基于MC9S12X128無刷直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計

孟慶斌，馬 斌，王長濤，邊樹海

(沈陽建筑大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，遼寧沈陽 110168)

直流無刷電機是一種高性能電機，它具有效率高、可靠性好、結(jié)構(gòu)簡單、便于維護和體積小等優(yōu)點。與直流電機[1]相比，無刷電機沒有電刷和換相器，而采用電子電路進行換相，換相時不會產(chǎn)生電火花，不存在機械換向損耗。與異步電機[2]相比，無刷電機的轉(zhuǎn)子與定子磁場同步旋轉(zhuǎn)，因此不存在轉(zhuǎn)子損耗。與同步電機[3]相比，無刷電機控制方法簡單，便于工程應(yīng)用的特性，使其被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。

直流無刷電機的控制方案有多種，如文獻[4]采用DSP作為主控制器的控制系統(tǒng)，文獻[5]采用FPAG控制無刷電機，文獻[6]選用MEGA8單片機控制方案。這些控制方法都能夠?qū)崿F(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)、啟停等控制，但在系統(tǒng)實現(xiàn)成本、控制精度、運行穩(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。

針對上述問題，提出設(shè)計以MC9S12X128單片機為核心的直流無刷電機控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)實現(xiàn)成本低，而電機的控制性能上與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，同時也為了便于系統(tǒng)維護和功能擴展，系統(tǒng)硬件電路采用模塊化設(shè)計的原則，每個模塊電路盡可能使用集成芯片。

1 直流無刷電機控制原理

直流無刷電機的運行原理與有刷直流電機基本相同，只是電機的換相方式有區(qū)別，無刷電機采用電子換相，利用轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置，通過換相驅(qū)動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，實現(xiàn)電機換相的目的。電樞繞組Y連接三相全控橋驅(qū)動電路如圖1所示。

圖1 電樞繞組Y連接三相全控橋驅(qū)動電路

三相全控橋電路的換相周期為60°電角度，每個換相周期中只有兩個功率MOSFET管導(dǎo)通，每次換相一個功率管，每個功率管導(dǎo)通120°電角度。圖中Q1～Q6為功率場效應(yīng)管，當(dāng)需要AB相導(dǎo)通時，只需要打開Q1，Q6管，而使其他管截止。此時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)通方式就會有6種相位模式:AC，BC，BA，CA，CB，AB，對應(yīng)的 MOSFET 管打開順序為 Q1Q2，Q2Q3，Q3Q4，Q4Q5，Q5Q6，Q6Q1，如果規(guī)定這個導(dǎo)通順序為電機正向旋轉(zhuǎn)一周，則反向旋轉(zhuǎn)只要逆著控制上述MOSFET管導(dǎo)通順序即可實現(xiàn)。

2 控制系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

直流無刷電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)以MC9S12X128單片機為核心控制芯片，負(fù)責(zé)處理采集傳回的電流和轉(zhuǎn)子位置信號，電機控制算法的實現(xiàn)，生成直流無刷電機旋轉(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，控制驅(qū)動電路的功率管開關(guān)時間，使電機的轉(zhuǎn)速達到預(yù)期值。無刷直流電機的換相時刻由轉(zhuǎn)子的位置決定，因此系統(tǒng)中加入了位置檢測電路用于檢測轉(zhuǎn)子的位置，位置傳感器采用的是位置霍爾傳感器。為了保證電機在動態(tài)過程中出現(xiàn)電樞電流過流或欠流時系統(tǒng)的性能不會受到過大的影響，加入了電流檢測電路，通過這個電路將流過電機的電流進行采樣，一旦出現(xiàn)異常情況，主控制器馬上采取相應(yīng)的措施保護這個控制系統(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，將干擾產(chǎn)生的影響降到最低，使系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定的運行。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轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和控制，滿足對轉(zhuǎn)速的各種要求。

圖2 直流無刷電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 主控器

主控制器選擇的好壞直接影響整個直流無刷電機控制系統(tǒng)的性能，在充分考慮了實現(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，適合用于電機控制。在實際使用時只要配置好相應(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。對于系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的問題，可以方便地進行調(diào)試和維護。

2.3 驅(qū)動電路

在驅(qū)動電路設(shè)計中，考慮到電路的成本和可靠性，放棄了傳統(tǒng)的3個P溝道和3個N溝道構(gòu)成的逆變橋驅(qū)動電路，而采用專用的無刷電機驅(qū)動芯片IR2130實現(xiàn)電機的控制。IR2130驅(qū)動電路的外圍元件少，具有電流放大和過電流保護功能，且抑制噪聲的能力強。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，該電路的性能價格比較高，有利于推廣應(yīng)用。直流無刷電機驅(qū)動電路如圖3所示。

圖3 直流無刷電機驅(qū)動電路

圖3中，IR2130的 HIN1～HIN3、LIN1～LIN3作為功率管的輸入驅(qū)動信號與主控芯片連接。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產(chǎn)生極高的瞬時反電動勢，會擊穿元件，在功率管上加入D5～D8這6個二極管，其作用是通過續(xù)流而防止出現(xiàn)過高的反電動勢造成MOSFET管損壞。C3～C5是自舉電容，為上橋臂功率管驅(qū)動的懸浮電源存儲能量，D1～D3的作用防止上橋臂導(dǎo)通時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 位置檢測電路

