基于MC9S12XS128的無(wú)刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

陳修波，蔣德云，張志林，朱 琳，李新紅

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽合肥 230036)

基于MC9S12XS128的無(wú)刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

陳修波，蔣德云*，張志林，朱 琳，李新紅

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽合肥 230036)

分析無(wú)刷直流電機(jī)控制原理，設(shè)計(jì)一款基于MC9S12XS128單片機(jī)的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)。介紹無(wú)刷電機(jī)控制器的硬、軟件設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)無(wú)刷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、起?？刂啤⒄{(diào)速控制、過(guò)流保護(hù)等功能。實(shí)驗(yàn)證明，控制系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，具有成本低、易維護(hù)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，適合在小型電動(dòng)車(chē)中廣泛推廣。

無(wú)刷直流電機(jī)；MC9S12XS128單片機(jī)；無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)

自1886年世界上第一輛內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)誕生起，內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)已走過(guò)120多a的歷史，內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的發(fā)展面臨著環(huán)境污染和能源危機(jī)的雙重挑戰(zhàn)。我國(guó)每年內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)尾氣中有害氣體大約 2億t，約占大氣污染總質(zhì)量的 60%，內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的廢氣已成為大氣污染的主要來(lái)源。汽車(chē)使用的主要能源是石油，據(jù)推算，按照現(xiàn)有的石油消耗量，當(dāng)前全世界探明的石油儲(chǔ)量只夠用50 a左右，能源危機(jī)十分嚴(yán)峻。因此，為了解決內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)造成的環(huán)境污染、能源緊缺等問(wèn)題，研究電動(dòng)車(chē)輛具有深遠(yuǎn)意義。

對(duì)于電動(dòng)車(chē)輛，首先要解決的是電機(jī)和控制器[1]。無(wú)刷直流電機(jī)是理想的電動(dòng)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)電機(jī)，與其它電機(jī)相比，其優(yōu)點(diǎn)是：1)無(wú)電刷和換相器，采用電子電路換相，不產(chǎn)生電火花，不存在機(jī)械換向損耗，工作可靠；2)電機(jī)體積小，重量輕；3)電機(jī)效率高，輕載時(shí)仍有較高效率；4)電機(jī)外特性好，具有低速大轉(zhuǎn)矩特性；5)再生制動(dòng)效果好，這對(duì)增加電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)駛里程具有重要意義。[2-4]

控制器是保證電機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)并負(fù)責(zé)對(duì)各種調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行指揮的中心，市場(chǎng)上無(wú)刷電機(jī)控制器種類(lèi)繁多，車(chē)用無(wú)刷電機(jī)控制器的選擇要綜合考慮各種因素，其中處理速度和價(jià)格是2個(gè)根本的要素。本設(shè)計(jì)選用針對(duì)電機(jī)控制的高性能16位微處理器MC9S12XS128，該款單片機(jī)具有運(yùn)行速度快、性能高、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 控制原理

無(wú)刷直流電機(jī)主要由電機(jī)本體、電子換相電路、位置傳感器3部分組成，電機(jī)本體離不開(kāi)控制系統(tǒng)，因此控制器是無(wú)刷直流電機(jī)組成中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。無(wú)刷直流電機(jī)的原理如圖1所示。

圖1 無(wú)刷直流電機(jī)原理框圖

電子換相電路與位置傳感器相互配合共同作用，控制無(wú)刷直流電機(jī)的定子各相繞組通電時(shí)間與次序，起到類(lèi)似于直流有刷電機(jī)的機(jī)械換向器和電刷的功能，當(dāng)轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，電子換相電路接受到位置傳感器輸入的信號(hào)后，將功率按一定的次序關(guān)系平均分配給無(wú)刷直流電機(jī)的定子繞組，使之產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩以拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)[5]。

隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，無(wú)刷電機(jī)內(nèi)部的3個(gè)位置傳感器的N極與S極交替變換，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、001、011、010、110、100，產(chǎn)生控制開(kāi)關(guān)器件的MOSFET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(guò)1轉(zhuǎn)，6個(gè)功率開(kāi)關(guān)管按固定組合成的6種狀態(tài)依次導(dǎo)通，保證電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)包括MC9S12XS128單片機(jī)工作的外圍系統(tǒng)、電源電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、霍爾信號(hào)檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路等。其控制系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)的硬件框圖

