3.5单片机的硬件特性
1、单片机集成度高。单片机包括CPU、4KB容量的ROM（8031无）、128 B容量的RAM、2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口。
2、系统结构简单，使用方便，实现模块化；
3、单片机可靠性高，可工作到10^6 ~10^7小时无故障； 4、处理功能强，速度快。
第3章 设计方案
四、设计方案
4.1系统硬件设计
本系统是采用C515C 单片机实现全数字式的无刷直流电动机控制系统, 该系统主要包括无刷直流电动机、电动机驱动电路、C515C 单片机控制系统等。该控制系统主要的功能有电动机的换相控制、正/ 反转控制、制动控制、电动机转速的测量和闭环调速、电流限制等保护电路的设计。系统硬件结构原理框图如图4 所示。该系统的核心部件是西门子公司生产的C515C 单片机。C515C 单片机的资源丰富、功能强大, 其主要特点是: 利用比较功能可以方便地输出PWM( pulse width modulation) 信号, 大大地减少了CPU 的占用时间; 利用捕获功能可对电动机的转速进行准确的测量。C515C 具有丰富的中断资源和3 种通用的通信接口( USART 接口, SSC 接口和CAN 接口) ; 而且, 该芯片内部集成了10 位的A/D 转换器和64kB 的外部程序存储器和数据存储器等。该单片机的使用, 大大简化了系统的硬件设计和软件设计。
C515C 单片机的P1.0, P1.2, P1.3, P1.4, P3.2, P3.3, 6个口作为输入口, 采集位置传感器信号,同时也作为中断源控制电动机换相。P5口作为输出口, 通过门电路(7426)控制驱动电路的上下桥臂的MOSFET管。P1.1作为PWM输出口,对电动机的转速进行调制。P4.0输出高低电平控制电动机的起停。电机驱动电路如图2 所示, 采用MOSFET 管搭成的三相全控桥。下面介绍一下该单片机控制系统所能实现的主要功能。
4.2转子位置检测
本系统利用3个霍尔传感器来检测转子位置。电机在正常运转时, 通过霍尔传感器可得到如图3所示的位置信号H1,H2,H3,在每一周内有6个强制换相点, 将这3路信号分别输入到单片机C515C的6个外部中断, 其中CC0, CC2, CC3 是上升沿中断, INT0, INT1, INT2 是下降沿中断, 这样可实现电动机每转过60o电角度就产生一次中断, 即可方便地得到转子位置, 而无需附加任何硬件电路。
4.3换相控制
本系统采用的是三相三角型联结, 驱动主回路采用二二导通方式, 共有6 种导通状态, 转子每转60°变换一种状态。导通状态的转换通过软件来完成, 即根据位置传感器的输出信号H1,H2, H3, 不断地取相应的控制字送P5口来实现。位置传感器信号与控制字组成的换相真值表如表1 所列。
4.4转速的测量和控制
C515C 单片机可通过初始化设置自动地发出PWM 脉冲波, 通过改变脉冲宽度来控制电枢的通电电流, 实现转速的控制。本系统中, 通过P1. 1口比较输出功能输出PWM 脉冲, 该脉冲信号控制与非门7426 的B 输入端。当P1. 1口输出低电平时, 使与非门输出高电平, 驱动电路中上侧的MOSFET 管T 1, T3, T5 被封锁; 当P1. 1 口输出高电平时, 与非门的输出状态取决于单片机的控制字, MOSFET 管T1, T3, T5 的导通与截止按正常换相状态进行。利用位置传感器的输出信号作为电动机速度的测量信号, 转速的测量主要是通过C515C 单片机P1. 2口的捕获功能来实现的。单片机可自动地捕获到位置传感器信号的2个上升沿, 可通过计算得出2个上升沿间隔的时间T , 及在T内计得的时钟脉冲φ的个数为m, 则通过公式f?1/T?1/m?, 即可求的电动机的转速。
?2?4.5转速设定
C515C 单片机具有标准的CAN 控制器接口和串行通信接口, 这2个接口是单片机与外界沟通的主要渠道。可以通过任意一个接口来传递速度的设定值。另外, 由于无刷直流电动机的转速与电动机的电压呈线性关系, 可以通过A/ D 转换进行转速的模拟设定。
4.6电流限制
本系统对电动机的电流限制是通过A/ D 转换来实现的。由于电流不能直接由A/ D 转换器转换, 因此必须先将其转变成电压信号。常规测量电流的方法多用在被测电路串联电阻, 直接测量电阻两端电压的方法, 但存在测量范围小、测量误差大等缺点。而测试系统采用电流/电压转换芯片MAX471, 其输出电压可直接输入到C515C 的A/ D 转换输入端, 克服了常规方法的缺点, 实现了电动机电流的高精度测量。当由A/ D 转换采集到的值大于预先设定好的最大值时, 通过软件控制封锁MOSFET 管, 让电动机停转。
4.7正反转控制
无刷直流电动机的正反转原理很简单, 只要改变开关管的通电顺序就可以
实现电动机的反转。本系统中, 正反转控制也是通过软件来完成的, 通过送反转的控制字到P5 口即可。电动机的反转控制字如表2 所列。
4.8系统软件设计
本系统的控制软件主要包括主程序、6个外部中断服务子程序、测速程序、换相程序、A/ D转换程序、脉宽调制程序、PI 调节程序和计数器/ 定时器中断程序等几部分。下面给出部分程序框图, 分别如图5、图6、图7 所示。其中, 控制算法采用的是积分分离的PI 算法, 设转速被控量的最大允许偏差为Δ , 当转速偏差e小于Δ 时, 采用PI调节算法, 而当e大于等于Δ 时则不再进行积分运算, 即把积分分离出去, 这样显著降低了被控量的超调量和过渡时间, 使调节器性能得到改善。
PI 调节器的脉冲传递函数为: