基于MC9S12XS128的無刷直流電機控制器設計

陳修波，蔣德云，張志林，朱 琳，李新紅

(安徽農業大學工學院，安徽合肥 230036)

基于MC9S12XS128的無刷直流電機控制器設計

陳修波，蔣德云*，張志林，朱 琳，李新紅

(安徽農業大學工學院，安徽合肥 230036)

分析無刷直流電機控制原理，設計一款基于MC9S12XS128單片機的直流無刷電機控制系統。介紹無刷電機控制器的硬、軟件設計方案，實現無刷電機的正反轉、起停控制、調速控制、過流保護等功能。實驗證明，控制系統運行效果良好，具有成本低、易維護、穩定性好等優點，適合在小型電動車中廣泛推廣。

無刷直流電機；MC9S12XS128單片機；無刷電機控制系統

自1886年世界上第一輛內燃機汽車誕生起，內燃機汽車已走過120多a的歷史，內燃機汽車的發展面臨著環境污染和能源危機的雙重挑戰。我國每年內燃機汽車尾氣中有害氣體大約 2億t，約占大氣污染總質量的 60%，內燃機汽車的廢氣已成為大氣污染的主要來源。汽車使用的主要能源是石油，據推算，按照現有的石油消耗量，當前全世界探明的石油儲量只夠用50 a左右，能源危機十分嚴峻。因此，為了解決內燃機汽車造成的環境污染、能源緊缺等問題，研究電動車輛具有深遠意義。

對于電動車輛，首先要解決的是電機和控制器[1]。無刷直流電機是理想的電動車輛驅動電機，與其它電機相比，其優點是：1)無電刷和換相器，采用電子電路換相，不產生電火花，不存在機械換向損耗，工作可靠；2)電機體積小，重量輕；3)電機效率高，輕載時仍有較高效率；4)電機外特性好，具有低速大轉矩特性；5)再生制動效果好，這對增加電動車續駛里程具有重要意義。[2-4]

控制器是保證電機正常轉動并負責對各種調速系統進行指揮的中心，市場上無刷電機控制器種類繁多，車用無刷電機控制器的選擇要綜合考慮各種因素，其中處理速度和價格是2個根本的要素。本設計選用針對電機控制的高性能16位微處理器MC9S12XS128，該款單片機具有運行速度快、性能高、功耗低、成本低等優點。

1 控制原理

無刷直流電機主要由電機本體、電子換相電路、位置傳感器3部分組成，電機本體離不開控制系統，因此控制器是無刷直流電機組成中必不可少的一個環節。無刷直流電機的原理如圖1所示。

圖1 無刷直流電機原理框圖

電子換相電路與位置傳感器相互配合共同作用，控制無刷直流電機的定子各相繞組通電時間與次序，起到類似于直流有刷電機的機械換向器和電刷的功能，當轉子跟隨定子磁場旋轉的時候，電子換相電路接受到位置傳感器輸入的信號后，將功率按一定的次序關系平均分配給無刷直流電機的定子繞組，使之產生持續不斷的轉矩以拖動轉子旋轉[5]。

隨著電機轉子的轉動，無刷電機內部的3個位置傳感器的N極與S極交替變換，使位置傳感器產生相位差為120°的6狀態編碼信號：101、001、011、010、110、100，產生控制開關器件的MOSFET功率管按一定順序兩兩導通的控制信號，這樣轉子每轉過1轉，6個功率開關管按固定組合成的6種狀態依次導通，保證電機的正常運轉。

2 控制系統硬件設計

該系統包括MC9S12XS128單片機工作的外圍系統、電源電路、功率驅動電路、霍爾信號檢測電路、電流檢測電路等。其控制系統的硬件框圖如圖2所示。

圖2 控制系統的硬件框圖

MC9S12XS128單片機有16路AD轉換，分辨率可設置為8～12位，有8路8位PWM并可兩兩級聯組成16位精度PWM，特別適用于控制多電機系統。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，增強型捕捉定時器等端口，而且采用了引角復用功能，使這些功能引角也可設置為普通的I/O端口[6-8]。