MC9S12XS128單片機(jī)有16路AD轉(zhuǎn)換，分辨率可設(shè)置為8～12位，有8路8位PWM并可兩兩級(jí)聯(lián)組成16位精度PWM，特別適用于控制多電機(jī)系統(tǒng)。其串行通信端口也非常豐富，有2路SCI，2路SPI，此外還有IIC、CAN總線(xiàn)，增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器等端口，而且采用了引角復(fù)用功能，使這些功能引角也可設(shè)置為普通的I/O端口[6-8]。

電路工作原理為：蓄電池的電壓經(jīng)過(guò)降壓穩(wěn)壓電路后給單片機(jī)提供5 V工作電壓和給功率驅(qū)動(dòng)電路提供12 V工作電壓。端口A作為液晶顯示模塊，經(jīng)過(guò)一定的算法顯示電機(jī)的電流和速度；端口B為數(shù)字輸出量連接指示燈，顯示電機(jī)工作的狀態(tài)；端口D為模擬量輸入，包括采集調(diào)速信號(hào)、電壓信號(hào)、電流信號(hào)等；端口P為數(shù)字輸入量，用于采集位置傳感器的霍爾信號(hào)。程序中各個(gè)相關(guān)模塊初始化后，檢測(cè)起/停按鈕，當(dāng)確定按下按鈕時(shí)，檢查位置傳感器信號(hào)和調(diào)速電位器電壓，這些數(shù)據(jù)在單片機(jī)內(nèi)部按一定的算法處理后，調(diào)整PWM的脈沖寬度，輸出對(duì)應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。

2.1功率驅(qū)動(dòng)電路

本系統(tǒng)采用兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)方式，驅(qū)動(dòng)芯片采用專(zhuān)用的MOSFET管驅(qū)動(dòng)芯片IR2113S[9]， IR2113S是一種雙通道高壓、高速電壓型功率開(kāi)關(guān)器件柵極驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)部采用自舉技術(shù)設(shè)計(jì)出懸浮電源，其高端電壓可達(dá)500 V，工作頻率可達(dá)500 kHz，簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)該芯片的SD引腳在接受高電平信號(hào)后，會(huì)關(guān)斷所有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這個(gè)功能特點(diǎn)保證了控制電路能夠及時(shí)準(zhǔn)確的保護(hù)MOSFET管。功率芯片采用MOSFET管IRF3205實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。以驅(qū)動(dòng)電路的一相為例，如圖3所示。

圖3 無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

無(wú)刷直流電機(jī)三相繞組的驅(qū)動(dòng)控制部分共需3組這樣的功率驅(qū)動(dòng)電路，每組控制2個(gè)MOSFET管，3組共有6個(gè)MOSFET導(dǎo)通狀態(tài)。每次只有一相繞組的上橋臂和另一相繞組的下橋臂導(dǎo)通，這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)一轉(zhuǎn)，Q1～Q6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)。PCB時(shí)布線(xiàn)注意極性電容C1靠近電源DC，目的是濾除電源上的毛刺干擾，確保IR2113S的SD端不受干擾。

2.2霍爾信號(hào)檢測(cè)電路

霍爾信號(hào)檢測(cè)電路的作用主要有：1)檢測(cè)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置并提供驅(qū)動(dòng)換相信號(hào)；2)通過(guò)檢測(cè)其中一路脈沖信號(hào)的數(shù)量，然后轉(zhuǎn)換為速度信號(hào)，構(gòu)成速度的反饋環(huán)節(jié)。其電路如圖4所示。

圖4 霍爾信號(hào)檢測(cè)電路

位置傳感器輸出的霍爾信號(hào)經(jīng)六反相施密特觸發(fā)器74HC14輸入到單片機(jī)的輸入捕捉引腳上，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到3個(gè)霍爾傳感器輸出的信號(hào)發(fā)生上升沿與下降沿電平跳變時(shí)，直流無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行換相。

