一種基于雙單片機(jī)通信的無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計方案

在無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)中，通常用DSP對信號進(jìn)行采集和處理。但由于DSP的價格昂貴，在一些實時性要求不高的場合，可以用MCS-51單片機(jī)來代替DSP控制無刷直流電動機(jī)的起停、正反轉(zhuǎn)和調(diào)速。

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于雙單片機(jī)通信的無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)。該設(shè)計方案電路簡單、可靠性強(qiáng)、價格便宜。系統(tǒng)主要包括單片機(jī)控制電路、邏輯保護(hù)電路、過流保護(hù)電路、驅(qū)動電路、測速電路、轉(zhuǎn)子位置檢測電路等。其原理如圖1所示。

表1 電機(jī)正轉(zhuǎn)換相表 H1 H2 H3 導(dǎo)通的管子 控制字
1 0 1 Q1,Q2 0x0f
1 0 0 Q2,Q3 0x27
1 1 0 Q3,Q4 0x33
0 1 0 Q4,Q5 0x39
0 1 1 Q5，Q6 0x3c
0 0 1 Q6，Q1 0x1e

1 轉(zhuǎn)子位置檢測電路

控制無刷直流電動機(jī)時，必須要知道轉(zhuǎn)子的位置。在本設(shè)計方案中，采用了三個光電式位置傳感器。這種傳感器利用光電效應(yīng)，由跟隨電動機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的遮光板和固定不動的光源及光電管等部件組成。遮光板開有180°電角度左右的縫隙。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，光電管間歇接收從光源發(fā)出的光，不斷導(dǎo)通和截止，從而產(chǎn)生一系列0、1信號。這些信號通過P0口傳輸給單片機(jī)后，單片機(jī)通過P1口送出相應(yīng)的控制字，就能很好地控制電機(jī)的換相。其控制原理圖和換向控制表如圖2和表1所示。

2 驅(qū)動電路

絕緣柵極雙極型晶體管IGBT的柵極驅(qū)動電壓一般為15V±10%，而關(guān)斷負(fù)偏置電壓為5～6V。因此選用TLP250驅(qū)動IGBT，電路如圖3所示。 TLP250內(nèi)部是光電耦合的，實現(xiàn)將控制電路與主電路隔離。當(dāng)3腳接收到一個低電平時，VGE輸出近似為15V，可以驅(qū)動IGBT使其導(dǎo)通；相反，當(dāng)3 腳接收到一個高電平時，VGE輸出近似為-5V，使IGBT截止。六只TLP250隨著輸入電平變化，可以很好地控制IGBT的開斷，從而實現(xiàn)換相。

3 保護(hù)電路

3.1 起動時的限流保護(hù)電路

電動機(jī)起動時，由于轉(zhuǎn)速較低，故轉(zhuǎn)子磁通切割定子繞組所產(chǎn)生的反電勢很小，因而可能產(chǎn)生過大的電流I。通常要加過流保護(hù)電路，

如圖4所示。主回路中通過電動機(jī)的電流最終通過電阻Rf接地。因此，Uf=Rf·IM，其大小正比于電動機(jī)的電流IM，Uf通過10kΩ電阻與電壓比較器LM324反相輸入端相連。當(dāng)Uf大于LM324正相輸入端給定電壓U0時，LM324輸出低電平。使發(fā)光二極管導(dǎo)通，則三極管C端輸出低電平。由于C端與三輸入與非門74LS10相連，不論另外兩輸入如何，其輸出必為高電平，因而從TLP250輸出-5V，同時關(guān)斷了Q2、Q4、Q6三只 IGBT，即切斷子主電路。當(dāng)UfU0時，LM324輸出高電平，這時它不起任何作用，電機(jī)正常換相。

3.2 運行時的邏輯保護(hù)電路

為防止單片機(jī)系統(tǒng)受環(huán)境干擾或執(zhí)行程序時出錯，在單片機(jī)輸出端加了一個邏輯保護(hù)電路，其電路如圖5所示。假定起動電流不超過最大電流，則輸入C不起任何作用，輸出只受P10～P15控制。按照所設(shè)計的橋式電路，要求Q1與Q4、Q2與Q5、Q3與Q6不能同時導(dǎo)通，否則通過IGBT的電流過大，導(dǎo)致過流損壞。根據(jù)電路的邏輯關(guān)系，當(dāng)P10P13、P11P14、P12P15出錯，都輸出低電平，或者P0口輸出均為低電平（高電平），Q1Q4、Q2Q5、 Q3Q6沒有同時導(dǎo)通，很好地保護(hù)了電路。

