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由SA51和MSP430F1121組成的驅動控制系統
摘要：介紹了脈寬調制功率放大器SA51和16位單片機MSP430F1121的基本特性，給出了由它們組成的兩片式的電機轉速控制系統的簡單應用方法和電路。關鍵詞：SA51MSP430F1121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、電磁閥的控制系統中。
1SA51簡介
1.1SA51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。
1.2SA51的結構功能
SA51放大器的原理框圖如圖1所示。現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。
2MSP430F1121簡介
2.1MSP430F1121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+256BFlash以及256BRAM，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，也可以整體作為端口使用。
2.2MSP430F1121的時鐘系統
MSP430F1
121有ACLK(輔助時鐘)、MCLK（主系統時鐘）和SMCLK(子系統時鐘)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，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"
#definedelta1953
voidsetdco(void);
main(void)
{
WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD；//關看門狗
BCSCTL1|=DIVA1+DIVA0;//ACLK=LFXT1CLK/8
BCSCTL2|=DCOR;//用外部電阻
Setdco();
}
voidsetdco(void)
{
intfir1,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
gotolable2;
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;
}
2.3ASP430F1121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)
{intREADCCR2[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)
GOTOTST;
CCTL2=CCTL2-CCIFG;
READCCR2[I]=CCR2;
}
}
3電機轉速控制系統的設計
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原理圖。圖中，V1～V4為TVS管（TransientVoltageSuggressorDiode：瞬態電壓抑制二極管），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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