電路工作原理為：蓄電池的電壓經過降壓穩壓電路后給單片機提供5 V工作電壓和給功率驅動電路提供12 V工作電壓。端口A作為液晶顯示模塊，經過一定的算法顯示電機的電流和速度；端口B為數字輸出量連接指示燈，顯示電機工作的狀態；端口D為模擬量輸入，包括采集調速信號、電壓信號、電流信號等；端口P為數字輸入量，用于采集位置傳感器的霍爾信號。程序中各個相關模塊初始化后，檢測起/停按鈕，當確定按下按鈕時，檢查位置傳感器信號和調速電位器電壓，這些數據在單片機內部按一定的算法處理后，調整PWM的脈沖寬度，輸出對應的電機驅動控制信號。

2.1功率驅動電路

本系統采用兩相導通三相六狀態方式，驅動芯片采用專用的MOSFET管驅動芯片IR2113S[9]， IR2113S是一種雙通道高壓、高速電壓型功率開關器件柵極驅動器，內部采用自舉技術設計出懸浮電源，其高端電壓可達500 V，工作頻率可達500 kHz，簡化了驅動電路的設計，同時該芯片的SD引腳在接受高電平信號后，會關斷所有驅動信號，這個功能特點保證了控制電路能夠及時準確的保護MOSFET管。功率芯片采用MOSFET管IRF3205實現電機的驅動。以驅動電路的一相為例，如圖3所示。

圖3 無刷直流電機驅動電路

無刷直流電機三相繞組的驅動控制部分共需3組這樣的功率驅動電路，每組控制2個MOSFET管，3組共有6個MOSFET導通狀態。每次只有一相繞組的上橋臂和另一相繞組的下橋臂導通，這樣轉子每轉過一轉，Q1～Q6按固定組合成的6種狀態依次導通， 保證電機的正常運轉。PCB時布線注意極性電容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霍爾信號檢測電路

霍爾信號檢測電路的作用主要有：1)檢測電機定、轉子的相對位置并提供驅動換相信號；2)通過檢測其中一路脈沖信號的數量，然后轉換為速度信號，構成速度的反饋環節。其電路如圖4所示。

圖4 霍爾信號檢測電路

位置傳感器輸出的霍爾信號經六反相施密特觸發器74HC14輸入到單片機的輸入捕捉引腳上，當單片機檢測到3個霍爾傳感器輸出的信號發生上升沿與下降沿電平跳變時，直流無刷電機進行換相。

一般電機速度檢測是通過添加輔助設備(如光柵編碼器等)來完成。本控制系統對精度要求不高，可利用電機內部位置傳感器輸出的脈沖信號測量速度，無刷直流電機旋轉1周對應輸出6種編碼信號的排列組合，對應6個換相狀態。第1個換相時刻計數器開始計數，直至第6個換相時刻結束，此時計數器數值為m，電機極對數為p，時鐘頻率為f，則電機轉速n為

n=60f/(pm).

由于輸入到單片機的換相信號易受到干擾，加上線路上濾波電容的影響，可采用六反相施密特觸發器74HC14，將連續變化的輸入信號轉換成清晰、無抖動的穩定信號傳送給單片機，這樣可以避免單片機程序在讀取換相信號時應至少連續讀取3次，3次信號完全一致時才采用該值作為換相信號的真值，如果其中1次不對，重新讀3次。輸出的霍爾信號通過電阻R19～R21與VCC相連，把信號電平整定為0 V和5 V，與單片機的I/O口電平一致。

2.3過流保護電路

過流保護是控制器設計的重點內容，無刷直流電機在工作的任一時刻，只有兩相繞組導通，電流從一相繞組流進，從另一相繞組流出，其電流與直流側電流相等。因此，只需串聯一個采樣電阻就可以檢測導通相的電流，電路如圖5。

