基于單片機AT89C2051的無刷直流電動機調速系統

吳欣

（凱斯紐荷蘭工業（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構，軟件設計以及調速方案的具體實現。本系統采用電流單閉環控制策略，PWM調速方式對無刷直流電機進行控制。經過驗證表明，系統結構簡單，性能穩定可靠，調速效果良好。

關鍵詞：AT89C2051；無刷直流電機；PWM；調速

1 引言

AT89C2051是ATMEL公司生產的高性能CMOS 8位微處理器。該芯片內含2k bytes的可反復擦寫的只讀Flash程序存儲器和128 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元。由于該芯片價格便宜，性能穩定，本系統設計的基于單片機AT89C2051的無刷直流電動機調速系統具有實際應用價值。

2 硬件設計

2.1 系統的硬件框圖

本系統采用單閉環（電流環）控制策略。采樣電流與給定通過TL494進行PI調節，輸出一定占空比的PWM控制信號，對電機進行調速。位置傳感器檢測電機轉子的位置，經過信號處理，從而確定下一時刻電機的驅動方式。系統的硬件框圖如圖1所示。

2.2 系統的控制、隔離和驅動

①控制部分。本系統的控制對象三相直流無刷電機采用兩兩導通，360°度為一周期，三相六狀態控制方式。在定子內部每隔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，就可以確定轉子的新位置，實現定子繞組電流換向。單片機通過軟件編程根據檢測的位置信號經I/O輸出6路PWM控制信號來驅動IGBT。本例PWM調制方式采用半橋調制，即上橋臂功率開關恒通、下橋臂功率開關通過PWM調制。ZA、ZB、ZC是經過TL494斬波的信號。

采用此種調制方式，可以有效地降低功率開關的動態損耗，提高系統的可靠性。

②隔離和驅動部分。本例中采用高速光耦6N137進行隔離，6N137的輸出速度可達10M bit/s。光耦的主要優點是單向傳輸信號，輸入端與輸出端完全實現了電氣隔離，抗干擾能力強，使用壽命長，傳輸效率高。它廣泛用于電平轉換、信號隔離、級間隔離、開關電路、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態繼電器（SSR）、儀器儀表、通信設備及微機接口中。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，不易使半導體二極管發光；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）、隔離電容很小（約幾個pF），所以能阻止電路耦合產生的電磁干擾。

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

2.3 系統的電流檢測電路

本系統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。檢測的電流信號經過精密全波整流電路后分別輸入給TL494，與給定進行比較，經過PI調節輸出三路PWM波ZA、ZB和ZC。

2.4 系統的軟啟動及停機保護電路

主電路充電軟起功能是指當系統啟動時接通單相220V電壓，如果直接接入將會對儲能電容C3將產生極大的電流沖擊，從而對系統造成損害。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的電壓為穩態值的90%時，繼電器常開觸點SJ1閉和，從而實現了充電軟起的功能。本系統軟啟動的實現是通過單片機I/O口P1.0發出一個脈沖信號，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。系統啟動時，SJ1先處于斷開狀態，電容C3開始充電，當電容C3充電到一定電壓時，SJ1導通，C1、R2和R1被短路掉。

在系統停機或突然斷電時，當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管“直通”現象。為了避免這一現象的發生，本系統設計了系統斷電保護電路。用SJ2、R4來實現這一功能。SJ2為常閉觸點，其線圈由電網電壓220V控制，系統上電時SJ2線圈通電，常閉觸點打開，此時系統可以實現“軟充電”；系統斷電時，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變小，通過對R4適當選取可以保證斷電時系統的安全。繼電器SJ2是通過單片機P1.1口控制的。

3 系統的軟件流程及部分程序

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

結束語

基于AT89C2051的無刷直流電動機控制器結構簡單，性能穩定可靠，調速效果良好。無刷直流電機在運行過程中，起動快、運行平穩、噪音低，能滿足家電、醫療、紡織等行業的實際應用需求。