基于MC9S12X128無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 為滿足對(duì)直流無刷電機(jī)控制要求精度高、調(diào)速性能好、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本低的需要，設(shè)計(jì)了一種無刷電機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MC9S12X128單片機(jī)為控制核心，采用IR2130芯片驅(qū)動(dòng)MOSFET功率管，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流無刷電機(jī)三相六拍PWM控制。系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速方便、功耗低。實(shí)際運(yùn)行測(cè)試表明，電機(jī)可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。
關(guān)鍵詞 單片機(jī)；直流無刷電機(jī)；驅(qū)動(dòng)電路；位置檢測(cè)；電流檢測(cè)

    直流無刷電機(jī)是一種高性能電機(jī)，它具有效率高、可靠性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于維護(hù)和體積小等優(yōu)點(diǎn)。與直流電機(jī)相比，無刷電機(jī)沒有電刷和換相器，而采用電子電路進(jìn)行換相，換相時(shí)不會(huì)產(chǎn)生電火花，不存在機(jī)械換向損耗。與異步電機(jī)相比，無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)，因此不存在轉(zhuǎn)子損耗。與同步電機(jī)相比，無刷電機(jī)控制方法簡(jiǎn)單，便于工程應(yīng)用的特性，使其被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。
    直流無刷電機(jī)的控制方案有多種，如文獻(xiàn)采用DSP作為主控制器的控制系統(tǒng)，文獻(xiàn)采用FPAG控制無刷電機(jī)，文獻(xiàn)選用MEGA8單片機(jī)控制方案。這些控制方法都能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、啟停等控制，但在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本、控制精度、運(yùn)行穩(wěn)定性和外圍電路的能源消耗等方面上卻有較大的差別。使用DSP和FPAG的控制方案，系統(tǒng)的控制精度高、穩(wěn)定性好，可以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，不足之處在于成本過高，無法大量用于日常生活中。而采用MEAG8控制方案雖然成本低，與DSP、FPAG相比，系統(tǒng)的性能相差很大，無法滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。
    針對(duì)上述問題，提出設(shè)計(jì)以MC9S12X128單片機(jī)為核心的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本低，而電機(jī)的控制性能上與DSP和FPGA等高端控制方案上相差不大，可以在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。文中所選擇的主控芯片有豐富A／D轉(zhuǎn)換和PWM通道，適合電機(jī)的控制。為減少能源消耗和降低電路的復(fù)雜性、電路成本，提高控制系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)也為了便于系統(tǒng)維護(hù)和功能擴(kuò)展，系統(tǒng)硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì)的原則，每個(gè)模塊電路盡可能使用集成芯片。

1 直流無刷電機(jī)控制原理
    直流無刷電機(jī)的運(yùn)行原理與有刷直流電機(jī)基本相同，只是電機(jī)的換相方式有區(qū)別，無刷電機(jī)采用電子換相，利用轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，通過換相驅(qū)動(dòng)電路控制與電樞繞組連接的各功率MOSFET管的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電機(jī)換相的目的。電樞繞組Y連接三相全控橋驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示。

    三相全控橋電路的換相周期為60°電角度，每個(gè)換相周期中只有兩個(gè)功率MOSFET管導(dǎo)通，每次換相一個(gè)功率管，每個(gè)功率管導(dǎo)通120°電角度。圖中Q1～Q6為功率場(chǎng)效應(yīng)管，當(dāng)需要AB相導(dǎo)通時(shí)，只需要打開Q1，Q6管，而使其他管截止。此時(shí)電路中的電流路徑為：電源正極-Q1-線圈A-線圈B-Q6-電源負(fù)極。按照這種導(dǎo)通方式就會(huì)有6種相位模式：AC，BC，BA，CA，CB，AB，對(duì)應(yīng)的MOSFET管打開順序?yàn)镼1Q2，Q2Q3，Q3 Q4，Q4Q5，Q5Q6，Q6Q1，如果規(guī)定這個(gè)導(dǎo)通順序?yàn)殡姍C(jī)正向旋轉(zhuǎn)一周，則反向旋轉(zhuǎn)只要逆著控制上述MOSFET管導(dǎo)通順序即可實(shí)現(xiàn)。

2 控制系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
    直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。控制系統(tǒng)以MC9S12x128單片機(jī)為核心控制芯片，負(fù)責(zé)處理采集傳回的電流和轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，電機(jī)控制算法的實(shí)現(xiàn)，生成直流無刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)所需的控制脈沖及與外界交互操作等功能。通過按鍵設(shè)定需要的轉(zhuǎn)速之后，主控芯片根據(jù)給定的轉(zhuǎn)速生成相應(yīng)頻率的PWM信號(hào)，控制驅(qū)動(dòng)電路的功率管開關(guān)時(shí)間，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)期值。無刷直流電機(jī)的換相時(shí)刻由轉(zhuǎn)子的位置決定，因此系統(tǒng)中加入了位置檢測(cè)電路用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，位置傳感器采用的是位置霍爾傳感器。為了保證電機(jī)在動(dòng)態(tài)過程中出現(xiàn)電樞電流過流或欠流時(shí)系統(tǒng)的性能不會(huì)受到過大的影響，加入了電流檢測(cè)電路，通過這個(gè)電路將流過電機(jī)的電流進(jìn)行采樣，一旦出現(xiàn)異常情況，主控制器馬上采取相應(yīng)的措施保護(hù)這個(gè)控制系統(tǒng)，避免意外事故的發(fā)生。隔離電路是防止感性負(fù)載的存在而產(chǎn)生大量的干擾信號(hào)，將干擾產(chǎn)生的影響降到最低，使系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行。監(jiān)控電路的作用是使系統(tǒng)一直工作在有效電壓之內(nèi)，提高系統(tǒng)的可靠性。RS232接口和按鍵接口電路用于電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和控制，滿足對(duì)轉(zhuǎn)速的各種要求。

