【文章內(nèi)容簡介】 2Ax 系列MCU（單片機），該單片機是該公司設計、生產(chǎn)的高性能 8 位系列 MCU，其指令系統(tǒng)與 MCS51 兼容，內(nèi)部功能、引腳功能、引腳排列以及引腳的電氣特性與 AT89S52 基本兼容。 LS052A 系列 MCU 采用新型的發(fā)明專利技術 L 體系結構技術實現(xiàn)了多核并發(fā)處理引擎，支持同時并發(fā)地執(zhí)行三道程序。 LS 主要功能特性 LS052Ax 片內(nèi)包含 2K～ 64K 字節(jié)程序存儲器 (Flash)， 1K～ 16K字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器 (SRAM)， 4 個 16 位定 時 /計數(shù)器， 16 個中斷源 /兩級中斷機制，并發(fā)三道處理引擎， 36 個 I/O 端口驅(qū)動器， 2 個全雙工串行通信端口， 1個 SPI 主從模式通信端口， 2 個 I2C 主從模式通信端口， 1 個一線通信主模式通信端口， 7 通道空間矢量 SVPWM， 4/8 路 10 位精度 ADC， 1 個可編程看門狗，振蕩器及時鐘電路。 LS052Ax 的工作頻率為 0Hz～ 40MHz，并支持空閑 1，空閑 2 和掉電三種軟件可設置的節(jié)電工作方式?？臻e方式 1 僅停止 CPU 的工作，但維持 SRAM、定時器 /計數(shù)器、串行通信口等外設機制繼續(xù)工作；空閑方式2 停止振蕩器工作，切斷片內(nèi)所有 時鐘， SRAM 中的內(nèi)容維持不變。掉電模式切斷片內(nèi)所有供電線路，僅維持喚醒值班模塊工作， SRAM 中的內(nèi)容維持不變，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 LS052Ax 采用新型的發(fā)明專利技術 L 體系結構技術，實現(xiàn)了多核多任務并行處理，可以只運行單道程序，也可同時執(zhí)行關聯(lián)或非關聯(lián)的三道程序。執(zhí)行 1 道程序的性能是兼容芯片的 倍，同時執(zhí)行三道程序的處理能力最高可達到兼容芯片的 倍。 ? 新型體系結構－ L 結構 [在此處鍵入 ] 9 ? 3 核并發(fā)處理引擎，可并發(fā)執(zhí)行 3 道程序 ? 指令兼容 MCS51 ? 每個指令周期為 6 個 時鐘周期 ? 2～ 64KB 內(nèi)部 Flash 程序存儲器， 20200 次擦寫周期 ? 2～ 16KB 內(nèi)部 SRAM ? 寬電壓： ～ 工作電壓 ? 0Hz～ 40MHz 工作頻率 ? 兩級程序存儲器加密機制 ? 36 個可編程 I/O 端口， 20mA 吸入電流，可直接驅(qū)動 LED ? 2 級中斷機制 ? 16 個中斷源， 2～ 4 個外部中斷 ? 4 個 16 位定時器 /計數(shù)器 ? 2 個全雙工 UART 通信端口 ? 空間矢量 PWM(SVPWM), 3 相雙向 6 路， 1 路啟?？刂? ? 4/8 路 10 位精度 ADC，轉(zhuǎn)換速率 200KBPS ? 1 個可編程看門狗 ? 支持自編程功 能 ? SPI 編程接口 ? 溫度范圍：－ 45 ℃～＋ 85℃ 本次設計選用該芯片的緣由 本次設計的控制芯片是 由 xxx 有限公司提供的， 該公司是 LS 系列芯片的西北代理，該公司經(jīng)理介紹，這款芯片是一款 51 內(nèi)核的 8 位單片機，但其性能遠遠超越 51 單片機，在某種程度上可以和 DSP 等控制芯片媲美，可以滿足本次設計的要求，更重要的是它的價格很低，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α? [在此處鍵入 ] 10 系統(tǒng)控制策略分析論證 無刷直流電機的控制方法 a. 