圖5 電流檢測電路

相電流流經采樣電阻R9將信號送至運算放大器 LM358。 經LM358將信號放大比較送至主芯片進行處理。電流反饋通過運算放大器LM358實現，放大倍數由R1和R2決定。單片機讀取采樣電阻上經過A/D轉換的值，經過算法處理后與設定的電流進行比較, 若高于設定的電流, 需關閉輸出, 反之, 則正常運行，從而實現過流保護。

3 控制系統軟件設計

在數字控制系統中，控制器中的程序代碼是整個系統的靈魂，系統的工作方式、控制算法等工作全部由控制器中的程序代碼完成，控制系統要達到理想的控制效果，就必須具有完善的程序代碼設計。在本系統中程序代碼用C語言編寫。

3.1控制算法

控制系統采用閉環控制，外環為速度環，內環為電流環。速度環采用PI調節，電流環采用PID調節，保證系統為無靜差系統，并且有較好的動態和靜態特性。電機剛運行時，系統基本上是恒流控制，電流環起作用，當電機達到一定轉速后，系統由恒流控制轉換為恒轉速控制，從而保證整個系統的響應速度和控制精度。控制系統框圖如圖6所示[10-11]。

圖6 無刷電機控制系統框圖

3.2軟件設計

在系統軟件設計過程中, 首先要上電復位，初始化各個模塊，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模塊檢測到調速電位器的輸入信號, 就將該輸入信號按相應的算法計算出PWM的占空比并輸出PWM波。隨后位置傳感器產生霍爾信號, 將該信號的狀態與電機固定的相位序列(101、001、011、010、110、100)進行比較,判斷電機的相位是否正確。若正確, 可輸出PWM波, 否則, 需要重新復位。主程序流程圖如圖7所示，霍爾信號捕捉流程圖如圖8所示。

圖7 主程序流程圖

圖8 霍爾信號捕捉流程圖

4 試驗結果

經過硬件電路設計、軟件的編寫和調試，完成了無刷直流電機控制器的樣品。該控制器以額定電壓36 V、額定功率250 W的永磁無刷直流電機為樣機，實現電子換相、速度調節和過流保護等。經過試驗，得到了較好的運行效果，基本達到設計的要求。圖9為實驗測得的直流無刷電機正反轉波形圖。

圖9 直流無刷電機正反轉波形圖

5 結語

無刷直流電機控制器采用MC9S12XS128單片機，外圍電路簡單且芯片功耗低，主要完成對永磁無刷直流電機的起停控制、正反轉控制、換相控制、電機調速，以及對電流、電壓檢測和控制等。該控制器硬件具有電路簡單、成本低、穩定性好、便于操作和維護的特點。

[1]張承煜,陳德榮.ST72262GI單片機在電動自行車無刷直流電機控制中的應用[J].工業控制計算機，2004，17(3)：50-51．

[2]房建成,劉剛.永磁無刷直流電機控制技術與應用[M]．北京：機械工業出版社， 2010：5-10．

[3]張琛.直流無刷電動機原理及應用[M].北京:機械工業出版社,2004.

[4]郭慶鼎，趙希梅．直流無刷電動機原理與技術應用[M]．北京：中國電力出版社，2008．

[5]王曉明.電動機的單片機控制[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2002．

[6]邵貝貝.單片機嵌入式應用的在線開發方法[M].北京：清華大學出版社，2004．

[7]張陽,吳曄. MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統開發[M]．北京：電子工業出版社， 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.電動汽車用永磁無刷直流電機控制器的設計[J].廣西工學院學報，2012，23(2)：37-40,50.

[11]范心明,程小華.汽車EPS系統用電動機綜述[J]．防爆電機，2006，41(6)：1-5．

(責任編輯：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，安徽農業大學碩士研究生，主要研究方向為電動車用直流無刷電機控制器； *蔣德云(1956—),男，合肥人，安徽農業大學教授，碩士生導師，主要研究方向為汽車電氣.

10.3969/j.issn.1672-0032.2014.01.003

TP368.1

A

1672-0032(2014)01-0008-06