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由SA51和MSP430F1121组成的驱动控制系统
由SA51和MSP430F1121组成的驱动控制系统 关键词：SA51 MSP430F1121 脉宽调制 DCO 捕获 现在的电子设备往往要求体积小、重量轻、效率高，通常在苛刻的环境条 件下，尤其在军工产品中，设计者非常希望使用单片或双片系统以尽可能地减少 器件数量。SA51和MSP430F1121以其自身的高集成度和强大功能成为组成双片 驱动控制系统的理想选择方案。该方案可广泛应用在对电机、电磁阀的控制系统 中。1 SA51简介 1.1 SA51的特点参数 SA51是由美国APEX公司生产的脉宽调制功率放大器，它能为负载提供5A 的连续电流。该全桥放大器能在很宽的供电电源范围内工作，对桥上臂和下臂开 关的驱动和控制电路混合集成在器件内，用户只需提供与TTL电平兼容的PWM 信号就可进行四象限模式的幅值和方向同时控制，而且与数字控制器的接口非常 简单。SA51的内部电路可提供适当的死区时间间隔以保护桥的四个N沟道场效应 管，场效应管的导通电阻很低，而开关速度却很高（最高可达500kHz），效率 可达97％。对于空闲/休眠模式或错误保护，SA51提供有与TTL兼容的禁止管脚 来关断四个场效应管。SA51采用8脚TO-3封装，可安装在小型散热器上或直接焊 装在印制电路板上。
SA51的电气极限参数如下：
*供电电压+Vs:80V；
*峰值输出电流：7A；
*逻辑供电电压Vcc:16V；
*内部功耗：120W；
*管脚焊接温度（10s）：300℃；
*环境温度：150℃；
*贮存温度：-65～150℃；
*使用温度：-65～125℃；
**输入端输入电压：0～Vcc；
*禁止端输入电压：0～Vcc。
1.2 SA51的结构功能 SA51放大器的原理框图如图1所示。现将各管脚的功能描述如下：
Vcc：内部逻辑电路和MOSFETS上臂和下臂驱动器的低压电源；
Vs：H桥供电电源，MOSFETS从这个电源端获得输出电流，该脚电压范 围为Vcc～+80V,MOSFETS标称值为100V。该脚到地的旁路电容可滤除电压被动， 以确保在开关期间供电电压的稳定，该电容应尽量靠近Vs管脚；
AOUT：半桥的输出脚A，当PWM输入为高时，该脚输出为Vs；
BOUT：半桥的输出脚B，当PWM输入为低时，该脚输出为Vs；
RSENSE:两个半桥下臂的共同联接点，可连接一个到Vs地的检测电阻以检 测电流，实际上该脚也可以直接连到Vs的地。但该管脚相对于Vs地的最大允许 电压±2V；
GND：输入逻辑和Vcc的地；
PWM输入：用于输入与TTL兼容的PWM信号，占空比在0%～100%之间；
输入禁止：用于关断四个MOSFETS管，该脚为1时为关断，为0时使能。
2 MSP430F1121简介 2.1 MSP430F1121的主要功能 MSP430F1121是美国TI公司生产的单片机，它采用高效16位RISC内核， 具有27条指令和125ns的指令周期，使用1.8～3.6V（最高到4.1V）低电压供电， 程序代码加密后无法解密。该单片机只需外接一个电阻和一个电容即可实现高精度斜率A/D转换，同时可串行在线编程。该器件具强大的中断功能和高达10万次 的擦写次数，其定时器A在比较模式下可方便地实现D/A转换或生成脉宽调制输 出信号。MSP430F1121内含4kB+256B Flash以及256B RAM，采用20脚SOWB或 TSSOP封装，P1、P2端口的14个I/O引脚均可独立编程为输入、输出和中断状态， 也可以整体作为端口使用。
2.2 MSP430F1121的时钟系统 MSP430F1121有ACLK(辅助时钟)、MCLK（主系统时钟）和SMCLK(子系 统时钟)三种时钟。这三种时钟可由低频振荡器LFXT1CL经1、2、4、8分频后得 到低频时钟。MCLK和SMCLK也可由DCOCLK经1、2、4、8分频后得到高频时 钟。DCOCLK则可将DCO振荡器产生的频率经软件FLL后得到。
图2 电机转速控制原理图 DCOCLK的软件FLL方法为：DCO基础频率由内部或外部电阻向DC发生器 注入的电流决定（可由DCOR控制位来选择片内或片外电阻），当DCOCLK为 5MHz时选片内电阻，DCOCLK大于5MHz时，选择片外电阻。它的基础频率可 由电阻控制位Rsel2、Rsel1、Rsel0分频8为个标称频率范围，然后由控制位DCO2、 DCO1、DCO0再进行分频调节，调整位MOD4～MOD0可用于控制DCO和DCO+1 两种频率之间的切换。
下面是一个设置时钟的程序，该程序以将ACLK设置为4096Hz （LFXT1CLK/8=32768Hz/8=4096Hz）、DCOCLK设置为8MHz、MCLK和SMCLK 选择DCOCLK为例进行编写，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；
