基于MC9S12D64單片機的直流無刷電機控制系統(tǒng)設計

由于無刷直流電動機既具備交流電動機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等系列優(yōu)點，又具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、效率高、啟動扭矩大、慣量小和響應快等其他種類直流電機無法比擬的優(yōu)點，故廣泛應用于宇航、軍事、石油裝備及工業(yè)和民用領(lǐng)域。這里給出了基于飛思卡爾MC9S12D64單片機的無刷直流電動機控制系統(tǒng)設計方案。

1 無刷直流電動機控制原理
    無刷直流電動機系統(tǒng)由電動機、轉(zhuǎn)子位置傳感器、電子開關(guān)線路和驅(qū)動電路等4部分組成。其工作原理圖如圖1所示。

    直流電源通過驅(qū)動和開關(guān)電路向電動機的定子繞組供電，提供勵磁電流，位置傳感器隨時檢測到轉(zhuǎn)子位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號控制開關(guān)管的導通和截止，從而實現(xiàn)電子換向。隨著電動機轉(zhuǎn)子永磁體的轉(zhuǎn)動，作用于位置傳感器H1、H2、H3的磁場方向N-S極發(fā)生變換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差為120°的方波信號，如圖2所示波形。

    隨著電動機轉(zhuǎn)子永磁體的轉(zhuǎn)動，作用于3個位置傳感器HALL1、HALL2、HALL3的磁場方向N-S極發(fā)生變換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差為120°的6狀態(tài)編碼信號：101、100、110、010、011、001，產(chǎn)生控制開關(guān)器件MOSFET或IGBT等功率管按一定順序兩兩導通的控制信號，這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)，6個功率開關(guān)管及按固定組合成的6種狀態(tài)依次導通，保證電機的正常運轉(zhuǎn)。

2 系統(tǒng)硬件設計
2．1 主控制器模塊
    本系統(tǒng)采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的一款16位的9S12系列的MC9S12D64單片機作為主控制器，該芯片具有豐富的I／O端口；片內(nèi)有8 KB RAM、64 KB Flash、2 KB EEPROM；SCI，SPI，PWM和串行接口模塊；帶有6路12位PWM模塊，可設定為中心對齊或邊沿對齊模式，正好用于電機的三對電極的變頻控制；片內(nèi)具有增強型捕捉定時器、8路10位A／D轉(zhuǎn)換模塊可用于電流、電壓等的檢測，實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的保護，也可接各種傳感器，大大簡化外圍電路和軟件設計。
    該系統(tǒng)包括MC9S12D64單片機工作的外圍系統(tǒng)、電機位置傳感器信號檢測部分、電機驅(qū)動電路、通信電路和溫度電流檢測電路。其實現(xiàn)的硬件電路如圖3所示。

    該控制系統(tǒng)主要功能為電動機的正反轉(zhuǎn)的控制、起?？刂?，轉(zhuǎn)速的測量和閉環(huán)調(diào)速、電機溫度、電流檢測與保護等。其中單片機外圍系統(tǒng)包括模式選擇、復位電路、晶振電路和電源4部分；電機位置傳感器的3路輸入信號HALL1／HALL2／HALL3經(jīng)上拉和濾波后分別接入PT0／PT1／PT2引腳，利用該單片機的輸入捕捉功能就可以實現(xiàn)電機每轉(zhuǎn)過60°就產(chǎn)生一次中斷，很方便地得到轉(zhuǎn)子位置和電機的轉(zhuǎn)速；由PB口輸出控制電機轉(zhuǎn)動的驅(qū)動控制信號；AN0／AN1口輸入測得的電機溫度和電機電流信號，A／D轉(zhuǎn)換后換算成實際的溫度和電流值。此外利用串口0連接RS485總線接口器件SN75176與上位機進行通信，接收上位機的轉(zhuǎn)速、起停、轉(zhuǎn)向等命令，并把電機轉(zhuǎn)速、溫度等電機信息發(fā)給上位機，硬件電路簡單可靠。
2．2 電機驅(qū)動電路
    本系統(tǒng)采用三相六拍控制方式，驅(qū)動回路采用一種單極半調(diào)制的PWM控制方式，驅(qū)動器件采用IR2110，它是雙通道高壓、高速電壓型功率開關(guān)器件柵極驅(qū)動器，具有自舉浮動電源，驅(qū)動電路簡單，只需一路電源即可同時驅(qū)動上、下橋臂2個開關(guān)器件，大大簡化了驅(qū)動電源設計，功率器件采用T1～T6的6路MOSFET實現(xiàn)電機的驅(qū)動。驅(qū)動電路如圖4所示。

