基于MC9S12D64單片機(jī)的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李健飛，郝桂青

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部，北京101149）

由于無刷直流電動(dòng)機(jī)既具備交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等系列優(yōu)點(diǎn)，又具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、效率高、啟動(dòng)扭矩大、慣量小和響應(yīng)快等其他種類直流電機(jī)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，故廣泛應(yīng)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(jī)的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制原理

無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子位置傳感器、電子開關(guān)線路和驅(qū)動(dòng)電路等4部分組成[1]，其工作原理圖如圖1所示。

圖1 直流無刷電動(dòng)機(jī)原理框圖Fig.1 Functional block diagram of BLDC

圖2 位置傳感器輸出信號(hào)Fig.2 Output signal of the three hall sensors

隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體的轉(zhuǎn)動(dòng)，作用于3個(gè)位置傳感器HALL1、HALL2、HALL3的磁場(chǎng)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(hào)：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(dǎo)通的控制信號(hào)，這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)，6個(gè)功率開關(guān)管及按固定組合成的6種狀態(tài)依次導(dǎo)通，保證電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

直流電源通過驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電路向電動(dòng)機(jī)的定子繞組供電，提供勵(lì)磁電流，位置傳感器隨時(shí)檢測(cè)到轉(zhuǎn)子位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，從而實(shí)現(xiàn)電子換向[2]。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體的轉(zhuǎn)動(dòng)，作用于位置傳感器H1、H2、H3的磁場(chǎng)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(hào)，如圖2所示波形。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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[3]單片機(jī)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(shè)定為中心對(duì)齊或邊沿對(duì)齊模式，正好用于電機(jī)的三對(duì)電極的變頻控制；片內(nèi)具有增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器、8路10位A/D轉(zhuǎn)換模塊可用于電流、電壓等的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的保護(hù)，也可接各種傳感器，大大簡(jiǎn)化外圍電路和軟件設(shè)計(jì)。

該系統(tǒng)包括MC9S12D64單片機(jī)工作的外圍系統(tǒng)、電機(jī)位置傳感器信號(hào)檢測(cè)部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、通信電路和溫度電流檢測(cè)電路。其實(shí)現(xiàn)的硬件電路[4-5]如圖3所示。

圖3 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)電路原理圖Fig.3 The BLDC'S control system functional block diagram

該控制系統(tǒng)主要功能為電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)的控制、起?？刂?，轉(zhuǎn)速的測(cè)量和閉環(huán)調(diào)速、電機(jī)溫度、電流檢測(cè)與保護(hù)等。其中單片機(jī)外圍系統(tǒng)包括模式選擇、復(fù)位電路、晶振電路和電源4部分；電機(jī)位置傳感器的3路輸入信號(hào)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(jī)的輸入捕捉功能就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速；由PB口輸出控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)；AN0/AN1口輸入測(cè)得的電機(jī)溫度和電機(jī)電流信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換后換算成實(shí)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(jī)進(jìn)行通信，接收上位機(jī)的轉(zhuǎn)速、起停、轉(zhuǎn)向等命令，并把電機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度等電機(jī)信息發(fā)給上位機(jī)，硬件電路簡(jiǎn)單可靠。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

本系統(tǒng)采用三相六拍控制方式，驅(qū)動(dòng)回路采用一種單極半調(diào)制的PWM控制方式，驅(qū)動(dòng)器件采用IR2110[6]，它是雙通道高壓、高速電壓型功率開關(guān)器件柵極驅(qū)動(dòng)器,具有自舉浮動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，只需一路電源即可同時(shí)驅(qū)動(dòng)上、下橋臂2個(gè)開關(guān)器件，大大簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì),功率器件采用T1～T6的6路MOSFET實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

圖4 無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Fig.4 The BLDC'S drive circuit

圖4中的電路只是電機(jī)一相的驅(qū)動(dòng)。而無刷直流電動(dòng)機(jī)的三相繞組的驅(qū)動(dòng)控制共需3組這樣的驅(qū)動(dòng)控制，每組控制2個(gè)MOSFET，3組共有6種M0SFET導(dǎo)通狀態(tài)，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60°就變換一種狀態(tài)，控制信號(hào)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(hào)高端7引腳和低端1引腳的導(dǎo)通與截止,導(dǎo)通順序依次為VT1、T4導(dǎo)通；VT1、VT6導(dǎo)通；VT3、VT6導(dǎo)通；VT3、VT2導(dǎo)通；VT5、VT2導(dǎo)通；VT5、VT4導(dǎo)通信號(hào)，每次只有一相繞組的上橋臂和另一相繞組的下橋臂進(jìn)行導(dǎo)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(dǎo)通，保證電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在此部分電路布線時(shí)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(dòng)機(jī)的電流保護(hù)和過熱保護(hù)控制