有位置傳感器控制方式 有位置傳感器控制方式，指在無刷直流電機定子上安裝位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子在運轉(zhuǎn)過程中的位置，將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，為電子換相電路提供正確的換相信息，來控制電子換相電路中的功率器件的開關狀態(tài)，保證電機各相繞組按順序?qū)?，在空間形成跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。霍爾位置傳感器是目前比較成熟的 IC 器件，具有體積小、簡單可靠、安裝靈活方便、易于實現(xiàn)機電一體化等優(yōu)點，是目前應用最為廣泛的位置傳感器。 b. 無位置傳感器控制方式 無位置傳感器控制方式是指無刷直流電機不直接安裝轉(zhuǎn)子位置傳感器，但在電機運轉(zhuǎn)過程中，控制電機換相的轉(zhuǎn)子位置信號還是需要檢測的， 因此，無刷直流電機無位置傳感器控制研究的關鍵是架構轉(zhuǎn)子位置信號檢測電路，通過軟硬件間接獲得可靠的轉(zhuǎn)子位置信號。為此，國內(nèi)外的研究人員進行了大量的研究工作，提出了很多種位置信號檢測方法，大多是利用檢測定子電壓、電流等容易獲取的物理量進行轉(zhuǎn)子位置的估算，其中較為成熟的有 : 反電勢過零點檢測法 , 反電勢 3 次諧波積分法 , 續(xù)流二極管法 等 [2]。 兩種控制方式的比較 a. 有位置傳感器 優(yōu)點： (1) 因為有霍爾位置傳感器，所以電機換相準確，轉(zhuǎn)子位置檢測的準確度不受電機轉(zhuǎn)速的影響； (2) 不需要外加的轉(zhuǎn)子位置檢測電路， 硬件電路簡單； (3) 電機換相控制編程簡單，不需要處理濾波延遲等問題。 [在此處鍵入 ] 11 缺點： (1) 增大了電機的體積。安裝了位置傳感器后，一方面電機結構變復雜了，另一方面電機的體積相對來說變大了，妨礙了電機的小型化； (2) 增加了電機成本。容量在數(shù)百瓦以下的小容量方波型無刷直流電機常用的霍爾 位置傳感器的成本相對于電機本體來說所占比例比較大； (3) 傳感器的輸出信號易受到干擾。傳感器的輸出信號都是弱電信號，在高溫、冷凍、濕度大、有腐蝕物質(zhì)、空氣污濁等工作環(huán)境及振動、高速運行等工作條件下，都會降低傳感器的可靠性。若傳感器損壞，還可能連鎖反應引起逆變 器等器件的損壞； (4) 傳感器的安裝精度對電機的運行性能影響很大，相對增加了生產(chǎn)工藝的難度。 b. 無位置傳感器 優(yōu)點： (1) 降低成本，減小電機的體積； (2) 抗干擾能力強，能在高溫、濕度大、有腐蝕物質(zhì)、空氣污濁的環(huán)境中工作； (3) 無傳感器安裝的問題，減小電機的生產(chǎn)難度。 缺點： (1) 如反電勢法等轉(zhuǎn)子位置檢測方法在低速時檢測準確度都不高，需要其他方法輔助電機起動； (2) 由于各種濾波、比較電路引起的相位延遲必須在算法中加以補償，所以算法編程難度較大； (3) 由于架構了轉(zhuǎn)子位置檢測電路，所以增加了硬件的復雜性。 