基于MC9S12X128無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 為滿足對直流無刷電機(jī)控制要求精度高、調(diào)速性能好、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本低的需要，設(shè)計(jì)了一種無刷電機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MC9S12X128單片機(jī)為控制核心，采用IR2130芯片驅(qū)動MOSFET功率管，實(shí)現(xiàn)對直流無刷電機(jī)三相六拍PWM控制。系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速方便、功耗低。實(shí)際運(yùn)行測試表明，電機(jī)可以長期穩(wěn)定運(yùn)行。
關(guān)鍵詞 單片機(jī)；直流無刷電機(jī)；驅(qū)動電路；位置檢測；電流檢測

直流無刷電機(jī)是一種高性能電機(jī)，它具有效率高、可靠性好、結(jié)構(gòu)簡單、便于維護(hù)和體積小等優(yōu)點(diǎn)。與直流電機(jī)相比，無刷電機(jī)沒有電刷和換相器，而采用電子電路進(jìn)行換相，換相時(shí)不會產(chǎn)生電火花，不存在機(jī)械換向損耗。與異步電機(jī)相比，無刷電機(jī)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(jī)相比，無刷電機(jī)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(jī)的控制方案有多種，如文獻(xiàn)采用DSP作為主控制器的控制系統(tǒng)，文獻(xiàn)采用FPAG控制無刷電機(jī)，文獻(xiàn)選用MEGA8單片機(jī)控制方案。這些控制方法都能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、啟停等控制，但在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本、控制精度、運(yùn)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(jì)以MC9S12X128單片機(jī)為核心的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本低，而電機(jī)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(jī)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(shí)也為了便于系統(tǒng)維護(hù)和功能擴(kuò)展，系統(tǒng)硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì)的原則，每個(gè)模塊電路盡可能使用集成芯片。

1 直流無刷電機(jī)控制原理
直流無刷電機(jī)的運(yùn)行原理與有刷直流電機(jī)基本相同，只是電機(jī)的換相方式有區(qū)別，無刷電機(jī)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(shí)現(xiàn)電機(jī)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。

三相全控橋電路的換相周期為60°電角度，每個(gè)換相周期中只有兩個(gè)功率MOSFET管導(dǎo)通，每次換相一個(gè)功率管，每個(gè)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(shí)，只需要打開Q1，Q6管，而使其他管截止。此時(shí)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?yàn)镼1Q2，Q2Q3，Q3 Q4，Q4Q5，Q5Q6，Q6Q1，如果規(guī)定這個(gè)導(dǎo)通順序?yàn)殡姍C(jī)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(shí)現(xiàn)。

2 控制系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
直流無刷電機(jī)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(jī)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(jī)控制算法的實(shí)現(xiàn)，生成直流無刷電機(jī)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(shí)間，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)期值。無刷直流電機(jī)的換相時(shí)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(jī)在動態(tài)過程中出現(xiàn)電樞電流過流或欠流時(shí)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(gè)電路將流過電機(jī)的電流進(jìn)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(hù)這個(gè)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(yùn)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(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和控制，滿足對轉(zhuǎn)速的各種要求。

2．2 主控器
主控制器選擇的好壞直接影響整個(gè)直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的性能，在充分考慮了實(shí)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(jī)控制。在實(shí)際使用時(shí)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(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題，可以方便地進(jìn)行調(diào)試和維護(hù)。