基于Ｃ８０５１Ｆ３１３的新型電動自行車調速控制系統設計

摘要：介紹了基于C8051F313電動自行車調速控制系統的設計方案。該方案的整個系統成本比較低，實時性強，可靠性高，性能好。

關鍵詞：直流無刷電動機；調速控制系統；電動自行車

引言

隨著環境的污染和能源的緊張，電動自行車以無廢氣污染，無噪音，利用電能和使用方便等優點，越來越受到人們的喜愛，成為生活中的代步交通工具。本文介紹采用美國公司Silicon laboratories(silabs)的高速SoC型C8051F313單片機設計的一種無刷直流電機調速控制系統。該系統充分利用C8051F313的片上資源，設計方案電路簡單，需要的外圍元件少，控制器的整體成本低，性能好。

C8051F313

C8051F313屬于Silabs的高速SOC型單片機C8051F系列。C8051F系列單片機集成度高，完全兼容傳統的8051單片機內核和指令系統，但其各方面的性能都遠遠超越了傳統的8051單片機。由于采用了“流水線”結構方式處理指令，70％的指令的執行時間為1個或2個系統時鐘，突破了傳統的8051單片機運行效率低的弱點，特別是它執行乘法指令只要4個系統時鐘，執行除法指令只要8個系統時鐘。另外C8051F系列單片機片上集成了豐富的外設，極大地降低了對外圍元器件的需求：模擬多路選擇器、可編程增益放大器、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準、溫度傳感器、SMBus(I²C)、增強型UART、SPI、可編程計數/定時器陣列(PCA)、電源監視器、看門狗定時器(WDT)、時鐘振蕩器等。另外還有片上的FLASH程序存儲器、RAM和XRAM。在編程語言上，支持匯編和C編程。

系統硬件設計

整個控制系統主要包括轉子位置檢測電路、測速電路、調速電路、MOSFET全橋驅動電路、限流電路等，圖1是控制系統框圖。直流電源通過MOSFET電路向電動機定子繞組供電；轉子位置檢測電路檢測轉子的位置，并根據轉子的位置信號來控制MOSFET的導通和截止，從而實現電子換向；測速電路檢測電機的轉速，調速電路根據測速電路的檢測結果，動態地調整電機的轉速(調速)。本設計可根據需要設計成60。或120°電角度換相。

轉子位置檢測電路和測速電路

本設計中的無刷直流電動機為三相無刷直流電機，3個霍爾位置傳感器的空間間距為120°。3個霍爾傳感器的輸出H 1、H2、H3分別直接接到C8051F313的PCA(可編程計數器/定時器陣列)的三個捕捉/比較模塊：CEX0、CEXl和CEX2。捕捉/比較模塊可以對霍爾信號的上升沿和下降沿進行捕捉，并產生中斷。這種檢測無刷電機轉子位置的方法比使用A/D轉換或使用比較器的方法更具優越性。外圍電路簡單，幾乎不需要任何外圍元器件，實時性又非常高，可靠快速地對霍爾信號進行捕捉。同時使用一個定時器對中斷的間隔進行計時。這個時間就反映了電機的轉速，軟件上通過一定的算法處理，就可以得到電機此時的轉速。這種方法得到的電機轉速比較真實地反映了電機的實際轉速。

MOSFET金橋驅動電路

這部分電路實際上完成電機換相驅動和調速的功能。C8051F313根據轉子位置檢測電路的檢測結果，對無刷直流電機進行實時‘的換相驅動，同時根據轉速檢測電路檢測到的轉速對無刷直流電機進行調速。本設計采用PWM方式對電樞電壓進行控制，實現調速。

圖2中的Ua為直流無刷電機電樞兩端的電壓，PWM的周期為T(為一個固定值)，改變PWM的占空比，即改變T1的時間，那么直流無刷電機電樞兩端的平均電壓發生改變，電機的轉速也就發生了變化，實現了調速的目的。Ua的計算公式為：

Ua=(T1/(T1+T2))×Ud

這就是直流無刷電機電樞電壓的PWM調速的計算公式。按照相反的次序給直流無刷電機通電，就可以使用直流無刷電機的反轉。

在本設計中使用C8051F313的PCA(可編程計數器/定時器陣列)的一個捕捉/比較模塊CEX3來產生PWM，并且根據換相和調速的實際需要，通過Crossbar(數字交叉開關)動態地將1路PWM波分時送到MOSFET全橋的3個下管，進行調速。

軟件設計

由于C8051F313兼容傳統的8051單片機，匯編指令和傳統的8051單片機指令一樣，同時支持目前國內使用最廣的Keil C仿真軟件，只要有過51單片機編程經驗或使用過Keil C的人，就可以很輕松的上手C8051F313的編程工作，而不需要事前投入大量時間進行學習。

本設計使用C語言編程，程序可移植性強。其程序流程圖如圖3所示。

結語

本設計充分利用了C8051F313片上的資源，特別是PCA的資源。使用PCA的3個捕捉/比較模塊巧妙地實現了直流無刷電機轉子位置的檢測，一個捕捉/比較模塊產生一路PWM波實時動態地分配到MOSFET橋的三個下管進行調速，同時也實現了直流無刷電機轉速的準確測量。整個系統實時性強，可靠性高，性能好。由于C8051F系列單片機片上集成了豐富的外設，極大地降低了對外圍元器件的需求，整個系統成本比較低。