基于C8051F313的新型電動(dòng)自行車調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

隨著環(huán)境的污染和能源的緊張，電動(dòng)自行車以無廢氣污染，無噪音，利用電能和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到人們的喜愛，成為生活中的代步交通工具。本文介紹采用美國公司Silicon laboratories(Silabs)的高速SoC型C8051F313單片機(jī)設(shè)計(jì)的一種無刷直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用C8051F313的片上資源，設(shè)計(jì)方案電路簡單，需要的外圍元件少，控制器的整體成本低，性能好。

C8051F313

C8051F313屬于Silabs的高速SOC型單片機(jī)C8051F系列。C8051F系列單片機(jī)集成度高，完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機(jī)內(nèi)核和指令系統(tǒng)，但其各方面的性能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了傳統(tǒng)的8051單片機(jī)。由于采用了“流水線”結(jié)構(gòu)方式處理指令，70%的指令的執(zhí)行時(shí)間為1個(gè)或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘，突破了傳統(tǒng)的8051單片機(jī)運(yùn)行效率低的弱點(diǎn)，特別是它執(zhí)行乘法指令只要4個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘，執(zhí)行除法指令只要8個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘。另外C8051F系列單片機(jī)片上集成了豐富的外設(shè)，極大地降低了對(duì)外圍元器件的需求：模擬多路選擇器、可編程增益放大器、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、SMBus(I2C)、增強(qiáng)型UART、SPI、可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器陣列(PCA)、電源監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器(WDT)、時(shí)鐘振蕩器等。另外還有片上的FLASH程序存儲(chǔ)器、RAM和XRAM。在編程語言上，支持匯編和C編程。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)控制系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路、測(cè)速電路、調(diào)速電路、MOSFET全橋驅(qū)動(dòng)電路、限流電路等，圖1是控制系統(tǒng)框圖。直流電源通過MOSFET電路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電;轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)來控制MOSFET的導(dǎo)通和截止，從而實(shí)現(xiàn)電子換向;測(cè)速電路檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)速電路根據(jù)測(cè)速電路的檢測(cè)結(jié)果，動(dòng)態(tài)地調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速(調(diào)速)。本設(shè)計(jì)可根據(jù)需要設(shè)計(jì)成60o或120o電角度換相。

轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路和測(cè)速電路

本設(shè)計(jì)中的無刷直流電動(dòng)機(jī)為三相無刷直流電機(jī)，3個(gè)霍爾位置傳感器的空間間距為120o。3個(gè)霍爾傳感器的輸出H1、H2、H3分別直接接到C8051F313的PCA(可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列)的三個(gè)捕捉/比較模塊：CEX0、CEX1和CEX2。捕捉/比較模塊可以對(duì)霍爾信號(hào)的上升沿和下降沿進(jìn)行捕捉，并產(chǎn)生中斷。這種檢測(cè)無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的方法比使用A/D轉(zhuǎn)換或使用比較器的方法更具優(yōu)越性。外圍電路簡單，幾乎不需要任何外圍元器件，實(shí)時(shí)性又非常高，可靠快速地對(duì)霍爾信號(hào)進(jìn)行捕捉。同時(shí)使用一個(gè)定時(shí)器對(duì)中斷的間隔進(jìn)行計(jì)時(shí)。這個(gè)時(shí)間就反映了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，軟件上通過一定的算法處理，就可以得到電機(jī)此時(shí)的轉(zhuǎn)速。這種方法得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速比較真實(shí)地反映了電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

MOSFET全橋驅(qū)動(dòng)電路

這部分電路實(shí)際上完成電機(jī)換相驅(qū)動(dòng)和調(diào)速的功能。C8051F313根據(jù)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路的檢測(cè)結(jié)果，對(duì)無刷直流電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的換相驅(qū)動(dòng)，同時(shí)根據(jù)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路檢測(cè)到的轉(zhuǎn)速對(duì)無刷直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。本設(shè)計(jì)采用PWM方式對(duì)電樞電壓進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

圖2中的Ua為直流無刷電機(jī)電樞兩端的電壓，PWM的周期為T(為一個(gè)固定值)，改變PWM的占空比，即改變T1的時(shí)間，那么直流無刷電機(jī)電樞兩端的平均電壓發(fā)生改變，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也就發(fā)生了變化，實(shí)現(xiàn)了調(diào)速的目的。Ua的計(jì)算公式為：

Ua = (T1/(T1 + T2))× Ud

這就是直流無刷電機(jī)電樞電壓的PWM調(diào)速的計(jì)算公式。按照相反的次序給直流無刷電機(jī)通電，就可以使用直流無刷電機(jī)的反轉(zhuǎn)。

在本設(shè)計(jì)中使用C8051F313的PCA(可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列)的一個(gè)捕捉/比較模塊CEX3來產(chǎn)生PWM,并且根據(jù)換相和調(diào)速的實(shí)際需要，通過Crossbar(數(shù)字交叉開關(guān))動(dòng)態(tài)地將1路PWM波分時(shí)送到到MOSFET全橋的3個(gè)下管，進(jìn)行調(diào)速。

軟件設(shè)計(jì)

由于C8051F313兼容傳統(tǒng)的8051單片機(jī)，匯編指令和傳統(tǒng)的8051單片機(jī)指令一樣，同時(shí)支持目前國內(nèi)使用最廣的Keil C仿真軟件，只要有過51單片機(jī)編程經(jīng)驗(yàn)或使用過Keil C的人，就可以很輕松的上手C8051F313的編程工作，而不需要事前投入大量時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)。

本設(shè)計(jì)使用C語言編程，程序可移植性強(qiáng)。其程序流程圖如圖3所示。

結(jié)語

本設(shè)計(jì)充分利用了C8051F313片上的資源，特別是PCA的資源。使用PCA的3個(gè)捕捉/比較模塊巧妙地實(shí)現(xiàn)了直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè);一個(gè)捕捉/比較模塊產(chǎn)生一路PWM波實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地分配到MOSFET橋的三個(gè)下管進(jìn)行調(diào)速，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確測(cè)量。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高，性能好。由于C8051F系列單片機(jī)片上集成了豐富的外設(shè)，極大地降低了對(duì)外圍元器件的需求，整個(gè)系統(tǒng)成本比較低。