基于C8051F500的開關磁阻電動機控制系統設計

姬起群，施火泉

(江南大學，江蘇無錫214122)

0 引 言

隨著釹鐵硼磁鋼緊缺和價格的上漲，加快了開關磁阻電動機發展的步伐。開關磁阻電動機(以下簡稱SRM)調速系統是一種新型的交流調速系統，其結構簡單、堅固耐用、起動轉矩大、調速范圍寬、控制靈活、效率高等優越性，成為直流調速和交流變頻調速系統強有力的競爭者［1］。

本文以內置CAN 2.0B控制器的汽車級微控制器C8051F500作為主控芯片，利用其片內資源，簡化外圍硬件電路。重點介紹了系統的硬件電路設計和軟件控制策略，并通過實驗驗證該控制系統可靠性高，調速性能優良。

1 SRM控制系統硬件設計

圖1為以C8051F500為控制核心的開關磁阻電動機控制系統框圖，外圍電路主要有:運行控制信號輸入電路，位置、電壓、電流反饋信號檢測與保護電路，PC929驅動電路，通信接口電路，鍵盤和顯示等。

1.1 控制器

圖1 開關磁阻電動機控制系統框圖

采用美國Silicon Labs公司推出的汽車級混合信號微控制器C8051F500。它使用CIP-51微控制器內核，運算速度高達50 MIPS，內部具有64 kB FLASH，4 352字節 RAM，一個高信噪比的12位ADC，2個電壓比較器，硬件實現UART、SMBUS/I2C和增強的SPI串行接口，內置CAN 2.0B和LIN 2.1硬件控制器，4個通用的16位計數器/定時器(T/C)，6個捕捉/比較模塊的16位可編程計數器陣列(PCA)，40個通用I/O端口，內置電源監視器，看門狗和時鐘振蕩器，JTAG在線調試接口等，高度集成的片上系統為設計高性能低成本的控制系統提供了方便［2］。

1.2 功率變換器

圖2 功率變換器主電路

控制對象為380 V、55 kW的三相12/8極開關磁阻電動機，主開關管采用300 A/1 200 V的IGBT。圖2為系統功率變換器主電路(A相繞組)，采用不對稱半橋型電路，用足了主開關管的額定電壓，不存在上下橋臂直通故障，控制簡便，可靠性高。采用三相橋式全波整流電路供電，限流電阻R0限制上電瞬間大的浪涌電流，當直流母線電壓高于閥值電壓時，閉合交流接觸器KM，主電路電流從KM流過。兩只耐壓為450 V的電解電容C1、C2串聯可承受800 V的直流母線電壓，R1、R2為均壓電阻。R7和Q7為過壓放電回路，滿足快速制動的要求。以A相為例，通過PWM控制主開關器件Q1、Q2同時導通或關斷來調整A相的電流，在關斷時，通過快恢復續流二極管D1、D2續流進行能量回饋［3］。

1.3 驅動電路

日本Sharp公司生產的PC929芯片，具有高速隔離、內置過流保護電路、使用方便等特點，是一種比較典型的驅動電路芯片。驅動電流最大為0.4 A，具有小于0.5 ms的高速響應時間，隔離電壓高達4 kV，適用于中小容量 IGBT的驅動［4］。圖 3為PC929構成的IGBT驅動電路，采用獨立電源供電，PC929驅動輸出+15 V和-10 V的柵極電壓。電阻R1、R2、三極管 Q1和穩壓管 ZD1(擊穿電壓3.5 V)構成欠壓保護電路，還可以改善PC929的傳輸特性。Q2、Q3組成互補式功率放大器，驅動中、大功率的IGBT。R9～R12、D1～D3構成IGBT集電極電壓檢測電路，與PC929內部檢測電路配合，實現過流(OC)保護。當IGBT過流時，PC929立即關斷驅動輸出，并由8腳輸出故障信號，經過光電耦合后的OC信號輸入單片機，觸發功率驅動保護中斷，封鎖6路PWM脈沖信號。

圖3 PC929驅動電路

1.4 檢測電路

1.4.1 位置、角度及速度檢測

采用光電式位置傳感器，它由碼盤和光電脈沖發生器組成。光電傳感器輸出的轉子位置信號經濾波、整形、光耦隔離后送給單片機，以確定定子和轉子的相對位置。圖4(a)為三相位置信號S1、S2、S3，方波周期為45°，相鄰兩相相差15°，三相位置信號異或成周期為15°的方波信號S，此信號分兩路:一路經倍頻電路進行角度細分后，送給單片機進行計數，實現角度位置控制;另一路直接連接單片機捕獲單元，作為角度計算的參考點，通過M/T法計算電機實時轉速，圖4(b)為一相位置檢測電路［5］。

圖4 位置信號波形和其中一路位置檢測電路

1.4.2 電流檢測

采用霍爾電流傳感器，它具有精度高、響應速度快、線性度好、強弱電隔離檢測等優點。電流傳感器實時檢測各相電流，電流信號分兩路:一路為模擬量作為電流反饋，經電壓跟隨器輸入單片機ADC引腳，實現電流斬波控制;另一路經電壓比較器轉換為數字信號，輸入單片機外部中斷引腳，實現電機過流保護。圖5為一路電流檢測電路。

圖5 電流檢測電路

2 SRM控制系統軟件設計

控制系統軟件主要包括初始化子程序、給定輸入子程序、兩相起動子程序、角度與轉速計算子程序、運行子程序、過欠壓與過流等故障保護子程序和顯示子程序等。圖6為系統軟件控制流程圖，C8051F500采用交叉開關將外圍設備配置到P0～P4口，可編程計數器陣列PCA實現脈寬調制信號(PWM)的輸出，改變PCA0CPHn的值調節PWM的占空比;A/D轉換器用于檢測電流反饋和速度給定信號;外部中斷INT0檢測過流信號;通用定時器T/C2用于捕獲轉子位置信號，通過CAN控制器與其它設備通信［2］。

圖6 系統軟件控制流程圖

為了盡量減小轉矩脈動，保證良好的調速性能，系統采用電流斬波控制(CCC)和變角度位置控制(APC)相結合的電流內環、轉速外環雙閉環控制。圖7為兩種控制方式下實測的電流波形，圖7(a)采用電流斬波控制(CCC)，電流波形成平頂狀，基本實現恒轉矩輸出;圖7(b)采用變角度位置控制(APC)，開通角 θon=-3°，關斷角 θoff=18°，有效電流值增加。軟件修正速度滯環，避免兩種工作方式頻繁切換，從而快速有效地調節轉速。

3 結 語

本文充分利用C8051F500的片內資源，設計了主電路、PC929驅動電路和信號檢測電路，結合優化的軟件控制算法，實現電流斬波控制和變角度位置控制。樣機實驗表明，系統轉速調節快、有效功率大、轉矩脈動小，驗證了該控制系統軟硬件設計的可行性，其具有結構簡單、動態速度快、可靠性高，在電動汽車等領域具有較好的應用價值。

［1］ 王宏華.開關磁阻電動機調速控制技術［M］.北京:機械工業出版社，1999.

［2］ 童長飛.C8051F系列單片機開發與C語言編程［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2005.

［3］ 譚國俊，韓耀飛，蒯松巖，等.大功率開關磁阻電機調速系統［J］.電力電子技術，2006，40(4):91-98.

［4］ 訾振寧，郝瑞祥，游小杰，等.基于PC929的 IGBT驅動和保護電路設計［J］.電氣技術，2007(9):28-31.

［5］ 崔建峰，黃文力，孫標.基于DSP的開關磁阻電機調速系統設計［J］.電力電子技術，2010，44(10):75-77.