基于MC9S12X128無刷直流電機控制系統設計

孟慶斌，馬 斌，王長濤，邊樹海

(沈陽建筑大學信息與控制工程學院，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、結構簡單、便于維護和體積小等優點。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，無刷電機的轉子與定子磁場同步旋轉，因此不存在轉子損耗。與同步電機[3]相比，無刷電機控制方法簡單，便于工程應用的特性，使其被廣泛應用于眾多領域。

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，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實現電機的正反轉、啟停等控制，但在系統實現成本、控制精度、運行穩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，系統的控制精度高、穩定性好，可以應用于工業生產中，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，系統的性能相差很大，無法滿足工業生產的要求。

針對上述問題，提出設計以MC9S12X128單片機為核心的直流無刷電機控制系統。該控制系統實現成本低，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，可以在工業生產中廣泛應用。文中所選擇的主控芯片有豐富A/D轉換和PWM通道，適合電機的控制。為減少能源消耗和降低電路的復雜性、電路成本，提高控制系統的可靠性，同時也為了便于系統維護和功能擴展，系統硬件電路采用模塊化設計的原則，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別，無刷電機采用電子換相，利用轉子位置傳感器檢測轉子位置，通過換相驅動電路控制與電樞繞組連接的各功率MOSFET管的導通和關斷，實現電機換相的目的。電樞繞組Y連接三相全控橋驅動電路如圖1所示。

圖1 電樞繞組Y連接三相全控橋驅動電路

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管導通，每次換相一個功率管，每個功率管導通120°電角度。圖中Q1～Q6為功率場效應管，當需要AB相導通時，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—電源負極。按照這種導通方式就會有6種相位模式:AC，BC，BA，CA，CB，AB，對應的 MOSFET 管打開順序為 Q1Q2，Q2Q3，Q3Q4，Q4Q5，Q5Q6，Q6Q1，如果規定這個導通順序為電機正向旋轉一周，則反向旋轉只要逆著控制上述MOSFET管導通順序即可實現。

2 控制系統主要硬件電路設計

2.1 系統硬件結構

直流無刷電機控制系統結構框圖如圖2所示。控制系統以MC9S12X128單片機為核心控制芯片，負責處理采集傳回的電流和轉子位置信號，電機控制算法的實現，生成直流無刷電機旋轉所需的控制脈沖及與外界交互操作等功能。通過按鍵設定需要的轉速之后，主控芯片根據給定的轉速生成相應頻率的PWM信號，控制驅動電路的功率管開關時間，使電機的轉速達到預期值。無刷直流電機的換相時刻由轉子的位置決定，因此系統中加入了位置檢測電路用于檢測轉子的位置，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過程中出現電樞電流過流或欠流時系統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，一旦出現異常情況，主控制器馬上采取相應的措施保護這個控制系統，避免意外事故的發生。隔離電路是防止感性負載的存在而產生大量的干擾信號，將干擾產生的影響降到最低，使系統能夠長期穩定的運行。監控電路的作用是使系統一直工作在有效電壓之內，提高系統的可靠性。RS232接口和按鍵接口電路用于電機轉速調節和控制，滿足對轉速的各種要求。

圖2 直流無刷電機控制系統結構框圖

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的性能，在充分考慮了實現成本和功能需要后，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模塊的寄存器，就可以使用模塊功能，不需要復雜的程序編寫，這樣就可以將主要精力放在硬件電路性能的提高上。對于系統運行過程中出現的問題，可以方便地進行調試和維護。

2.3 驅動電路

在驅動電路設計中，考慮到電路的成本和可靠性，放棄了傳統的3個P溝道和3個N溝道構成的逆變橋驅動電路，而采用專用的無刷電機驅動芯片IR2130實現電機的控制。IR2130驅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，有利于推廣應用。直流無刷電機驅動電路如圖3所示。