2．2 主控器
    主控制器選擇的好壞直接影響整個(gè)直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的性能，在充分考慮了實(shí)現(xiàn)成本和功能需要后，采用飛思卡爾的MC9S12X128作為主控制芯片。該芯片具有豐富的A／D轉(zhuǎn)換通道和PWM通道，適合用于電機(jī)控制。在實(shí)際使用時(shí)只要配置好相應(yīng)模塊的寄存器，就可以使用模塊功能，不需要復(fù)雜的程序編寫，這樣就可以將主要精力放在硬件電路性能的提高上。對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題，可以方便地進(jìn)行調(diào)試和維護(hù)。[!--empirenews.page--]
2．3 驅(qū)動(dòng)電路
    在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，考慮到電路的成本和可靠性，放棄了傳統(tǒng)的3個(gè)P溝道和3個(gè)N溝道構(gòu)成的逆變橋驅(qū)動(dòng)電路，而采用專用的無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片IR2130實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制。IR2130驅(qū)動(dòng)電路的外圍元件少，具有電流放大和過電流保護(hù)功能，且抑制噪聲的能力強(qiáng)。最主要是在保證電路應(yīng)用的精度和可靠性的前提下，較大程度地降低了成本，該電路的性能價(jià)格比較高，有利于推廣應(yīng)用。直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

    圖3中，IR2130的HIN1～HIN3、LIN1～LIN3作為功率管的輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)與主控芯片連接。FAULT與MC9S12X128外部中斷引腳連接，由控制器中斷程序來處理故障?？紤]到電樞線圈由于自身電感的作用會(huì)產(chǎn)生極高的瞬時(shí)反電動(dòng)勢(shì)，會(huì)擊穿元件，在功率管上加入D5～D8這6個(gè)二極管，其作用是通過續(xù)流而防止出現(xiàn)過高的反電動(dòng)勢(shì)造成MOSFET管損壞。C3～C5是自舉電容，為上橋臂功率管驅(qū)動(dòng)的懸浮電源存儲(chǔ)能量，D1～D3的作用防止上橋臂導(dǎo)通時(shí)的直流電壓母線電壓到IR2130的電源上而使器件損壞，因此D1～D3應(yīng)有足夠的反向耐壓，由于二極管與電容串聯(lián)，為了滿足主電路功率管開關(guān)頻率的要求，D1～D3選擇了快速恢復(fù)二極管8TQ080。
2．4 位置檢測(cè)電路
    直流無刷電機(jī)與普通有刷直流電機(jī)的不同在于，普通直流電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)需要機(jī)械換相，機(jī)械換相會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，而且噪聲大，直流無刷電機(jī)正好克服了這些缺點(diǎn)，它采用的是電子換相。電子換相依據(jù)是轉(zhuǎn)子磁極位置，因此轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)是控制無刷電機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。位置檢測(cè)電路的作用是向主控芯片提供準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信息，主控芯片根據(jù)轉(zhuǎn)子位置及時(shí)地作出換相操作，使電機(jī)連續(xù)的旋轉(zhuǎn)。該部分電路主要由位置霍爾傳感器和位置檢測(cè)電路構(gòu)成。直流無刷電機(jī)位置檢測(cè)電路如圖4所示。

    這個(gè)位置檢測(cè)電路選用MAXIM的MAX9621芯片，通過在模擬輸出端對(duì)傳感器電流進(jìn)行鏡像或通過經(jīng)過濾波的數(shù)字輸出，使MC9S12X128能夠監(jiān)測(cè)霍爾傳感器的狀態(tài)，達(dá)到精確檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的目的。此電路與采用運(yùn)算放大器構(gòu)成的位置檢測(cè)電路相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、成本低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。[!--empirenews.page--]
2．5 電流檢測(cè)電路
    電流檢測(cè)可以給系統(tǒng)提供保護(hù)，通過電流檢測(cè)電路采集的電流信息，主控制器可以及時(shí)地做出判斷，一旦電流超過電機(jī)的極限值，就切斷電路電源，避免發(fā)生較大的損害。直流無刷電機(jī)電流檢測(cè)電路如圖5所示。

