基于C8051F313单片机的一种无刷直流电机调速控制系统设计VIP专享VIP免费

基于C8051F313单片机的一种无刷直流电机调速控制系统设计[日期：2012-05-22]来源：作者：[字体：大中小]前言随着环境的污染和能源的紧张，电动自行车以无废气污染，无噪音，利用电能和使用方便等优点，越来越受到人们的喜爱，成为生活中的代步交通工具。本文介绍采用美国公司SILIConlaboratories(Silabs)的高速SoC型C8051F313单片机设计的一种无刷直流电机调速控制系统。该系统充分利用C8051F313的片上资源，设计方案电路简单，需要的外围元件少，控制器的整体成本低，性能好。C8051F313C8051F313属于Silabs的高速SOC型单片机C8051F系列。C8051F系列单片机集成度高，完全兼容传统的8051单片机内核和指令系统，但其各方面的性能都远远超越了传统的8051单片机。由于采用了“流水线”结构方式处理指令，70%的指令的执行时间为1个或2个系统时钟，突破了传统的8051单片机运行效率低的弱点，特别是它执行乘法指令只要4个系统时钟，执行除法指令只要8个系统时钟。另外C8051F系列单片机片上集成了丰富的外设，极大地降低了对外围元器件的需求：模拟多路选择器、可编程增益放大器、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBus(I2C)、增强型UART、SPI、可编程计数/定时器阵列(PCA)、电源监视器、看门狗定时器(WDT)、时钟振荡器等。另外还有片上的FLASH程序存储器、RAM和XRAM。在编程语言上，支持汇编和C编程。系统硬件设计整个控制系统主要包括转子位置检测电路、测速电路、调速电路、MOSFET全桥驱动电路、限流电路等，图1是控制系统框图。直流电源通过MOSFET电路向电动机定子绕组供电;转子位置检测电路检测转子的位置，并根据转子的位置信号来控制MOSFET的导通和截止，从而实现电子换向;测速电路检测电机的转速，调速电路根据测速电路的检测结果，动态地调整电机的转速(调速)。本设计可根据需要设计成60o或120o电角度换相。转子位置检测电路和测速电路本设计中的无刷直流电动机为三相无刷直流电机，3个霍尔位置传感器的空间间距为120o。3个霍尔传感器的输出H1、H2、H3分别直接接到C8051F313的PCA(可编程计数器/定时器阵列)的三个捕捉/比较模块：CEX0、CEX1和CEX2。捕捉/比较模块可以对霍尔信号的上升沿和下降沿进行捕捉，并产生中断。这种检测无刷电机转子位置的方法比使用A/D转换或使用比较器的方法更具优越性。外围电路简单，几乎不需要任何外围元器件，实时性又非常高，可靠快速地对霍尔信号进行捕捉。同时使用一个定时器对中断的间隔进行计时。这个时间就反映了电机的转速，软件上通过一定的算法处理，就可以得到电机此时的转速。这种方法得到的电机转速比较真实地反映了电机的实际转速。MOSFET全桥驱动电路这部分电路实际上完成电机换相驱动和调速的功能。C8051F313根据转子位置检测电路的检测结果，对无刷直流电机进行实时的换相驱动，同时根据转速检测电路检测到的转速对无刷直流电机进行调速。本设计采用PWM方式对电枢电压进行控制，实现调速。图2中的Ua为直流无刷电机电枢两端的电压，PWM的周期为T(为一个固定值)，改变PWM的占空比，即改变T1的时间，那么直流无刷电机电枢两端的平均电压发生改变，电机的转速也就发生了变化，实现了调速的目的。Ua的计算公式为：Ua=(T1/(T1+T2))×Ud这就是直流无刷电机电枢电压的PWM调速的计算公式。按照相反的次序给直流无刷电机通电，就可以使用直流无刷电机的反转。在本设计中使用C8051F313的PCA(可编程计数器/定时器阵列)的一个捕捉/比较模块CEX3来产生PWM,并且根据换相和调速的实际需要，通过Crossbar(数字交叉开关)动态地将1路PWM波分时送到到MOSFET全桥的3个下管，进行调速。软件设计由于C8051F313兼容传统的8051单片机，汇编指令和传统的8051单片机指令一样，同时支持目前国内使用最广的KeilC仿真软件，只要有过51单片机编程经验或使用过KeilC的人，就可以很轻松的上手C8051F313的编程工作，而不需要事前投入大量时间进行学习。本设计使用C语言编程，程序可移植性强。其程序流程图如图3所示。结语本设计充分利用了C8051F313片上的资源，特别是PCA的资源。使用PCA的3个捕捉/比较模块巧妙地实现了直流无刷电机转子位置的检测;一个捕...