【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 4）電流檢測(cè)電路：電流檢測(cè)一般采用 霍爾元件實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)采用的芯片為 ACS712，該霍爾完成對(duì)系統(tǒng)電流的檢測(cè)并送入單片機(jī)處理器處理。 5）位置檢測(cè)電路：一般情況下，電機(jī)會(huì)有自帶的三相霍爾傳感器，此系統(tǒng)選用的自帶的三相霍爾傳感器的電機(jī)，霍爾傳感器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子信號(hào)并送入單片機(jī)處理器處理； 6）電源電路：輸入市電電壓，經(jīng)變壓器降壓后整流經(jīng)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓產(chǎn)生四路獨(dú)立的輸出電壓 +/12V、 5V 和 ，給整個(gè)系統(tǒng)供電。 微控制器 AT89C51 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié) FLASH 存儲(chǔ)器 （ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS 8 位 單片機(jī) 處理器 。 AT89C51采用 ATMEL 高密度非易失 存儲(chǔ)器 制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8位 CPU 和閃爍 存儲(chǔ)器 組合在單個(gè)芯片中， 使它成為 一種高效微控制器。 AT89C51 單片機(jī) 為很多 嵌入式控制系統(tǒng) 提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案 。這種單片機(jī) 應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域 [1]。 ⑴ AT89C51 的 主要性能參數(shù)： 1） 與 MCS51 兼容 ； 2） 4K字節(jié)可編程 FLASH 存儲(chǔ)器 ； 3） 壽命： 1000 寫(xiě) /擦循環(huán) ； 4） 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 ； 5） 全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz； 6） 三級(jí) 程序存儲(chǔ)器 鎖定 ； 7） 1288 位內(nèi)部 RAM； 8） 32可編程 I/O 線(xiàn) ； 9） 兩個(gè) 16 位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ； 10） 5個(gè) 中斷源 ； 11） 可編程串行通道 ； 12） 低功耗的閑置和掉電模式 ； 13） 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 ； ⑵ 特性概述： AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4K 字節(jié) Flash閃速存儲(chǔ)器， 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM，32 個(gè) I/O 口線(xiàn)，兩個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié) 構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)， AT89C51 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時(shí) /計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM中的內(nèi)同，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作指導(dǎo)下一個(gè)硬件復(fù)位。AT89C51 引腳圖如圖 32 所示。 圖 32 AT89C51 芯片引腳圖 逆變電路 S1S3S2Vi nS4S6MS5 圖 33 逆變器主電路 逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電然后再 向電機(jī)供電， 采用三相橋式全控逆變電路， 其主電路如圖 33 所示， 功率開(kāi)關(guān)器件采用功率 MOSFET。與一般逆變器不同，它的輸出頻率不是獨(dú)立調(diào)節(jié)的，而是受控于轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，是一個(gè)“自控式逆變器”。由于采用自控式逆變器，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)輸入電流的頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持同步，電機(jī)和逆變器不會(huì)產(chǎn)生振蕩和失步，這也是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的重要優(yōu)點(diǎn)之一。 