直流無刷電機與普通有刷直流電機的不同在于，普通直流電機連續(xù)旋轉(zhuǎn)需要機械換相，機械換相會產(chǎn)生電磁干擾，而且噪聲大，直流無刷電機正好克服了這些缺點，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)子位置檢測是控制無刷電機的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。位置檢測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)子位置及時地作出換相操作，使電機連續(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電路構(gòu)成。直流無刷電機位置檢測電路如圖4所示。

圖4 直流無刷電機位置檢測電路

這個位置檢測電路選用MAXIM的MAX9621芯片，通過在模擬輸出端對傳感器電流進行鏡像或通過經(jīng)過濾波的數(shù)字輸出，使MC9S12X128能夠監(jiān)測霍爾傳感器的狀態(tài)，達到精確檢測電機轉(zhuǎn)子位置的目的。此電路與采用運算放大器構(gòu)成的位置檢測電路相比具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、成本低、功耗低等優(yōu)點。

2.5 電流檢測電路

電流檢測可以給系統(tǒng)提供保護，通過電流檢測電路采集的電流信息，主控制器可以及時地做出判斷，一旦電流超過電機的極限值，就切斷電路電源，避免發(fā)生較大的損害。直流無刷電機電流檢測電路如圖5所示。

圖5 直流無刷電機電流檢測電路

圖中RSENSE是電流采樣電阻，其兩端的電壓VSENSE為檢測電壓。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引腳上就會有高電平信號輸出給主控芯片，主控芯片會根據(jù)這個信號及時做出相應(yīng)的操作，保護系統(tǒng)不受到損壞。

3 控制系統(tǒng)主要軟件設(shè)計

3.1 位置檢測和換相控制程序

實現(xiàn)直流無刷電機穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵是及時的掌握換相時刻，并在該時刻作出正確的換相操作。轉(zhuǎn)子位置信號有3個位置霍爾傳感器輸出，經(jīng)位置檢測電路采集后送至主控芯片。3個霍爾傳感器的輸出信號相差120°電角度。每個霍爾傳感器在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周時會產(chǎn)生6個脈沖信號，正好對應(yīng)6個換相時刻。通過單片機的捕捉功能捕捉這些脈沖信號，就可以獲得這6個換相時刻。在換相控制程序中，將捕捉到的位置信號與換相控制表進行比較計算，換相控制字與MOS管工作狀態(tài)關(guān)系如表1所示，得到下一時刻狀態(tài)控制字，然后將這個狀態(tài)控制字輸出給IR2130來切換功率MOSFET管，從而實現(xiàn)正確換相。直流無刷電機換相控制程序流程如圖6所示。

圖6 直流無刷電機換相控制程序流程圖

表1 換相控制字與MOS管工作狀態(tài)關(guān)系

3.2 PWM波形生成

PWM調(diào)制是利用數(shù)字輸出對模擬電路進行控制的一種有效技術(shù)，尤其應(yīng)用在電機轉(zhuǎn)速控制方面。使用PWM調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速[7]，電機電樞電流的脈動量小，容易連續(xù)且調(diào)速范圍寬。PWM信號的產(chǎn)生有多種方法，可以用555定時器組成的占空比可調(diào)的電路產(chǎn)生，也可以對單片機進行軟件編程產(chǎn)生?？紤]到成本和電路設(shè)計的需要，文中的PWM信號用軟件的方法獲得。MC9S12X128有8個PWM輸出通道，每個通道都可以通過編程實現(xiàn)PWM信號的左對齊或居中對齊輸出，波形翻轉(zhuǎn)可控制，時鐘可選擇的頻率范圍寬，可以根據(jù)實際需要進行設(shè)置。在設(shè)計的控制系統(tǒng)中只使用PWM0～PWM2這3個通道，設(shè)置PWM輸出的起始電平為高，對齊方式為左對齊，總線時鐘設(shè)置為24 MHz。輸出的PWM信號給上橋臂的功率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。

圖7 PWM波形生成程序流程圖

4 實驗結(jié)果及分析

為測試文中設(shè)計的無刷直流電機控制系統(tǒng)在實際運行時的效果，根據(jù)文中的設(shè)計方案，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。實驗用的電機選擇的是新西達 2210(KV1000)外轉(zhuǎn)子無刷電機。輸出的PWM頻率為32 kHz。無刷直流電機在占空比為50%時，A、B、C三相端電壓波形如圖8所示;無刷直流電機某相反相感生電動勢波形如圖9所示。

通過電機長時間運行測試、觀察，整個系統(tǒng)的響應(yīng)速度很快，運行平穩(wěn)，測試期間無故障發(fā)生。但是，從圖9中可以看出，反相感生電動勢波形的頂部有彎曲，說明電機出現(xiàn)過早換向的現(xiàn)象，此時無刷直流電機會發(fā)生輕微震動，這種情況是由于無刷電機的磁隙較大造成的。對從硬盤拆解下磁隙較小的無刷電機進行測試，發(fā)現(xiàn)硬盤無刷電機的反相感生電動勢波形的頂部沒有彎曲。這說明無刷電機磁隙對反相感生電動勢有一定的影響。

5 結(jié)束語

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

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