基于单片机AT89C2051的无刷直流电动机调速系统

吴欣

（凯斯纽荷兰工业（哈尔滨）机械有限公司）

摘 要：本文介绍了基于AT89C2051的无刷直流电动机控制器的硬件结构，软件设计以及调速方案的具体实现。本系统采用电流单闭环控制策略，PWM调速方式对无刷直流电机进行控制。经过验证表明，系统结构简单，性能稳定可靠，调速效果良好。

关键词：AT89C2051；无刷直流电机；PWM；调速

1 引言

AT89C2051是ATMEL公司生产的高性能CMOS 8位微处理器。该芯片内含2k bytes的可反复擦写的只读Flash程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。由于该芯片价格便宜，性能稳定，本系统设计的基于单片机AT89C2051的无刷直流电动机调速系统具有实际应用价值。

2 硬件设计

2.1 系统的硬件框图

本系统采用单闭环（电流环）控制策略。采样电流与给定通过TL494进行PI调节，输出一定占空比的PWM控制信号，对电机进行调速。位置传感器检测电机转子的位置，经过信号处理，从而确定下一时刻电机的驱动方式。系统的硬件框图如图1所示。

2.2 系统的控制、隔离和驱动

①控制部分。本系统的控制对象三相直流无刷电机采用两两导通，360°度为一周期，三相六状态控制方式。在定子内部每隔120°电角度放置了3片霍尔型位置传感器，位置传感器的输出信号输入到单片机AT89C2051的I/O口P3.2～P3.4，单片机通过捕捉位置传感器任一路输出上的跳变沿，读取跳变沿后的编码器输出状态，就可以确定转子的新位置，实现定子绕组电流换向。单片机通过软件编程根据检测的位置信号经I/O输出6路PWM控制信号来驱动IGBT。本例PWM调制方式采用半桥调制，即上桥臂功率开关恒通、下桥臂功率开关通过PWM调制。ZA、ZB、ZC是经过TL494斩波的信号。

采用此种调制方式，可以有效地降低功率开关的动态损耗，提高系统的可靠性。

②隔离和驱动部分。本例中采用高速光耦6N137进行隔离，6N137的输出速度可达10M bit/s。光耦的主要优点是单向传输信号，输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器（SSR）、仪器仪表、通信设备及微机接口中。由于光耦的输入阻抗与一般干扰源的阻抗相比较小，因此分压在光耦的输入端的干扰电压较小，它所能提供的电流并不大，不易使半导体二极管发光；由于光耦的外壳是密封的，它不受外部光的影响；光耦的隔离电阻很大（约1012Ω）、隔离电容很小（约几个pF），所以能阻止电路耦合产生的电磁干扰。

系统中的驱动芯片是采用的美国IR公司的IR2110专用功率管驱动芯片，只须单电源供电，内部含自举电路，可解决逆变桥上下桥臂功率管驱动不共地问题，简化驅动电路的设计，适合中、小功率三相逆变桥功率管的驱动。其自带上下桥臂驱动信号互锁和过流保护功能。

2.3 系统的电流检测电路

本系统的电流检测是由电流霍尔传感器检测两相电枢绕组上的电流。第三路电流可由公式ic=-（ia+ib）求得。检测的电流信号经过精密全波整流电路后分别输入给TL494，与给定进行比较，经过PI调节输出三路PWM波ZA、ZB和ZC。

2.4 系统的软启动及停机保护电路

主电路充电软起功能是指当系统启动时接通单相220V电压，如果直接接入将会对储能电容C3将产生极大的电流冲击，从而对系统造成损害。为此，加入了主电路充电延时电路，具体做法就是在滤波电容前加一个限流电阻R1，在系统启动时使直流母线电压逐步增加，避免了启动时的大电流冲击，待电容C3的电压为稳态值的90%时，继电器常开触点SJ1闭和，从而实现了充电软起的功能。本系统软启动的实现是通过单片机I/O口P1.0发出一个脉冲信号，通过光耦TPLP627使继电器线圈JY0得电，常开触点SJ1闭合，从而控制启动时间。系统启动时，SJ1先处于断开状态，电容C3开始充电，当电容C3充电到一定电压时，SJ1导通，C1、R2和R1被短路掉。

在系统停机或突然断电时，当控制电路放电至零时，主电路C3仍然有较高电压，此时控制信号紊乱，有可能造成桥臂功率开关管“直通”现象。为了避免这一现象的发生，本系统设计了系统断电保护电路。用SJ2、R4来实现这一功能。SJ2为常闭触点，其线圈由电网电压220V控制，系统上电时SJ2线圈通电，常闭触点打开，此时系统可以实现“软充电”；系统断电时，SJ2常闭触点闭合，电阻R4并入放电回路，此时主电路的时间常数变小，通过对R4适当选取可以保证断电时系统的安全。继电器SJ2是通过单片机P1.1口控制的。

3 系统的软件流程及部分程序

系统的软件指的是针对AT89C2051芯片的应用程序，系统的软件流程如图2所示，包括系统的初始化，主电路的充电延时程序，控制算法的编程语言实现，中断流程的设计等的编写。

结束语

基于AT89C2051的无刷直流电动机控制器结构简单，性能稳定可靠，调速效果良好。无刷直流电机在运行过程中，起动快、运行平稳、噪音低，能满足家电、医疗、纺织等行业的实际应用需求。