功率 MOSFET 近年來(lái)由于 MOSFET元件的性能逐漸提升，除了傳統(tǒng)上應(yīng)用于諸如微處理器、微控制器等數(shù)位訊號(hào)處理的場(chǎng)合上，也有越來(lái) 越多類(lèi)比訊號(hào)處理的積體電路可以用 MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn)。 MOSFET 是英文（ MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor）的縮寫(xiě)，譯成中文是 “金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管 ”。 MOSFET 是由金屬、 二 氧化 硅或氮化硅與 半導(dǎo)體 制成 的 半導(dǎo)體 器件。 N溝道增強(qiáng)型 MOSFET的 結(jié)構(gòu) 圖 如 圖 34所示， MOSFET底部為 一塊 P型硅半導(dǎo)體材料 (圖 34① a)， 第二層設(shè)置了 兩個(gè) N型區(qū) (圖 34① b)， 第三 層 擴(kuò)散了 二氧化硅絕緣層 (圖 34① c)， 由 N區(qū)上方 采 用 一定 的方法 引出 兩個(gè)孔， 然后 用 一定 的方法分別在絕緣層上及兩個(gè)孔內(nèi) 引出了 三個(gè)電極： G(柵極 )、 S(源極 )和 D(漏極 )， 最后做成 如 (圖 34① d)所示 的樣子 。 圖 34 功率 MOSFET 的結(jié)構(gòu)圖 從圖 34 中 可以看出 MOSFET 的 G 極 與 D 極 和 S 極是相互 絕緣的， D 極 與S 極 之間有兩個(gè) PN 結(jié)。一般情況下， MOSFET 的襯底與源極在內(nèi)部連接在一起。為了改善某些參數(shù)的特性，比如提高 MOSFET 的工作電流、工作電壓、降低導(dǎo)通 電阻、提高開(kāi)關(guān)特性等，廠(chǎng)家制成不同的結(jié)構(gòu)及工藝，比如現(xiàn)有的 VMOS、DMOS、 TMOS 等結(jié)構(gòu)。 根據(jù) MOSFET 結(jié)構(gòu)及工作特性，本系統(tǒng)選擇的開(kāi)關(guān)器件為功率 MOSFET， 全橋逆變電路的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用 三相橋式全控逆變電路 ，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 31 所示，在電路圖設(shè)計(jì)中，六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件選用國(guó)際整流公司的 IRF3205 型功率 MOSFET,如圖 35a)所示。這種器件為 N 溝道型 MOSFET。其特點(diǎn)是導(dǎo)通內(nèi)阻小，這樣通態(tài)損耗低，耐壓 55V，額定電流 110A，因此適用于低壓大電流的功率變換場(chǎng)合。 硬件電路設(shè)計(jì)圖 如圖 35 所示。 QB QB QB5 三個(gè) IRF3205 作為上 橋 臂，另外 QB QB QB6 為下臂。 六個(gè) IRF3205 通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路給予的 驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制 其 導(dǎo)通與 關(guān)斷 ，在驅(qū)動(dòng)過(guò)程 為了 避免上下 管 直通 導(dǎo)致短路，驅(qū)動(dòng)信號(hào)間設(shè)置有一定的死區(qū)時(shí)間 ， 另外， 為了減小 IRF3205 管發(fā)熱，提高 整體 效率，必須為 IRF3205管提供足夠的驅(qū)動(dòng)能力 ，另外，每個(gè) IRF3205 上接有兩個(gè)電阻，比如 QB1 上，RB1 是驅(qū)動(dòng)電阻， RB2 為給功率開(kāi)關(guān)管 IRF3205 結(jié)電容提供放電回路的放電電阻。 a) IRF3205 圖 35b)三相全 橋硬件電路圖 另外，在 圖 35b)下 橋 臂三個(gè) IRF3205 功率放開(kāi)關(guān)管 QI 的 源極下面反接了一個(gè) IRF3205 功率開(kāi)關(guān) 管， 這樣做目的 是為了防止電源正負(fù)極反接對(duì)電機(jī)造成損壞。 如果輸入 電源反接， QI 管則關(guān)斷 ， 系統(tǒng)沒(méi)有回路，電流無(wú)法流通， 這樣就能夠起到電源反接保護(hù) 的 作用。 驅(qū)動(dòng)電路 前面提到六個(gè) IRF3205 管都需要一定的驅(qū)動(dòng)信號(hào)還能工作，而單片機(jī)的信號(hào)功率微弱，中間必須加功率放大環(huán)節(jié)，在本系統(tǒng)中，采用專(zhuān)門(mén)的全橋電路驅(qū)動(dòng)芯片 IR2103 來(lái)驅(qū)動(dòng)三相橋式變換器， IR2103 的輸出電壓 1020V, 這款芯片自帶自舉電路驅(qū)動(dòng)功能，專(zhuān)門(mén)為全橋電路上下功率管提供驅(qū)動(dòng)，外圍電路相對(duì)簡(jiǎn)單，不用為全橋中的上管提供專(zhuān)門(mén)的隔離驅(qū)動(dòng)電源。采用自舉驅(qū)動(dòng)方法可降低生產(chǎn)成本，提高電路可靠性。圖 36 為 IR2103 驅(qū)動(dòng)芯片引腳圖及其輸入 /輸出狀態(tài)。 圖 36 IR2103 引腳及其輸入 /輸出狀態(tài)圖 圖 37 IR2103 原理圖 IR2103 采用自帶的自舉電路，其工作原理圖如圖 37 所示。