一般電機(jī)速度檢測(cè)是通過(guò)添加輔助設(shè)備(如光柵編碼器等)來(lái)完成。本控制系統(tǒng)對(duì)精度要求不高，可利用電機(jī)內(nèi)部位置傳感器輸出的脈沖信號(hào)測(cè)量速度，無(wú)刷直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)1周對(duì)應(yīng)輸出6種編碼信號(hào)的排列組合，對(duì)應(yīng)6個(gè)換相狀態(tài)。第1個(gè)換相時(shí)刻計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，直至第6個(gè)換相時(shí)刻結(jié)束，此時(shí)計(jì)數(shù)器數(shù)值為m，電機(jī)極對(duì)數(shù)為p，時(shí)鐘頻率為f，則電機(jī)轉(zhuǎn)速n為

n=60f/(pm).

由于輸入到單片機(jī)的換相信號(hào)易受到干擾，加上線(xiàn)路上濾波電容的影響，可采用六反相施密特觸發(fā)器74HC14，將連續(xù)變化的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成清晰、無(wú)抖動(dòng)的穩(wěn)定信號(hào)傳送給單片機(jī)，這樣可以避免單片機(jī)程序在讀取換相信號(hào)時(shí)應(yīng)至少連續(xù)讀取3次，3次信號(hào)完全一致時(shí)才采用該值作為換相信號(hào)的真值，如果其中1次不對(duì)，重新讀3次。輸出的霍爾信號(hào)通過(guò)電阻R19～R21與VCC相連，把信號(hào)電平整定為0 V和5 V，與單片機(jī)的I/O口電平一致。

2.3過(guò)流保護(hù)電路

過(guò)流保護(hù)是控制器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容，無(wú)刷直流電機(jī)在工作的任一時(shí)刻，只有兩相繞組導(dǎo)通，電流從一相繞組流進(jìn)，從另一相繞組流出，其電流與直流側(cè)電流相等。因此，只需串聯(lián)一個(gè)采樣電阻就可以檢測(cè)導(dǎo)通相的電流，電路如圖5。

圖5 電流檢測(cè)電路

相電流流經(jīng)采樣電阻R9將信號(hào)送至運(yùn)算放大器 LM358。 經(jīng)LM358將信號(hào)放大比較送至主芯片進(jìn)行處理。電流反饋通過(guò)運(yùn)算放大器LM358實(shí)現(xiàn)，放大倍數(shù)由R1和R2決定。單片機(jī)讀取采樣電阻上經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換的值，經(jīng)過(guò)算法處理后與設(shè)定的電流進(jìn)行比較, 若高于設(shè)定的電流, 需關(guān)閉輸出, 反之, 則正常運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在數(shù)字控制系統(tǒng)中，控制器中的程序代碼是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂，系統(tǒng)的工作方式、控制算法等工作全部由控制器中的程序代碼完成，控制系統(tǒng)要達(dá)到理想的控制效果，就必須具有完善的程序代碼設(shè)計(jì)。在本系統(tǒng)中程序代碼用C語(yǔ)言編寫(xiě)。

3.1控制算法

控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，外環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。速度環(huán)采用PI調(diào)節(jié)，電流環(huán)采用PID調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)為無(wú)靜差系統(tǒng)，并且有較好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性。電機(jī)剛運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)基本上是恒流控制，電流環(huán)起作用，當(dāng)電機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后，系統(tǒng)由恒流控制轉(zhuǎn)換為恒轉(zhuǎn)速控制，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖6所示[10-11]。

圖6 無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)框圖

3.2軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中, 首先要上電復(fù)位，初始化各個(gè)模塊，包括I/O端口配置初始化、PWM初始化、AD采樣初始化等，使能中斷, 一旦AD模塊檢測(cè)到調(diào)速電位器的輸入信號(hào), 就將該輸入信號(hào)按相應(yīng)的算法計(jì)算出PWM的占空比并輸出PWM波。隨后位置傳感器產(chǎn)生霍爾信號(hào), 將該信號(hào)的狀態(tài)與電機(jī)固定的相位序列(101、001、011、010、110、100)進(jìn)行比較,判斷電機(jī)的相位是否正確。若正確, 可輸出PWM波, 否則, 需要重新復(fù)位。主程序流程圖如圖7所示，霍爾信號(hào)捕捉流程圖如圖8所示。

