一種基于雙單片機通信的無(wú)刷直流電動(dòng)機控制系統的設計方案

在無(wú)刷直流電動(dòng)機控制系統中，通常用DSP對信號進(jìn)行采集和處理。但由于DSP的價(jià)格昂貴，在一些實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合，可以用MCS-51單片機來(lái)代替DSP控制無(wú)刷直流電動(dòng)機的起停、正反轉和調速。

本文設計并實(shí)現了一種基于雙單片機通信的無(wú)刷直流電動(dòng)機控制系統。該設計方案電路簡(jiǎn)單、可靠性強、價(jià)格便宜。系統主要包括單片機控制電路、邏輯保護電路、過(guò)流保護電路、驅動(dòng)電路、測速電路、轉子位置檢測電路等。其原理如圖1所示。

表1 電機正轉換相表 H1 H2 H3 導通的管子 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 轉子位置檢測電路

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

2 驅動(dòng)電路

絕緣柵極雙極型晶體管IGBT的柵極驅動(dòng)電壓一般為15V±10%，而關(guān)斷負偏置電壓為5～6V。因此選用TLP250驅動(dòng)IGBT，電路如圖3所示。 TLP250內部是光電耦合的，實(shí)現將控制電路與主電路隔離。當3腳接收到一個(gè)低電平時(shí)，VGE輸出近似為15V，可以驅動(dòng)IGBT使其導通；相反，當3 腳接收到一個(gè)高電平時(shí)，VGE輸出近似為-5V，使IGBT截止。六只TLP250隨著(zhù)輸入電平變化，可以很好地控制IGBT的開(kāi)斷，從而實(shí)現換相。

3 保護電路

3.1 起動(dòng)時(shí)的限流保護電路

電動(dòng)機起動(dòng)時(shí)，由于轉速較低，故轉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(guò)大的電流I。通常要加過(guò)流保護電路，

如圖4所示。主回路中通過(guò)電動(dòng)機的電流最終通過(guò)電阻Rf接地。因此，Uf=Rf·IM，其大小正比于電動(dòng)機的電流IM，Uf通過(guò)10kΩ電阻與電壓比較器LM324反相輸入端相連。當Uf大于LM324正相輸入端給定電壓U0時(shí)，LM324輸出低電平。使發(fā)光二極管導通，則三極管C端輸出低電平。由于C端與三輸入與非門(mén)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(shí)關(guān)斷了Q2、Q4、Q6三只 IGBT，即切斷子主電路。當UfU0時(shí)，LM324輸出高電平，這時(shí)它不起任何作用，電機正常換相。

3.2 運行時(shí)的邏輯保護電路

為防止單片機系統受環(huán)境干擾或執行程序時(shí)出錯，在單片機輸出端加了一個(gè)邏輯保護電路，其電路如圖5所示。假定起動(dòng)電流不超過(guò)最大電流，則輸入C不起任何作用，輸出只受P10～P15控制。按照所設計的橋式電路，要求Q1與Q4、Q2與Q5、Q3與Q6不能同時(shí)導通，否則通過(guò)IGBT的電流過(guò)大，導致過(guò)流損壞。根據電路的邏輯關(guān)系，當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(méi)有同時(shí)導通，很好地保護了電路。

4 測速電路

如果要對直流無(wú)刷電動(dòng)機的轉速進(jìn)行精確控制，首先要對它的轉速進(jìn)行精確測量。筆者利用轉子位置傳感器所產(chǎn)生的脈沖信號來(lái)反映電機的轉速。將傳感器輸出端接到單片機的P15口，隨著(zhù)電機的轉動(dòng)，單片機不斷的接收到高低電平。當單片機檢測到一個(gè)下跳沿時(shí)開(kāi)始啟動(dòng)定時(shí)器T1工作，直到接收到下一個(gè)相鄰的下跳沿時(shí)為止。相繼兩個(gè)高電平之間的時(shí)間與電機的轉速成正比，可以測量出電動(dòng)機的轉速。

5 雙單片機控制電路

5.1 設計原理

在本設計方案中，用單片機來(lái)控制無(wú)刷直流電機的起動(dòng)、換相、調速、正反轉及停車(chē)。在設計中，由于程序在測量轉速時(shí)，有一個(gè)等待延時(shí)時(shí)間，如果電動(dòng)機轉速較低，則傳感器傳輸的兩個(gè)高電平間隔較大，則必然影響到電機換向，使電機失步而停車(chē)。為避免這種情況，在設計時(shí)使用了兩片89C52單片機，其中一塊為主單片機，一塊為從單片機。從單片機主要負責控制電動(dòng)機的換相時(shí)機。當從單片機接收到轉子位置檢測電路的轉子位置信息后，由其P1口向邏輯保護電路發(fā)出兩路信號，邏輯保護電路將接收到的信號反相后傳輸給六只IGBT的柵極驅動(dòng)電路，從而控制定子繞組的換相時(shí)機。主單片機負責測量轉速，并將測到的實(shí)際轉速與給定轉速比較，將比較結果通過(guò)串行口TXD傳送到從單片機。從單片機接收到信息后，在換相時(shí)機不變的前提下，改變定子國繞組電流通電時(shí)間，從而達到調整的目的。單片機接法如圖6所示。

5.2 串行口雙機通信

在串行通信中，接收、發(fā)送雙方向波特率必須一致。因此，首先要設定通信波特率，根據需要設置合理的發(fā)送接收速率。主單片機程序在復位時(shí)，初始化串行傳送控制寄存器SCON，設置SCON=0x40，此時(shí)采用串行傳輸模式一。令SMOD=1，TMOD=0x21，定時(shí)器T1設為方式二，初值設為0xff，則波特率為62.5kbit/s。主單片機采用定時(shí)發(fā)送數據方式，從單片機接收數據采用中斷方式。首先要對串行口進(jìn)行初始化，定義SCON使REN=1，且要開(kāi)CPU及串行口中斷，使EA=1，ES=1。接收到數據后，接上中斷標志位RI為1，程序進(jìn)入中斷服務(wù)程序，先關(guān)中斷，然后將SBUF接收到的數據取出，再使RI清零并開(kāi)中斷退出中斷服務(wù)程序。具體思路是：主單片機將測量的轉速與設定轉速比較，如果過(guò)大，則通過(guò)串行口向從單片機發(fā)出數字0；如果過(guò)小，則向從單片機發(fā)出數字1；如果相等，則向從單片機發(fā)出數字2。從單片機通過(guò)中斷讀取信息，如果SBUF里數的為0，則增大換相延時(shí)時(shí)間，降低電機轉速，直至接收到2為止；如果SBUF里的數為1，則減小換相延時(shí)時(shí)間，以增大電機轉速，直至接收到2為止；如果SBUF里的數為2，則換相延時(shí)時(shí)間不變，電機保持在當前速度下運行。

5.3 串行通信軟件設計

整個(gè)軟件采用C51語(yǔ)言編寫(xiě)，全部模塊化編程。主單片機程序模塊主要包括測速程序、設定速度程序、速度顯示程序，其主函數流程圖如圖7所示。從單片機程序模塊主要包括正轉、反轉及停車(chē)程序、調整程序、串行中斷服務(wù)程序，其主函數流程圖及中斷函數流程圖如圖8、圖9所示。

本文設計并實(shí)現的無(wú)刷直流電動(dòng)機控制系統，在實(shí)驗室已調試成功。該電路軟件仿真和硬件實(shí)現已通過(guò)驗證，取得了很好的效果。實(shí)踐證明本設計可行有效。