基于單片機AT89C2051的無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)

吳欣

（凱斯紐荷蘭工業(yè)（哈爾濱）機械有限公司）

摘 要：本文介紹了基于AT89C2051的無刷直流電動機控制器的硬件結(jié)構(gòu)，軟件設(shè)計以及調(diào)速方案的具體實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用電流單閉環(huán)控制策略，PWM調(diào)速方式對無刷直流電機進(jìn)行控制。經(jīng)過驗證表明，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定可靠，調(diào)速效果良好。

關(guān)鍵詞：AT89C2051；無刷直流電機；PWM；調(diào)速

1 引言

AT89C2051是ATMEL公司生產(chǎn)的高性能CMOS 8位微處理器。該芯片內(nèi)含2k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀Flash程序存儲器和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元。由于該芯片價格便宜，性能穩(wěn)定，本系統(tǒng)設(shè)計的基于單片機AT89C2051的無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)具有實際應(yīng)用價值。

2 硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)的硬件框圖

本系統(tǒng)采用單閉環(huán)（電流環(huán)）控制策略。采樣電流與給定通過TL494進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，輸出一定占空比的PWM控制信號，對電機進(jìn)行調(diào)速。位置傳感器檢測電機轉(zhuǎn)子的位置，經(jīng)過信號處理，從而確定下一時刻電機的驅(qū)動方式。系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)的控制、隔離和驅(qū)動

①控制部分。本系統(tǒng)的控制對象三相直流無刷電機采用兩兩導(dǎo)通，360°度為一周期，三相六狀態(tài)控制方式。在定子內(nèi)部每隔120°電角度放置了3片霍爾型位置傳感器，位置傳感器的輸出信號輸入到單片機AT89C2051的I/O口P3.2～P3.4，單片機通過捕捉位置傳感器任一路輸出上的跳變沿，讀取跳變沿后的編碼器輸出狀態(tài)，就可以確定轉(zhuǎn)子的新位置，實現(xiàn)定子繞組電流換向。單片機通過軟件編程根據(jù)檢測的位置信號經(jīng)I/O輸出6路PWM控制信號來驅(qū)動IGBT。本例PWM調(diào)制方式采用半橋調(diào)制，即上橋臂功率開關(guān)恒通、下橋臂功率開關(guān)通過PWM調(diào)制。ZA、ZB、ZC是經(jīng)過TL494斬波的信號。

采用此種調(diào)制方式，可以有效地降低功率開關(guān)的動態(tài)損耗，提高系統(tǒng)的可靠性。

②隔離和驅(qū)動部分。本例中采用高速光耦6N137進(jìn)行隔離，6N137的輸出速度可達(dá)10M bit/s。光耦的主要優(yōu)點是單向傳輸信號，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離，抗干擾能力強，使用壽命長，傳輸效率高。它廣泛用于電平轉(zhuǎn)換、信號隔離、級間隔離、開關(guān)電路、遠(yuǎn)距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器（SSR）、儀器儀表、通信設(shè)備及微機接口中。由于光耦的輸入阻抗與一般干擾源的阻抗相比較小，因此分壓在光耦的輸入端的干擾電壓較小，它所能提供的電流并不大，不易使半導(dǎo)體二極管發(fā)光；由于光耦的外殼是密封的，它不受外部光的影響；光耦的隔離電阻很大（約1012Ω）、隔離電容很?。s幾個pF），所以能阻止電路耦合產(chǎn)生的電磁干擾。

系統(tǒng)中的驅(qū)動芯片是采用的美國IR公司的IR2110專用功率管驅(qū)動芯片，只須單電源供電，內(nèi)部含自舉電路，可解決逆變橋上下橋臂功率管驅(qū)動不共地問題，簡化驅(qū)動電路的設(shè)計，適合中、小功率三相逆變橋功率管的驅(qū)動。其自帶上下橋臂驅(qū)動信號互鎖和過流保護(hù)功能。

2.3 系統(tǒng)的電流檢測電路

本系統(tǒng)的電流檢測是由電流霍爾傳感器檢測兩相電樞繞組上的電流。第三路電流可由公式ic=-（ia+ib）求得。檢測的電流信號經(jīng)過精密全波整流電路后分別輸入給TL494，與給定進(jìn)行比較，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)輸出三路PWM波ZA、ZB和ZC。

2.4 系統(tǒng)的軟啟動及停機保護(hù)電路

主電路充電軟起功能是指當(dāng)系統(tǒng)啟動時接通單相220V電壓，如果直接接入將會對儲能電容C3將產(chǎn)生極大的電流沖擊，從而對系統(tǒng)造成損害。為此，加入了主電路充電延時電路，具體做法就是在濾波電容前加一個限流電阻R1，在系統(tǒng)啟動時使直流母線電壓逐步增加，避免了啟動時的大電流沖擊，待電容C3的電壓為穩(wěn)態(tài)值的90%時，繼電器常開觸點SJ1閉和，從而實現(xiàn)了充電軟起的功能。本系統(tǒng)軟啟動的實現(xiàn)是通過單片機I/O口P1.0發(fā)出一個脈沖信號，通過光耦TPLP627使繼電器線圈JY0得電，常開觸點SJ1閉合，從而控制啟動時間。系統(tǒng)啟動時，SJ1先處于斷開狀態(tài)，電容C3開始充電，當(dāng)電容C3充電到一定電壓時，SJ1導(dǎo)通，C1、R2和R1被短路掉。

在系統(tǒng)停機或突然斷電時，當(dāng)控制電路放電至零時，主電路C3仍然有較高電壓，此時控制信號紊亂，有可能造成橋臂功率開關(guān)管“直通”現(xiàn)象。為了避免這一現(xiàn)象的發(fā)生，本系統(tǒng)設(shè)計了系統(tǒng)斷電保護(hù)電路。用SJ2、R4來實現(xiàn)這一功能。SJ2為常閉觸點，其線圈由電網(wǎng)電壓220V控制，系統(tǒng)上電時SJ2線圈通電，常閉觸點打開，此時系統(tǒng)可以實現(xiàn)“軟充電”；系統(tǒng)斷電時，SJ2常閉觸點閉合，電阻R4并入放電回路，此時主電路的時間常數(shù)變小，通過對R4適當(dāng)選取可以保證斷電時系統(tǒng)的安全。繼電器SJ2是通過單片機P1.1口控制的。

3 系統(tǒng)的軟件流程及部分程序

系統(tǒng)的軟件指的是針對AT89C2051芯片的應(yīng)用程序，系統(tǒng)的軟件流程如圖2所示，包括系統(tǒng)的初始化，主電路的充電延時程序，控制算法的編程語言實現(xiàn)，中斷流程的設(shè)計等的編寫。

結(jié)束語

基于AT89C2051的無刷直流電動機控制器結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定可靠，調(diào)速效果良好。無刷直流電機在運行過程中，起動快、運行平穩(wěn)、噪音低，能滿足家電、醫(yī)療、紡織等行業(yè)的實際應(yīng)用需求。