電動車無刷直流電機控制器的設計

孫冰　薛戩

摘要：基于MSP430F169單片機、霍爾傳感器、LCM12864、IR2130專用MOSFET芯片構成電動車構成的無刷直流電機控制系統。采用MSP430 C言程序寫入MSP430F169芯片，利用單片機內置定時器產生PWM信號實現電壓調節，通過霍爾傳感器采集轉子位置信號經單片機處理后輸出PWM橋控制信號經IR2130芯片MOSFET換相電路，進而實現無刷直流電機控制系統的設計。

關鍵詞：無刷直流電機 MSP430F169 霍爾傳感器 IR2130

中圖分類號：TM33 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0015-02

電動車以零污染、高性能、低噪音等優點得到了各國政府的大力支持，從而電動車行業有了突飛猛進的發展。無刷直流電機既有交流電機結構簡單、運行可靠和維護方便的優點，又具備直流電機優越的起動性能和調速特性，非常適用于電動車動力系統。

性能優良的電機控制系統對電動車安全高效運行至關重要。無刷直流電機控制系統有三種結構形式：模擬式、數字式和電機專用控制芯片。其中模擬式控制系統結構復雜且控制繁瑣，現已逐步淘汰。電機專用控制芯片雖然性能優異，但往往價格昂貴。單片機為核心的數字式控制系統工作穩定、價格又比較為低廉的控制器非常適用于控制要求精度不高的場合。

1 系統總體設計

本系統以MSP430F169單片機為控制核心，用IR2103作為逆變電路MOSFET驅動芯片，以LCM12864為顯示器，以調壓調速的方法實現了無刷直流電機控制的系統功能。MSP430F169單片機、按鍵、顯示器和復位電路等構成了單片機控制系統，通過按鍵輸入調整PWM占空比，調整輸出電壓，單片機系統監控程序使用430 C語言編制。

2 電路設計

2.1 無刷直流電機驅動電路

P4.1—P4.6為MSP430F169發出的六路PWM脈沖信號，經IR2130內部三個輸入信號處理器邏輯處理后，其中對應的驅動三路低壓側功率MOSFET器件的脈沖信號，經三路輸出驅動器功率放大后，直接送往低壓側被驅動功率MOSFET器件的柵極。而高壓側驅動信號H1、H2、H3先經過三個脈沖處理和電平移位器（PGLS）處理，再經對應的三路輸出鎖存器鎖存，并經過驅動脈沖電壓檢驗之后，送入輸出驅動器進行功率放大，再送入被驅動的功率MOSFET器件的柵極。一旦外電路發生過電流或直通短路故障，經IR2130內部的比較器處理后，使故障邏輯處理單元輸出為低電平，一方面使IR2130的輸出全為低電平，保證六個被驅動的功率MOSFET器件柵、源極迅速反偏而全部截止，保護功率管，另一方面，經IR2130的引腳8輸出信號，發出聲光報警。若發生IR2130發生電源欠電壓故障，則欠電壓檢測器（UVD）迅速翻轉，同以上的分析一樣，可得到被驅動功率MOSFET器件全部截止而得到可靠保護，并從引腳8得到故障報警信號。

另外，IR2130芯片內部的六個驅動器輸出阻抗較低，常在其驅動信號輸出引腳與MOSFET門極之間加一個30Ω的電阻，以防止直接驅動功率MOSFET使其快速開通與關斷而引發的MOSFET擊穿損壞。電路如圖2所示。

2.2 無刷直流電機轉子位置檢測電路

本設計采用三個空間位置相差120°的霍爾位置傳感器來檢測轉子位置變量，在每個通電周期內隨著轉子位置的改變，霍爾位置傳感器都會產生180°脈寬的感應脈沖，三個霍爾傳感器的輸出信號相位互差120°。這樣它們在每個轉子電周期中共產生三個上升沿和三個下降沿，正好對應著MOSFET驅動電路的6個換向時刻。電路圖如圖3所示。

2.3 LCM12864顯示電路

LCM12864模塊是一個可進行雙向數據傳輸的外設，可由軟件對單片機編程實現片選信號的控制進而實現對LCM12864顯示內容的選擇。當輸出、輸入數據（含模塊命令）時，按時序控制其使能端和數據線。LCM12864模塊接收到數據（含模塊命令）后，根據使能端狀態和數據內容進行譯碼，完成相應操作。

3 軟件程序設計

3.1 位置檢測模塊程序設計

MSP430F169單片機的P6.3、P6.4、P6.5三個端口采集三個霍爾傳感器輸出的3路電平狀態信號，位置檢測模塊首先讀P6.3、P6.4、P6.5端口的電平，通過按鍵輸入信號至P2.2、P2.3引腳選擇判斷好轉向后，更改相應的標志位，最后更新傳感器標志位。其換向驅動程序流程圖如圖4所示。

3.2 轉速調節模塊

本設計采用PWM調壓調速，通過按鍵輸入信號至P2.0、P2.1來調節PWM占空比，形成不同的PWM波形再通過P4.1至P4.6的輸出，來進行PWM變壓調速。其結構流程圖如圖5所示。

4 結語

本設計的主要內容為MSP430F169單片機、LCM12864和IR2130專用MOSFET驅動芯片組成無刷直流電機轉速控制系統。利用單片機內置定時器產生PWM信號實現電壓調節，通過霍爾傳感器采集轉子位置信號經單片機處理后控制MOSFET換相，并利用LCM12864顯示模塊實現了無刷直流電機轉速顯示，進而完成了無刷直流電機控制器的設計。

參考文獻

[1]王東峰，等.單片機C語言應用100例[M].電子工業出版社，2009.18-22.

[2]顧銘.無刷直流電機控制系統設計[D].碩士學位論文，大連理工大學，2006，12.

[3]莫正康.電力電子應用技術[M].北京機械工業出版社，2004.33-36.

[4]何惠森，來新泉，許文丹，等.一種精簡的高速功率管MOS驅動器[J].西安電子科技大學學報， 2012.02.

[5]張琛編著.直流無刷電動機原理及應用[M].機械工業出版社，2004.

[6]陳伯時.電力拖動自動控制系統[M].北京：機械工業出版社，2004.

[7]Gu deying，Xia Rui. The Speed Control of Brushless DC Motor Based on Fuzzy Genetic Algorithm[A]. 東北大學、IEEE新加坡工業電子分會、IEEE控制系統協會哈爾濱分會.第25屆中國控制與決策會議論文集[C].東北大學、IEEE新加坡工業電子分會、IEEE控制系統協會哈爾濱分會，2013（4）.