    圖中RSENSE是電流采樣電阻，其兩端的電壓VSENSE為檢測(cè)電壓。R20～R24構(gòu)成的分壓電阻網(wǎng)絡(luò)與芯片內(nèi)部的兩路比較器相連，如果16引腳出現(xiàn)過流或欠流的情況，在6引腳上就會(huì)有高電平信號(hào)輸出給主控芯片，主控芯片會(huì)根據(jù)這個(gè)信號(hào)及時(shí)做出相應(yīng)的操作，保護(hù)系統(tǒng)不受到損壞。

3 控制系統(tǒng)主要軟件設(shè)計(jì)
3．1 位置檢測(cè)和換相控制程序
    實(shí)現(xiàn)直流無刷電機(jī)穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵是及時(shí)的掌握換相時(shí)刻，并在該時(shí)刻作出正確的換相操作。轉(zhuǎn)子位置信號(hào)有3個(gè)位置霍爾傳感器輸出，經(jīng)位置檢測(cè)電路采集后送至主控芯片。3個(gè)霍爾傳感器的輸出信號(hào)相差120°電角度。每個(gè)霍爾傳感器在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周時(shí)會(huì)產(chǎn)生6個(gè)脈沖信號(hào)，正好對(duì)應(yīng)6個(gè)換相時(shí)刻。通過單片機(jī)的捕捉功能捕捉這些脈沖信號(hào)，就可以獲得這6個(gè)換相時(shí)刻。在換相控制程序中，將捕捉到的位置信號(hào)與換相控制表進(jìn)行比較計(jì)算，換相控制字與MOS管工作狀態(tài)關(guān)系如表1所示，得到下一時(shí)刻狀態(tài)控制字，然后將這個(gè)狀態(tài)控制字輸出給IR21 30來切換功率MOSFET管，從而實(shí)現(xiàn)正確換相。直流無刷電機(jī)換相控制程序流程如圖6所示。

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3．2 PWM波形生成
    PWM調(diào)制是利用數(shù)字輸出對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種有效技術(shù)，尤其應(yīng)用在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方面。使用PWM調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)電樞電流的脈動(dòng)量小，容易連續(xù)且調(diào)速范圍寬。PWM信號(hào)的產(chǎn)生有多種方法，可以用555定時(shí)器組成的占空比可調(diào)的電路產(chǎn)生，也可以對(duì)單片機(jī)進(jìn)行軟件編程產(chǎn)生?？紤]到成本和電路設(shè)計(jì)的需要，文中的PWM信號(hào)用軟件的方法獲得。MC9S12x128有8個(gè)PWM輸出通道，每個(gè)通道都可以通過編程實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)的左對(duì)齊或居中對(duì)齊輸出，波形翻轉(zhuǎn)可控制，時(shí)鐘可選擇的頻率范圍寬，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置。在設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中只使用PWM0～PWM2這3個(gè)通道，設(shè)置PWM輸出的起始電平為高，對(duì)齊方式為左對(duì)齊，總線時(shí)鐘設(shè)置為24 MHz。輸出的PWM信號(hào)給上橋臂的功率MOSFET管，而下橋臂的功率管采用常開或常閉方式控制。PWM波形生成程序流程，如圖7所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
    為測(cè)試文中設(shè)計(jì)的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的效果，根據(jù)文中的設(shè)計(jì)方案，按照系統(tǒng)電路各部分電路選擇合適的電子元件，搭建了硬件電路。電路中MOSFET選擇的是IR公司的IRFR5305和IRFR1205。實(shí)驗(yàn)用的電機(jī)選擇的是新西達(dá)2210(KV1000)外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)。輸出的PWM頻率為32 kHz。無刷直流電機(jī)在占空比為50％時(shí)，A、B、C三相端電壓波形如圖8所示；無刷直流電機(jī)某相反相感生電動(dòng)勢(shì)波形如圖9所示。

    通過電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行測(cè)試、觀察，整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度很快，運(yùn)行平穩(wěn)，測(cè)試期間無故障發(fā)生。但是，從圖9中可以看出，反相感生電動(dòng)勢(shì)波形的頂部有彎曲，說明電機(jī)出現(xiàn)過早換向的現(xiàn)象，此時(shí)無刷直流電機(jī)會(huì)發(fā)生輕微震動(dòng)，這種情況是由于無刷電機(jī)的磁隙較大造成的。對(duì)從硬盤拆解下磁隙較小的無刷電機(jī)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)硬盤無刷電機(jī)的反相感生電動(dòng)勢(shì)波形的頂部沒有彎曲。這說明無刷電機(jī)磁隙對(duì)反相感生電動(dòng)勢(shì)有一定的影響。

5 結(jié)束語
    根據(jù)直流無刷電機(jī)的控制原理，設(shè)計(jì)了一種直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)，文中給出了主要電路的設(shè)計(jì)原理圖。硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì)，方便系統(tǒng)維護(hù)，而且在實(shí)際應(yīng)用中還可以根據(jù)實(shí)際需要擴(kuò)展其他功能。該系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)成本低、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，能夠滿足對(duì)精度和成本的要求。后續(xù)研究工作將集中在基于電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的直流無刷電機(jī)雙閉環(huán)控制及直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)上，以獲得更好的動(dòng)態(tài)控制性能和穩(wěn)定性能。