4 測速電路

如果要對直流無刷電動機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確控制，首先要對它的轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確測量。筆者利用轉(zhuǎn)子位置傳感器所產(chǎn)生的脈沖信號來反映電機(jī)的轉(zhuǎn)速。將傳感器輸出端接到單片機(jī)的P15口，隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動，單片機(jī)不斷的接收到高低電平。當(dāng)單片機(jī)檢測到一個下跳沿時開始啟動定時器T1工作，直到接收到下一個相鄰的下跳沿時為止。相繼兩個高電平之間的時間與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，可以測量出電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。

5 雙單片機(jī)控制電路

5.1 設(shè)計原理

在本設(shè)計方案中，用單片機(jī)來控制無刷直流電機(jī)的起動、換相、調(diào)速、正反轉(zhuǎn)及停車。在設(shè)計中，由于程序在測量轉(zhuǎn)速時，有一個等待延時時間，如果電動機(jī)轉(zhuǎn)速較低，則傳感器傳輸?shù)膬蓚€高電平間隔較大，則必然影響到電機(jī)換向，使電機(jī)失步而停車。為避免這種情況，在設(shè)計時使用了兩片89C52單片機(jī)，其中一塊為主單片機(jī)，一塊為從單片機(jī)。從單片機(jī)主要負(fù)責(zé)控制電動機(jī)的換相時機(jī)。當(dāng)從單片機(jī)接收到轉(zhuǎn)子位置檢測電路的轉(zhuǎn)子位置信息后，由其P1口向邏輯保護(hù)電路發(fā)出兩路信號，邏輯保護(hù)電路將接收到的信號反相后傳輸給六只IGBT的柵極驅(qū)動電路，從而控制定子繞組的換相時機(jī)。主單片機(jī)負(fù)責(zé)測量轉(zhuǎn)速，并將測到的實際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速比較，將比較結(jié)果通過串行口TXD傳送到從單片機(jī)。從單片機(jī)接收到信息后，在換相時機(jī)不變的前提下，改變定子國繞組電流通電時間，從而達(dá)到調(diào)整的目的。單片機(jī)接法如圖6所示。

5.2 串行口雙機(jī)通信

在串行通信中，接收、發(fā)送雙方向波特率必須一致。因此，首先要設(shè)定通信波特率，根據(jù)需要設(shè)置合理的發(fā)送接收速率。主單片機(jī)程序在復(fù)位時，初始化串行傳送控制寄存器SCON，設(shè)置SCON=0x40，此時采用串行傳輸模式一。令SMOD=1，TMOD=0x21，定時器T1設(shè)為方式二，初值設(shè)為0xff，則波特率為62.5kbit/s。主單片機(jī)采用定時發(fā)送數(shù)據(jù)方式，從單片機(jī)接收數(shù)據(jù)采用中斷方式。首先要對串行口進(jìn)行初始化，定義SCON使REN=1，且要開CPU及串行口中斷，使EA=1，ES=1。接收到數(shù)據(jù)后，接上中斷標(biāo)志位RI為1，程序進(jìn)入中斷服務(wù)程序，先關(guān)中斷，然后將SBUF接收到的數(shù)據(jù)取出，再使RI清零并開中斷退出中斷服務(wù)程序。具體思路是：主單片機(jī)將測量的轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速比較，如果過大，則通過串行口向從單片機(jī)發(fā)出數(shù)字0；如果過小，則向從單片機(jī)發(fā)出數(shù)字1；如果相等，則向從單片機(jī)發(fā)出數(shù)字2。從單片機(jī)通過中斷讀取信息，如果SBUF里數(shù)的為0，則增大換相延時時間，降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，直至接收到2為止；如果SBUF里的數(shù)為1，則減小換相延時時間，以增大電機(jī)轉(zhuǎn)速，直至接收到2為止；如果SBUF里的數(shù)為2，則換相延時時間不變，電機(jī)保持在當(dāng)前速度下運行。

5.3 串行通信軟件設(shè)計

整個軟件采用C51語言編寫，全部模塊化編程。主單片機(jī)程序模塊主要包括測速程序、設(shè)定速度程序、速度顯示程序，其主函數(shù)流程圖如圖7所示。從單片機(jī)程序模塊主要包括正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停車程序、調(diào)整程序、串行中斷服務(wù)程序，其主函數(shù)流程圖及中斷函數(shù)流程圖如圖8、圖9所示。

本文設(shè)計并實現(xiàn)的無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)，在實驗室已調(diào)試成功。該電路軟件仿真和硬件實現(xiàn)已通過驗證，取得了很好的效果。實踐證明本設(shè)計可行有效。