圖7 主程序流程圖

圖8 霍爾信號(hào)捕捉流程圖

4 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)硬件電路設(shè)計(jì)、軟件的編寫(xiě)和調(diào)試，完成了無(wú)刷直流電機(jī)控制器的樣品。該控制器以額定電壓36 V、額定功率250 W的永磁無(wú)刷直流電機(jī)為樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)電子換相、速度調(diào)節(jié)和過(guò)流保護(hù)等。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，得到了較好的運(yùn)行效果，基本達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。圖9為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的直流無(wú)刷電機(jī)正反轉(zhuǎn)波形圖。

圖9 直流無(wú)刷電機(jī)正反轉(zhuǎn)波形圖

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)刷直流電機(jī)控制器采用MC9S12XS128單片機(jī)，外圍電路簡(jiǎn)單且芯片功耗低，主要完成對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)的起?？刂啤⒄崔D(zhuǎn)控制、換相控制、電機(jī)調(diào)速，以及對(duì)電流、電壓檢測(cè)和控制等。該控制器硬件具有電路簡(jiǎn)單、成本低、穩(wěn)定性好、便于操作和維護(hù)的特點(diǎn)。

[1]張承煜,陳德榮.ST72262GI單片機(jī)在電動(dòng)自行車(chē)無(wú)刷直流電機(jī)控制中的應(yīng)用[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2004，17(3)：50-51．

[2]房建成,劉剛.永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制技術(shù)與應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2010：5-10．

[3]張琛.直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[4]郭慶鼎，趙希梅．直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)原理與技術(shù)應(yīng)用[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2008．

[5]王曉明.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．

[6]邵貝貝.單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線(xiàn)開(kāi)發(fā)方法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004．

[7]張陽(yáng),吳曄. MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[M]．北京：電子工業(yè)出版社， 2011.

[8]Freescale Inc Products.MC9S12 Datasheets[EB/OL].(2004-09-02)[2010-07-02].http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=MC9S12.

[9]Intemational Rectifier Inc Products.R2110/IR2113s Datasheet[EB/OL]．(2000-10-21)[2010-07-02].http://ec.irf.com/v6/en/US/adirect/ir Cmd=catSearchFrame&domSendTo=byID&domProductQueryName=IR2113S.

[10]林淡蕓,羅文廣，張昊，等.電動(dòng)汽車(chē)用永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)[J].廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，23(2)：37-40,50.

[11]范心明,程小華.汽車(chē)EPS系統(tǒng)用電動(dòng)機(jī)綜述[J]．防爆電機(jī)，2006，41(6)：1-5．

(責(zé)任編輯：郎偉鋒)

DesignofBLDC′sControlSystemBasedonMC9S12XS128

CHENXiu-bo，JIANGDe-yun，ZHANGZhi-lin,ZHULin,LIXin-hong

(InstituteofTechnology,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei230036,China)

According to the analysis of the control theory of BLDC (brushless DC motor) and the design of a BLDC′s system based on MC9S12XS128 micro-controller, this article introduces the hardware and software design scheme of the BLDC′s controller to implement the functions of the BLDC′s forward or backward control, start-stop control, speed control, over-current protection, and so on. The experiment shows that the control system works well, which is characterized by the low cost, easy maintenance and good stability, and can be widely applied in small electric cars.

brushless DC motor; MC9S12XS128 micro-controller; BLDC′s control system

2013-11-19

陳修波(1986—)，男，安徽廬江人，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)車(chē)用直流無(wú)刷電機(jī)控制器； *蔣德云(1956—),男，合肥人，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槠?chē)電氣.

10.3969/j.issn.1672-0032.2014.01.003

TP368.1

A

1672-0032(2014)01-0008-06