩，R1和R2應盡可能地接近SENSE端，上電時，RESET會提供給單片機一個復位信號。
單片機的P2.0、P2.1可作為電機四種模態(tài)控制輸入端，增量式編碼器的輸出脈沖經光電隔離后將送入捕獲I/O端P1.3，在將要求的狀態(tài)和實際轉速比較后，經過一定的控制算法處理后，改變CCR1寄存器的值，從而改變調制信號占空比，最后經PWM輸出I/O端P1.2輸出到SA51的PWM輸入端，以控制電機的轉速。
這里給出的僅是由SA51與MSP430F1121組成的驅控制的簡單閉環(huán)應用，事實上，這種組合可應用在很多場合，如利用A/D轉換或利用串行通訊進行模擬或數字的轉換和位置控制等。
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