//关看门狗BCSCTL1|=DIVA1+DIVA0;
//ACLK=LFXT1CLK/8 BCSCTL2|=DCOR;
//用外部电阻 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((CCTL2CCLFG)==0) //测试是否捕获到数 goto lable2;
CCTL2=CCTL2-CCLFG；
//清除捕获标志 fir1=CCR2;
fir1=fir1-fir2;
fir2=CCR2;
if(deltafir1) { DCOCTL=DCOCTL+1;
if(DCOCTL= =255) {if((BCSCTL17)= =7) lable1=0;else BCSCTL1=BCSCTL1+1;
} } if(deltafir1) {DCOCTL=DCOCTL-1;
if(DCOCTL= =0) {if((BCSCTL17)= =0) lable1=0;
else BCSCTL1=BCSCTL1-1;
} } if(delta= =fir1) lable1=0;
} CCTL2=0;
TACTL=0;
} 2.3 ASP430F1121的定时设置 定时器Timer-A有三个捕获/比较模块，其中比较模式下可方便地生成 PWM信号。下面是一个Timer-A的捕获/比较模块1在比较模式下生成占空比为 50％的PWM信号的例程。它的PWM输出模式为3：PWM置位/复位，改变CCR0 的值可改变PWM周期（如SMCLK=8MHz，则P1.2输出的PWM的周期为 CCR0/8M=8000/8M=1ms），而改变CCR1的值则可改变占空比(0%～100%)。#include "msp430x11x1.h" #include "stdio.h" main(void) { WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;
//关看门狗 TACTL=TASSEL1+TACLR;
//定时器时钟源选SMCLK CCR0=8000;
CCTL1=OUTMOD0+OUTMOD1;
CCR1=4000;
P1DIR|=4;
P1SEK=|4;
TACTL|=MCO;
} 定时器Timer-A工作在捕获模式下可用于时间事件的精确定位。如在选定 的输入引脚上产生选定脉冲触发沿，则定时器计数的值将被复制到捕获寄存器 CCRx中。下面是捕获/比较模块2工作在捕获模式下的例程，其中定时器时钟源 选SMCLK，增计数模式，捕获源为P1.3脚输入的脉冲，捕获次数为100次，捕获 的频率数据放数组READCCR2[]中。
#include "msp430x11x1.h" #include "stdio.h" main(void) { int READCCR2[100];
WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;
//关看门狗 TACTL=TASSEL1+TACLR;
//定时器时钟源选SMCLK CCTL2=CM0+CAP;TACTL|=MCO;
for(I=0;I100;I++) {TST: IF((CCTL2CCIF)==0) GOTO TST;
CCTL2=CCTL2-CCIFG;
READCCR2[I]=CCR2;
} } 3 电机转速控制系统的设计 图2是由微控制器MSP430F1121和驱动器SA51组成的小功率电机转速控 制系统原理图。图中，V1～V4为TVS管（Transient Voltage Suggressor Diode：瞬 态电压抑制二极管），当承受一个高能量的瞬时过压脉冲时，其工作阻抗可立即 降至导通值，以允许大电流通过，并将电压箝位到预定水平，以有效保护电路中 的精密元器件免受损坏。箝位响应时间仅为1ps（10-12S），电路中采用TVS管 可有效防止Aout和Bout输出电压高于Vss或低于地。
图2中的U2为TPS77101电源管理芯片，V0=Vref(1+R1/R2)，其中， Vref=1.1834V，选R2为30kΩ，若使V0为4.0V，则R1应选72kΩ，为了减少噪声和 抑制振荡，R1和R2应尽可能地接近SENSE端，上电时，RESET会提供给单片机 一个复位信号。
单片机的P2.0、P2.1可作为电机四种模态控制输入端，增量式编码器的输 出脉冲经光电隔离后将送入捕获I/O端P1.3，在将要求的状态和实际转速比较后， 经过一定的控制算法处理后，改变CCR1寄存器的值，从而改变调制信号占空比， 最后经PWM输出I/O端P1.2输出到SA51的PWM输入端，以控制电机的转速。
这里给出的仅是由SA51与MSP430F1121组成的驱控制的简单闭环应用， 事实上，这种组合可应用在很多场合，如利用A/D转换或利用串行通讯进行模拟 或数字的转换和位置控制等。
