張娜

摘 要：C8051F021是美國(guó)Cygnal公司生產(chǎn)的單片機(jī)。本文采用C8051F021作為嵌入式芯片搭建嵌入式控制平臺(tái)，以工控機(jī)為上位機(jī)通訊設(shè)備對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行矢量控制，改善其轉(zhuǎn)矩控制性能。

關(guān)鍵詞： C8051F021;永磁同步電動(dòng)機(jī);矢量控制

文章編號(hào)： 2095-2163（2019）03-0289-02 中圖分類(lèi)號(hào)： TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

0 引 言

作為時(shí)下流行的嵌入式芯片，C8051F021具有片上資源豐富、低功耗、高速度等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于多個(gè)控制領(lǐng)域系統(tǒng)中。永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）矢量控制則致力于改善轉(zhuǎn)矩控制性能，具體是用PMSM模擬直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律。在矢量控制系統(tǒng)中，PMSM轉(zhuǎn)子空間位置主要是通過(guò)光電編碼器等位置檢測(cè)傳感器實(shí)測(cè)得到，通過(guò)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生電壓、電流等控制變量，再經(jīng)逆變器輸出電流控制PMSM旋轉(zhuǎn)[1]。本文采用id=0的電流控制方式。對(duì)此內(nèi)容，本文將做出研究闡述如下。

1 硬件結(jié)構(gòu)

嵌入式芯片的永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)即由如下部分組成：C8051F021 微控制器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、編碼器接口、PWM接口、驅(qū)動(dòng)模塊、矢量控制電路及永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）。該硬件結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)如圖1所示。

由圖1研究可知，C8051F021是由美國(guó)Cygnal公司推出的高度集成的片上系統(tǒng)，也是混合信號(hào)的系統(tǒng)芯片。指令結(jié)構(gòu)中70% 的指令執(zhí)行時(shí)間為1個(gè)或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期;且在其中嵌入了一款高速、低功耗、高性能的8位微處理器，由此就使得高速指令處理能力成為其尤顯突出的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)[2]。32個(gè)I/O口線;I/O口線均容許5 V電壓。 C8051F021本身帶有串行口，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)省去了外圍電路、減小了體積，為外圍電路拓展提供方便。可同時(shí)使用的硬件包括 SMBusTM、I2CTM、兼容SPITM及2個(gè)UART串口，可以方便地實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊。

驅(qū)動(dòng)電路是將STM32輸出的PWM信號(hào)進(jìn)行功率放大，其工作原理是依據(jù)PWM觸發(fā)信號(hào)的狀態(tài)，導(dǎo)通或關(guān)斷功率管，實(shí)現(xiàn)直流逆變并給電機(jī)定子繞組饋電的功能。驅(qū)動(dòng)模塊采用DR30，是一款I(lǐng)PM模塊。該模塊內(nèi)部配有開(kāi)關(guān)電源、高速光耦、保護(hù)電路、外圍接口以及散熱器等一系列功能電路，是一個(gè)全功能的驅(qū)動(dòng)器。該產(chǎn)品具有多重優(yōu)點(diǎn)，性能穩(wěn)定且利于開(kāi)發(fā)，其完善性的應(yīng)用功能適用于各種要求下的電路設(shè)計(jì)。DR30驅(qū)動(dòng)器有4種電路保護(hù)，分別為：過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、欠熱保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)。CPU的供電電壓是+5 V。

DR30包括2個(gè)用戶(hù)接口端子JP1和JP2。而JP1 、JP2的設(shè)計(jì)原理分別參見(jiàn)圖2和圖3。

2 永磁同步電動(dòng)機(jī)

永磁同步電動(dòng)機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor， PMSM）是電勵(lì)磁三相同步電動(dòng)機(jī)，使用永磁體而剔除了電勵(lì)磁系統(tǒng)，因而也無(wú)需涉及勵(lì)磁繞組、集電環(huán)和電刷的設(shè)計(jì)，同時(shí)定子是不變的[3]。二極面裝式永磁同步電動(dòng)機(jī)的物理模型如圖4所示。

圖4中，考慮到將位于永磁勵(lì)磁磁場(chǎng)軸線的線圈作為等效勵(lì)磁繞組的表示形式，就可以將面裝式PMSM等效成為電勵(lì)磁三相同步電動(dòng)機(jī)。

在圖4中，永磁勵(lì)磁磁場(chǎng)軸線定義為d軸，沿著d軸旋轉(zhuǎn)方向超前90°電角度即為q軸。fs是定子三相繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)矢量，同時(shí)is則是定子電流矢量[3]。產(chǎn)生is（fs）的等效單軸線圈位于有效匝數(shù)為相繞組的3/2倍的is（fs）軸上。

3 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制

永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)中包括了永磁同步電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、主電路以及C8051F021 微控制器，其模型設(shè)計(jì)詳見(jiàn)圖5。

PMSM矢量調(diào)速控制系統(tǒng)三相交流電機(jī)通過(guò)整流濾波電路轉(zhuǎn)化為直流，設(shè)計(jì)中使用直流模擬交流展開(kāi)控制過(guò)程，再將直流經(jīng)過(guò)逆變電路轉(zhuǎn)換成交流，并且輸出到永磁同步電動(dòng)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)嵌入式平臺(tái)中永磁同步電動(dòng)機(jī)的適量控制系統(tǒng)搭建進(jìn)行了探討與分析，包括介紹嵌入式芯片C8051F021、永磁同步電動(dòng)機(jī)及永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制。

參考文獻(xiàn)

[1]劉軍. 永磁電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)若干問(wèn)題的研究[D]. 上海：華東理工大學(xué)，2010.

[2]? 王芳 陳亞光. C8051F021在遠(yuǎn)程診斷與急救支援系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].? 電子技術(shù)應(yīng)用，2004（4）：16-19.

[3] 王成元，夏加寬，孫宜標(biāo). 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)[M]. 2版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.