圖 37 中電容 C、二極管 VD 分別為自舉電容和自舉二極管。自舉電路的工作過(guò)程 [2]為： 與橋臂上功率開(kāi)關(guān)管 Q1 的源極和下功率開(kāi)關(guān)管 Q2 的漏極與自舉電容 C 的負(fù)極連接，當(dāng)橋臂下功率開(kāi)關(guān)管 Q2 驅(qū)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通時(shí)，由于 IR2103 管 的內(nèi)阻很小，其壓降小，可忽略不計(jì)，此時(shí) VS 點(diǎn)電壓可近視為零；這個(gè)時(shí)間段，供電電源 VCC 可通過(guò)自舉二極管 VD 向自舉電容 C 充電。當(dāng)橋臂下功率開(kāi)關(guān)管 Q2 截止后，自舉電容C 兩端屯壓保持不變，接下來(lái)在橋臂上管驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通的時(shí)候， C 通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)MOSFET 管 QV1 向外總功率開(kāi)關(guān)管柵極放電，橋臂上管驅(qū)動(dòng)信號(hào)導(dǎo)通后，由于IR2103 管 的內(nèi)阻很小，壓降小，電源母線(xiàn)電壓與 VS 點(diǎn)相連，自舉電容 C 的正極電壓為母線(xiàn)電壓與電源電壓 VCC 兩者之和 ,二極管 VD 的反向作用截止， 電容C 無(wú)法放電，因此上橋臂管驅(qū)動(dòng)信號(hào)保持不變。當(dāng)上橋臂管驅(qū)動(dòng)截止時(shí)，電容 C通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi) MOSFET 管 QV2 放電， Q1 截止。在兩路互補(bǔ)的 PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，驅(qū)動(dòng)信號(hào)按上述方式完成了對(duì)橋臂中的上下功率 MOSFET 管的驅(qū)動(dòng)。功率 MOSFET 管驅(qū)動(dòng)電路圖如圖 38 所示。 圖 38 功率 MOSFET 管驅(qū)動(dòng)電路圖 電流檢測(cè)電路 為了對(duì)變換器進(jìn)行時(shí)實(shí)控制，就必須把變換器的時(shí)時(shí)工作狀態(tài)反映到控制電路中，以供控制電路處理并調(diào)整，這就必須引入對(duì)主電路的信號(hào)采樣。電流采樣的方法有電流互感器、霍爾元件和直接電阻采樣。采用霍 爾元件取樣 ,控制和主功率電路有隔離 ,可以檢出直流信號(hào) ,信號(hào)還原性好 , 但有 μs 級(jí)的延遲 ,并且價(jià)格比較貴 。采用電阻取樣價(jià)格非常便宜 ,信號(hào)還原性好 ,但是控制電路和主功率電路不隔離 ,功耗比較大。而電流互感器采樣具有能耗小、頻帶寬、信號(hào) 還原性好 價(jià)格便宜、控制和主功率電路隔離等諸多優(yōu)點(diǎn) 本次設(shè)計(jì)中，主要采用電流互感器 對(duì)系統(tǒng) 電流信號(hào)采樣，電流互感器選用LEM 公司生產(chǎn)的 ACS712 型號(hào)的高速電流互感器， ACS712 可為工業(yè)、商業(yè)和通信系統(tǒng)中的交流或直流電流感測(cè)提供經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且精確的解決方案。該器件封裝便于客戶(hù)輕松實(shí)施。典 型應(yīng)用包括電動(dòng)機(jī)控制、載荷檢測(cè)和管理、開(kāi)關(guān)式電源和過(guò)電流故障保護(hù) [3]。 ACS712 型號(hào) 工作電壓 為 12， 輸出電流為 5A~+5A，最大誤差177。 %檢測(cè)頻率可以到 200KHz。因此完全符合我們的設(shè)計(jì)要求。 采用三個(gè) ACS712 分別測(cè)量三相的相電流，將其送入 AT89C51，經(jīng)過(guò) ADC 讀入微控制器，完成對(duì)三相電流的檢測(cè)和處理形成電流閉環(huán)。其電路圖如圖 39 所示。 圖 39 電流檢測(cè)電路 位置檢測(cè)電路 系統(tǒng)的位置檢測(cè)電路 如圖 310 所示，由于 AT89C51 芯片高電平對(duì)應(yīng)的電壓為 ，因此 本設(shè)計(jì)中采用分壓電阻分壓的方式使得輸入 AT89C51 芯片的 I/O口為 。電機(jī)有三路霍爾信號(hào)，將其分別送到 AT89C51 的 3 個(gè) I/O 口 PCO、PC PC2 中， AT89C51 芯片會(huì)根據(jù)輸入 3 路的霍爾信號(hào)，進(jìn)行軟件編程設(shè)置對(duì)應(yīng)的 PWM 波時(shí)序。 圖 310 位置檢測(cè)電路 電源電路 系統(tǒng)的供電電源部分結(jié)構(gòu)框圖如圖 311 所示，將電網(wǎng)側(cè)的 220V 交流電經(jīng)過(guò)變壓器降壓，整流，濾波及穩(wěn)壓后給系統(tǒng)供電。實(shí)際系統(tǒng)中，變壓器采用副邊12V 雙端輸出的變壓器，整流電路采用 4 個(gè) IN4001 整流二極管進(jìn)行橋式不可控制整流后，進(jìn)過(guò) 35V， 1000uF 大電容進(jìn)行濾波，然后分別進(jìn)過(guò) LM781 LM791