本次設計所采用的方法 本次設計本著設計一款低成本的控制器的宗旨，在認真分析各種控制方式的優(yōu)缺點之后，選擇了無傳感器方式下的 基于 SPWM 的變壓變頻開環(huán)控制方法， SPWM 生成的方式采用規(guī)則采樣法，并且為了克服一些[在此處鍵入 ] 12 其他方面的不足，采用較為復雜的分段同步調(diào)制。 這種方法與傳統(tǒng)的無刷直流電機控制方法有所不同，它 一般 用來控制異步電機和同步電機的[5]，但由于小功率無刷直流電機的空間磁場接近正弦波 [6]，可以當作永磁同步電機來控制，故本次設計采用變壓變頻控制方法。 這種控制方法被廣泛應用于調(diào)速性能要求不高的場合 [8]。 這種方法是利用逆變器產(chǎn)生 頻率逐漸增加的三相互差 120 度的交流電壓，三相交流電加在電機定子繞組上產(chǎn)生三相正弦電流進而在電機部產(chǎn)生內(nèi)圓形旋轉(zhuǎn)磁場，此圓形旋轉(zhuǎn)磁場與電機轉(zhuǎn)子永磁體所產(chǎn)生的磁場互相作用帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，最終達到電機的同步運行。 [在此處鍵入 ] 13 第 3 章 PSIM 仿真 PSIM 仿真框圖 如圖 31 所示為 SPWM 調(diào)制波的 PSIM 仿真框圖， 其中比較器模塊的輸出模擬單片機發(fā)出波形，主電路同實際電路相同， 三相對稱阻感負載模擬電機，其參數(shù)和實際電機參數(shù)相同。 圖 31 PSIM 仿真圖 [在此處鍵入 ] 14 仿真波形 及分析 載波比 N=63 如圖 32（ a）所示為載波比 N=63 時電機的三相電流波形，可以看出電流波形 比較光滑 接近正弦波。如圖 32（ b）為三相電流波形的 FFT 分析，可以看出，電流波形僅含載波頻率整數(shù)倍次 附近頻率的諧波 ， 諧波次數(shù) 高 且幅值低 ，對電機影響較小。 圖 32（ a）電機三相電流波形 圖 32（ b）電機三相電流波形 FFT 分析 如圖 33 所示為電機三相電壓仿真波形， 可以看到， 輸出波形和理論分析一致為“品”字波形 且三相 電壓互差 120 度 。 [在此處鍵入 ] 15 圖 33 電機三相電壓仿真波形 如圖 34 所示為單片機發(fā)出 SPWM 波形仿真 ，可以看出，波形比較密集，開關頻率高。 圖 34 單片機發(fā)出波形仿真 載波比 N=33 如圖 35（ a）所示為載波比 N=33 時電機的三相電流波形，可以看出電流波形接近正弦波 ，相比 N=63 該波形 沒有那么平滑 。如圖 35（ b）為三相電流波形的 FFT 分析，可以看出，電流波形僅含載波頻率整數(shù)倍次 附近頻率諧波 ， 諧波次數(shù)較高， 幅值較低， 對電機影響較小。 [在此處鍵入 ] 16 圖 35（ a） N=33 時電機三相電流波形 圖 35（ b） N=33 時電機三相電流波形 FFT 分析 如圖 36 所示為電機三相電壓仿真波形， 可以看出，輸出波形相比變得稀疏，波 形仍為“品”字波形 ，相位保持不變 。 [在此處鍵入 ] 17 圖 36 電機三相電壓仿真波形 如圖 37 所示為單片機發(fā)出 SPWM 波形仿真 ，可以看到波形相對稀疏，開關頻率 降 低 ，這有效中和了調(diào)制波頻率增加帶來的開關頻率加大 。 圖 37 單片機發(fā)出波形仿真 載波比 N=21 如圖 38（ a）所示為載波比 N=21 時電機的三相電流波形，電流波形接近正弦波 但相比來 說波形變得更為粗糙 ，這是因為載波比減小的緣故 。如圖 38（ b）為三相電流波形的 FFT 分析，可以看出，電流波形 含載波頻率整數(shù)倍次 附近頻率諧波 ，諧波幅值 相比有所增加 但仍然可以 接受 。 [在此處鍵入 ] 18 38（ a） N=21 時三相電流波形 38（ b） N=21 時三相電流波形 FFT 分析 如圖 39（ a）所示為電機三相電壓仿真波形 ，可以看出，輸出波形形狀良好， 相比變得更為稀疏 。 [在此處鍵入 ] 19 圖 39 三相電壓仿真波形 如圖 310 所示為單片機發(fā)出 SPWM 波形仿真，可以看到波形相對稀疏，開關頻率更低 ， 可以看到減小載波比減小了開關頻率，降低了單片機的壓力，但同時是以犧牲精度為代價的 。 圖 310 單片機管腳發(fā)出波形仿真 仿真總結 此次仿真采用 PSIM 軟件，該軟件繪制原理圖方便，容易上手， 仿真主要對控制系統(tǒng)的原理進行了仿真。 此次設計采用的基本原理是 SPWM 調(diào)制波形，在仿真中，采用比較器來生成 SPWM 波形，其正向輸入為調(diào)制波即正弦波，反向輸入為載波即三角波，當調(diào)制波大于載波時輸出為高，當調(diào)制波小于載波時輸出為[在此處鍵入 ] 20 低。實際上仿真中采用的方法是嚴格的自然采樣法，這種方法生成 SPWM是最接近理想值得，然而在實際中用單片機發(fā)出 SPWM 波形是采用規(guī)則采樣法。兩種方法都能很好生成 SPWM 波形，只是規(guī)則采樣法精度比自然采樣法稍遜，但是對于單片機來說，規(guī)則采樣法的計算速度遠遠高于自然采樣法的計算速度，這是因為自 然采樣法在求解的過程中需要解出超越方程的根。 另外，本次設計采用分段同步調(diào)制，仿真中對不同的 載波比都進行了仿真，從結果可以看出，仿真結果和理論分析幾乎相差無幾，這對后面的硬件調(diào)試起到了很好的指導作用。 [在此處鍵入 ] 21 第 4 章 系統(tǒng)的硬件設計 硬件系統(tǒng)總體設計 硬件系統(tǒng)包括單片機控制模塊， PCB 電源模塊，驅(qū)動電路模塊以及三相逆變電路模塊。總體框圖如圖 41 所示： LS 0 5 2 AX6 路 P W M 波形驅(qū)動電路 逆變電路12v直流電源M降壓為 10 v降壓為 5 v圖 41 系統(tǒng)總體框圖 電源模塊設計 直流電源采用常用的 12v 電源模塊，經(jīng)過兩個降壓芯片 7815 和 7805降壓分別得到 5v 直流給單片機供電，和 10v 直流給驅(qū)動電路供電，同時12v 直流電作為逆變電路的直流側(cè)電壓源。電源模塊部分電路圖如 42 所示： 圖 42 電源模塊電路圖 [在此處鍵入 ] 22 單片機控制模塊 單片機控制模塊主要 應用了 LS0T52AX 的全比較單元模塊，生成 6路 PWM 波形 （ P20P25） 作為驅(qū)動電路的輸入 。單片機控制模塊部分電路圖如 43 所示： 圖 43 單片機控制模塊 驅(qū)動電路設計 IR2101 是雙通道、柵極驅(qū)動、高壓高速功率驅(qū)動器，該器件采用了高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術，大大簡化了 邏輯電路對功率器件的控制要求，同時提高了驅(qū)動電路的可靠性。同時上管采用外部自舉電容上電，使驅(qū)動電源數(shù)目較其他 IC 驅(qū)動大大減少，在工程上減少了控制變壓器體積和電源數(shù)目，降低了產(chǎn)品成本提高了系統(tǒng)可靠性。 IR2101 主要特性包括：懸浮通道電源采用自舉電路；功率器件柵極驅(qū)動電壓范圍 10～ 20 V；邏輯電源范圍 5～ 20V，且邏輯電源地和功率地之間允許 +5V的偏移量；獨立的低端和高端輸入通道。 美國 IR 公司生產(chǎn)的 IR