圖3 直流無刷電機驅動電路

圖3中，IR2130的 HIN1～HIN3、LIN1～LIN3作為功率管的輸入驅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。考慮到電樞線圈由于自身電感的作用會產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，其作用是通過續流而防止出現過高的反電動勢造成MOSFET管損壞。C3～C5是自舉電容，為上橋臂功率管驅動的懸浮電源存儲能量，D1～D3的作用防止上橋臂導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應有足夠的反向耐壓，由于二極管與電容串聯，為了滿足主電路功率管開關頻率的要求，D1～D3選擇了快速恢復二極管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，普通直流電機連續旋轉需要機械換相，機械換相會產生電磁干擾，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。電子換相依據是轉子磁極位置，因此轉子位置檢測是控制無刷電機的一個關鍵環節。位置檢測電路的作用是向主控芯片提供準確的轉子位置信息，主控芯片根據轉子位置及時地作出換相操作，使電機連續的旋轉。該部分電路主要由位置霍爾傳感器和位置檢測電路構成。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過濾波的數字輸出，使MC9S12X128能夠監測霍爾傳感器的狀態，達到精確檢測電機轉子位置的目的。此電路與采用運算放大器構成的位置檢測電路相比具有結構簡單、精度高、成本低、功耗低等優點。

2.5 電流檢測電路

電流檢測可以給系統提供保護，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構成的分壓電阻網絡與芯片內部的兩路比較器相連，如果16引腳出現過流或欠流的情況，在6引腳上就會有高電平信號輸出給主控芯片，主控芯片會根據這個信號及時做出相應的操作，保護系統不受到損壞。

3 控制系統主要軟件設計

3.1 位置檢測和換相控制程序

實現直流無刷電機穩定旋轉的關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。轉子位置信號有3個位置霍爾傳感器輸出，經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子旋轉一周時會產生6個脈沖信號，正好對應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管工作狀態關系如表1所示，得到下一時刻狀態控制字，然后將這個狀態控制字輸出給IR2130來切換功率MOSFET管，從而實現正確換相。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管工作狀態關系

3.2 PWM波形生成

PWM調制是利用數字輸出對模擬電路進行控制的一種有效技術，尤其應用在電機轉速控制方面。使用PWM調節電機轉速[7]，電機電樞電流的脈動量小，容易連續且調速范圍寬。PWM信號的產生有多種方法，可以用555定時器組成的占空比可調的電路產生，也可以對單片機進行軟件編程產生。考慮到成本和電路設計的需要，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PWM信號的左對齊或居中對齊輸出，波形翻轉可控制，時鐘可選擇的頻率范圍寬，可以根據實際需要進行設置。在設計的控制系統中只使用PWM0～PWM2這3個通道，設置PWM輸出的起始電平為高，對齊方式為左對齊，總線時鐘設置為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 實驗結果及分析

為測試文中設計的無刷直流電機控制系統在實際運行時的效果，根據文中的設計方案，按照系統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，整個系統的響應速度很快，運行平穩，測試期間無故障發生。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，說明電機出現過早換向的現象，此時無刷直流電機會發生輕微震動，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，發現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 結束語

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

[1]倪紅英，李海峰.直流電機換向火花的電磁原因解析[J].內燃機車，2011(4):41-44.

[2]辛本雨，廖勇.降低諧波損耗的異步電機轉子槽設計[J].微電機，2010(1):38-53.

[3]錢兒，邵定國，許路，等.空心杯永磁同步電機控制策略[J].電機與控制應用，2010(1):20-24.

[4]井科偉.基于DSP技術的直流無刷電機控制系統的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學，2003.

[5]曹杰，史金飛，戴敏.基于MEGA8單片機的無傳感器無刷直流電機控制系統設計[J].自動化儀表，2005(12):13-16.

[6]熊倩.基于SOPC的直流無刷電機控制系統設計[D].大連:大連海事大學，2008.

[7]郭宇飛，姚猛.無刷直流電動機調速的實現[J].電機與控制應用，2009(9):13-16.