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基于C8051F313单片机的一种无刷直流电机调速控制系统

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 。
C8051F313
C8051F313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 。
【基于C8051F313单片机的一种无刷直流电机调速控制系统】
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Keil C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;一个捕捉/比较模块产生一路PWM波实时动态地分配到MOSFET桥的三个下管进行调速 ， 同时也实现了直流无刷电机转速的准确测量 。整个系统实时性强 ， 可靠性高 ， 性能好 。由于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 ， 整个系统成本比较低 。

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