基于MC9S12D64單片機的直流無刷電機控制系統(tǒng)設(shè)計

由于無刷直流電動機既具備交流電動機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等系列優(yōu)點，又具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、效率高、啟動扭矩大、慣量小和響應(yīng)快等其他種類直流電機無法比擬的優(yōu)點，故廣泛應(yīng)用于宇航、軍事、石油裝備及工業(yè)和民用領(lǐng)域。這里給出了基于飛思卡爾MC9S12D64單片機的無刷直流電動機控制系統(tǒng)設(shè)計方案。

1 無刷直流電動機控制原理
無刷直流電動機系統(tǒng)由電動機、轉(zhuǎn)子位置傳感器、電子開關(guān)線路和驅(qū)動電路等4部分組成。其工作原理圖如圖1所示。

直流電源通過驅(qū)動和開關(guān)電路向電動機的定子繞組供電，提供勵磁電流，位置傳感器隨時檢測到轉(zhuǎn)子位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，從而實現(xiàn)電子換向。隨著電動機轉(zhuǎn)子永磁體的轉(zhuǎn)動，作用于位置傳感器H1、H2、H3的磁場方向N-S極發(fā)生變換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差為120°的方波信號，如圖2所示波形。

隨著電動機轉(zhuǎn)子永磁體的轉(zhuǎn)動，作用于3個位置傳感器HALL1、HALL2、HALL3的磁場方向N-S極發(fā)生變換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差為120°的6狀態(tài)編碼信號：101、100、110、010、011、001，產(chǎn)生控制開關(guān)器件MOSFET或IGBT等功率管按一定順序兩兩導(dǎo)通的控制信號，這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)，6個功率開關(guān)管及按固定組合成的6種狀態(tài)依次導(dǎo)通，保證電機的正常運轉(zhuǎn)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 主控制器模塊
本系統(tǒng)采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的一款16位的9S12系列的MC9S12D64單片機作為主控制器，該芯片具有豐富的I／O端口；片內(nèi)有8 KB RAM、64 KB Flash、2 KB EEPROM；SCI，SPI，PWM和串行接口模塊；帶有6路12位PWM模塊，可設(shè)定為中心對齊或邊沿對齊模式，正好用于電機的三對電極的變頻控制；片內(nèi)具有增強型捕捉定時器、8路10位A／D轉(zhuǎn)換模塊可用于電流、電壓等的檢測，實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的保護，也可接各種傳感器，大大簡化外圍電路和軟件設(shè)計。
該系統(tǒng)包括MC9S12D64單片機工作的外圍系統(tǒng)、電機位置傳感器信號檢測部分、電機驅(qū)動電路、通信電路和溫度電流檢測電路。其實現(xiàn)的硬件電路如圖3所示。

該控制系統(tǒng)主要功能為電動機的正反轉(zhuǎn)的控制、起?？刂?，轉(zhuǎn)速的測量和閉環(huán)調(diào)速、電機溫度、電流檢測與保護等。其中單片機外圍系統(tǒng)包括模式選擇、復(fù)位電路、晶振電路和電源4部分；電機位置傳感器的3路輸入信號HALL1／HALL2／HALL3經(jīng)上拉和濾波后分別接入PT0／PT1／PT2引腳，利用該單片機的輸入捕捉功能就可以實現(xiàn)電機每轉(zhuǎn)過60°就產(chǎn)生一次中斷，很方便地得到轉(zhuǎn)子位置和電機的轉(zhuǎn)速；由PB口輸出控制電機轉(zhuǎn)動的驅(qū)動控制信號；AN0／AN1口輸入測得的電機溫度和電機電流信號，A／D轉(zhuǎn)換后換算成實際的溫度和電流值。此外利用串口0連接RS485總線接口器件SN75176與上位機進行通信，接收上位機的轉(zhuǎn)速、起停、轉(zhuǎn)向等命令，并把電機轉(zhuǎn)速、溫度等電機信息發(fā)給上位機，硬件電路簡單可靠。