為了保護(hù)電機(jī)，必須要對(duì)電機(jī)的電流和溫度進(jìn)行檢測(cè)，本控制系統(tǒng)采用通過電源對(duì)地端接一個(gè)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(hào)經(jīng)儀表放大器放大處理后,接入MC9S12D64的PAD00進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換測(cè)量；電機(jī)的電流是通過檢測(cè)電路中串接的取樣電阻得到電壓信號(hào)，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(jìn)行測(cè)量的。當(dāng)檢測(cè)的電流或溫度超過預(yù)先設(shè)定好的最大值時(shí)，可以通過軟件控制IR2110的SD端，封鎖輸出，讓電機(jī)停轉(zhuǎn)，從而保護(hù)電機(jī)不致燒毀。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)的控制軟件主要包括主程序、位置檢測(cè)子程序、PWM脈寬調(diào)制子程序、調(diào)速子程序、電流溫度測(cè)量與控制子程序、計(jì)數(shù)和定時(shí)中斷程序和串口中斷子程序等部分。其中位置檢測(cè)子程序包括3個(gè)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(dòng)捕獲到位置傳感器輸出信號(hào)的2個(gè)上升沿來完成電機(jī)速度的測(cè)量和換相控制的；電流溫度測(cè)量是利用MC9S12D64的A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行刻度,換算出實(shí)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。

圖5 程序流程圖Fig.5 Flow chart of program

在本系統(tǒng)中，調(diào)速可采用手動(dòng)調(diào)速和上位機(jī)命令調(diào)速2種。由于無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)的電壓呈線性關(guān)系，在手動(dòng)調(diào)速時(shí)把電機(jī)的轉(zhuǎn)速與控制轉(zhuǎn)速的模擬輸入電壓對(duì)應(yīng)起來，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換所得到的值進(jìn)行轉(zhuǎn)速的設(shè)定。若通過串口進(jìn)行轉(zhuǎn)速設(shè)定，則把二進(jìn)制代碼與PWM脈寬對(duì)應(yīng)。只需1 s讀取測(cè)速子程序中已經(jīng)測(cè)得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速值，然后將此值與預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速值比較，若大于預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速值，則取較小的代碼值送出；若小于預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速值，則取較大的代碼值送出，這樣，在這樣一個(gè)反饋循環(huán)中就可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速直到轉(zhuǎn)速值等于預(yù)設(shè)定的值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度的調(diào)節(jié)。

在整個(gè)軟件設(shè)計(jì)中，采用了捕捉中斷、定時(shí)中斷、外部中斷、串口中斷、A/D中斷等低功耗軟件設(shè)計(jì)方法，大大降低了系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)主要完成了電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制、換相控制、正反轉(zhuǎn)控制、起?？刂?、電流、溫度控制以及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量和電動(dòng)機(jī)的調(diào)速等功能。本設(shè)計(jì)采用MC9S12D64單片機(jī)，外圍電路簡(jiǎn)單，優(yōu)點(diǎn)在于功耗低，整個(gè)控制系統(tǒng)功耗經(jīng)測(cè)量?jī)H為11 mW，經(jīng)過高溫烘烤檢測(cè)，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(shí)踐驗(yàn)證,本控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)平穩(wěn)，啟動(dòng)電流小，驅(qū)動(dòng)的電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，具有硬件簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠的特點(diǎn)。

[1]張琛.直流無刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：北京機(jī)械出版社，1996.

[2]王鑒光.電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)[M].北京：北京機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

[3]Freescale Inc Products.MC9S12 databsheet[EB/OL].（2004-09-02）[2010-07-02].http://www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=S12D&databSheets&.

[4]王小明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[5]邵貝貝.單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開發(fā)方法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[6]International Rectifier Inc Products.IR2110/IR2113 data sheet[EB/OL].（2000-10-21）[2010-07-2].http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir2110.pdf.