    圖4中的電路只是電機一相的驅(qū)動。而無刷直流電動機的三相繞組的驅(qū)動控制共需3組這樣的驅(qū)動控制，每組控制2個MOSFET，3組共有6種MOSFET導通狀態(tài)，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60°就變換一種狀態(tài)，控制信號從主控制器PB口輸出，輸入到IR2110的上橋臂控制端10引腳和下橋臂控制端12引腳，控制本路信號高端7引腳和低端1引腳的導通與截止，導通順序依次為VT1、T4導通；VT1、VT6導通；VT3、VT6導通；VT3、VT2導通；VT5、VT2導通；VT5、VT4導通信號，每次只有一相繞組的上橋臂和另一相繞組的下橋臂進行導通，這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)，VT1～VT6及按固定組合成的6種狀態(tài)依次導通，保證電機的正常運轉(zhuǎn)。在此部分電路布線時一定要注意Cx1的位置是在緊靠VCC電源的部分，確保濾去電源上的毛刺干擾，保證SD端不受干擾。
2．3 電動機的電流保護和過熱保護控制
    為了保護電機，必須要對電機的電流和溫度進行檢測，本控制系統(tǒng)采用通過電源對地端接一個取樣電阻作為電流傳感器，溫度傳感器采用Pt100，該溫度傳感器輸出信號經(jīng)儀表放大器放大處理后，接入MC9S12D64的PAD00進行A／D轉(zhuǎn)換測量；電機的電流是通過檢測電路中串接的取樣電阻得到電壓信號，再經(jīng)過差分放大等處理后接入MC9S12D64的A／D轉(zhuǎn)換輸入端PAD01進行測量的。當檢測的電流或溫度超過預先設定好的最大值時，可以通過軟件控制IR2110的SD端，封鎖輸出，讓電機停轉(zhuǎn)，從而保護電機不致燒毀。

3 系統(tǒng)軟件設計
    本控制系統(tǒng)的控制軟件主要包括主程序、位置檢測子程序、PWM脈寬調(diào)制子程序、調(diào)速子程序、電流溫度測量與控制子程序、計數(shù)和定時中斷程序和串口中斷子程序等部分。其中位置檢測子程序包括3個輸入捕捉中斷程序，利用MC9S12D64的PT口具有優(yōu)良的輸入捕捉功能，可以自動捕獲到位置傳感器輸出信號的2個上升沿來完成電機速度的測量和換相控制的；電流溫度測量是利用MC9S12D64的A／D轉(zhuǎn)換后進行刻度，換算出實際數(shù)值的。其中主程序、調(diào)速子程序的流程圖分別如圖5(a)、圖5(b)所示。

    在本系統(tǒng)中，調(diào)速可采用手動調(diào)速和上位機命令調(diào)速2種。由于無刷直流電動機的轉(zhuǎn)速和電動機的電壓呈線性關(guān)系，在手動調(diào)速時把電機的轉(zhuǎn)速與控制轉(zhuǎn)速的模擬輸入電壓對應起來，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換所得到的值進行轉(zhuǎn)速的設定。若通過串口進行轉(zhuǎn)速設定，則把二進制代碼與PWM脈寬對應。只需1 s讀取測速子程序中已經(jīng)測得電動機的轉(zhuǎn)速值，然后將此值與預設的轉(zhuǎn)速值比較，若大于預設的轉(zhuǎn)速值，則取較小的代碼值送出；若小于預設的轉(zhuǎn)速值，則取較大的代碼值送出，這樣，在這樣一個反饋循環(huán)中就可以調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速直到轉(zhuǎn)速值等于預設定的值，從而實現(xiàn)對電動機的速度的調(diào)節(jié)。在整個軟件設計中，采用了捕捉中斷、定時中斷、外部中斷、串口中斷、A／D中斷等低功耗軟件設計方法，大大降低了系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)功耗。

4 結(jié)束語
    本系統(tǒng)主要完成了電動機的驅(qū)動控制、換相控制、正反轉(zhuǎn)控制、起?？刂?、電流、溫度控制以及電動機轉(zhuǎn)速的測量和電動機的調(diào)速等功能。本設計采用MC9S12D64單片機，外圍電路簡單，優(yōu)點在于功耗低，整個控制系統(tǒng)功耗經(jīng)測量僅為11 mW，經(jīng)過高溫烘烤檢測，該控制系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作在150℃的高溫環(huán)境下。經(jīng)過大量的實踐驗證，本控制驅(qū)動系統(tǒng)啟動平穩(wěn)，啟動電流小，驅(qū)動的電機運行平穩(wěn)，具有硬件簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠的特點。