基于TA8429H的小型直流电机调速控制器设计

张海东，许忠仁，鲍春光

（辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院，辽宁 抚顺 113001）

直流电机由于具有启动、制动性能良好，能在较宽范围内平滑调速等特点，在冶金、机械制造、轻工等部门得到广泛应用，而小型直流电机在日常生活中应用得尤其广泛。文中设计了一种基于TA8429H的小型直流电机调速控制器，采用直接测量小型直流电机电动势，不用外部测速电路的办法，实现转速测量，简化了电路，降低了功耗。以MSP430单片机作为主处理器，用PWM[1-3]（脉冲宽度调制）信号控制TA8429H芯片，实现对小型直流电机的调速。

1 TA8429H芯片简介

TA8429H芯片是日本东芝公司生产的一款用于电机控制的全桥驱动芯片，输出电流为3.0A（平均值）。该芯片具有过热保护电路和短路保护电路，并具有待机模式。

1.1 TA8429H芯片的特性

1）输出电流平均值为3.0 A，峰值为4.5 A。

2）具有待机模式，待机电流小于等于100μA。

3）具有过热保护电路和短路保护电路。

4）具有两个TTL兼容控制输入端口，可实现正转、反转、制动和停止4种工作模式。

5）配有续流二极管保护电路。

6）配有一个封装的HZIP电源。

7）宽泛的工作电压范围：Vcc=7~27 V，Vs（opr.）=0~27 V。

1.2 TA8429H的结构

TA8429H芯片的结构，如图1所示，主要由控制电路、短路保护电路、过热保护电路等部分组成。芯片的③，⑤，⑦，⑨引脚不用连接。

图1 TA8429H的结构图Fig.1 Structure diagram of TA8429H

1.3 TA8429H芯片的引脚功能

TA8429H芯片的各引脚功能如表1所示。

表1 TA8429H芯片引脚功能Tab.1 Pin fuction of TA8429H

2 控制器硬件设计

2.1 硬件电路组成

选用MSP430F149作为主处理器。MSP430系列单片机是美国TI（德州仪器）公司开发的带有Flash的16位总线超低功耗处理器，其CPU结构是按精简指令集与高透明的宗旨设计的，指令的执行速度和效率很高，实时处理能力强。MSP430的总线是16位的，外设与内存统一编址，寻址范围可达64K，且可以扩展外存。MSP430的片上外围模块十分丰富，片内有硬件乘法器一个、16位定时器两个、14路12位的模数转换器一个、看门狗一个、USART通信端口两路、I/O口6路、比较器一个、DCO内部振荡器一个和外部时钟两个，且具有统一的中断管理。MSP430开发十分方便，可在线进行调试和下载。MSP430可在超低功耗模式下工作，可靠性高，完全能满足工业级直流电机控制与功能扩展的要求[3-6]。

本设计采用转速、电流双闭环控制系统，硬件电路主要由单片机电路、TA8429H电机驱动电路、测速电路、电流测量电路、键盘和显示器等部分组成，如图2所示。

图2 硬件结构图Fig.2 Structure diagram of the hardware

2.2 电机驱动电路

电机驱动电路采用日本东芝公司生产的用于电机转动控制的全桥驱动芯片TA8429H。实际使用时引脚①和引脚②接MSP430F149输出的两路PWM信号，引脚⑥通过0.1欧电阻接地，引脚④和引脚⑧接在直流电机，引脚⑩接正12 V电压，引脚1○和引脚12○接正5 V电压，驱动电路如图3所示。

图3 电机驱动电路及测量电路Fig.3 Moto driving circuit and measuring circuit

TA8429H根据输入的PWM信号的不同，可实现对小型直流电机的运动控制，具体情况如表2所示，其中L表示低电平，H表示高电平。

表2 TA8429H控制信号与直流电机工作状态Tab.2 Control signal of TA8429H and working satate of DC moto

2.3 测量电路

因采用转速、电流双闭环控制系统，故测量电路包括测速电路和电流测量电路两部分。

2.3.1 测速电路

传统的测速电路一般采用直流测速发电机进行测速，该方法易受温度、电枢反应等因素的影响而使测量结果出现误差。因此，本设计采用一种全新的测速电路，由两个运算放大器OPA604AP、若干电阻和电容组成，如图3所示。由运算放 大器和电阻组成的两个电压跟随器接在直流电机的电枢两端，可测得电机的电枢电压U，通过公式n为直流电机转速，U－电枢端电压，I－电枢电流，R－电枢电路总电阻，φ－每极磁通量）计算可得出电机转速，再将测得的信号反馈给单片机内部的A/D。该测速电路测量准确且成本低廉。

2.3.2 电流测量电路

电流测量电路由运算放大器OPA604AP、若干电阻和电容组成，如图3所示，根据模拟电子技术相关知识，计算可得电机的电枢电流I，再将所得信号反馈给单片机内部的A/D。

3 控制器软件设计

控制器的软件设计在美国IAR公司的“IAR Embedded Workbench for MSP430”开发平台上进行。该工具为用户提供了友好的用户界面和功能强大的调试系统，十分便于MSP430系列单片机应用程序的开发。控制器工作流程及调速流程如图4和图5所示。

图4 控制器工作流程图Fig.4 Workflow chart of controller

图5 控制器调速流程图Fig.5 Speed control flow chart of controller

本设计采用PWM（脉冲宽度调制）的方法实现对电机转速的控制。PWM调速时，以一个固定的频率接通和断开电源，改变一个周期内“接通”与“断开”时间的长短，通过改变直流电机的电枢电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电机的转速。

在键盘上输入数据，设定电机的转速，启动电机。通过MSP430F149的TimerB输出PWM方波来实现电机的调速。将TimerB捕获/比较模块的工作模式作为比较模式，输出模式作为模式7（PWM复位/置位模式），改变捕获/比较寄存器CCR1中的数值即可改变由TimeB产生的PWM方波信号的占空比，改变捕获/比较寄存器CCR0中的数值即可改变PWM方波信号的周期。将TimerB输出的PWM信号传输给TA8429H的输入引脚①和②，通过键盘可改变PWM方波的周期与占空比，从而达到改变电机转速的目的。直流电机的实际转速通过测速电路测量再经单片机运算处理在显示器上显示，便于用户根据电机的实际转速来调整其目标转速。

4 结 论

基于TA8429H的小型直流电机调速控制器，采用无外部测速传感器测量小型直流电机转速的办法，成本低廉、电路简单、容易实现。选用MSP430单片机作为控制器的核心，编程方便，功耗低，控制效果好，可在保证系统稳定的前提下实现转速无静差控制。此外，以TA8429H芯片为驱动电路，可方便地实现小型直流电机的正反向控制和制动，具有较好的应用前景。

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