基于單片機(jī)的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

2．2 電機(jī)驅(qū)動電路
本系統(tǒng)采用三相六拍控制方式，驅(qū)動回路采用一種單極半調(diào)制的PWM控制方式，驅(qū)動器件采用IR2110，它是雙通道高壓、高速電壓型功率開關(guān)器件柵極驅(qū)動器，具有自舉浮動電源，驅(qū)動電路簡單，只需一路電源即可同時驅(qū)動上、下橋臂2個開關(guān)器件，大大簡化了驅(qū)動電源設(shè)計，功率器件采用T1～T6的6路MOSFET實現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動。驅(qū)動電路如圖4所示。

圖4中的電路只是電機(jī)一相的驅(qū)動。而無刷直流電動機(jī)的三相繞組的驅(qū)動控制共需3組這樣的驅(qū)動控制，每組控制2個MOSFET，3組共有6種MOSFET導(dǎo)通狀態(tài)，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60°就變換一種狀態(tài)，控制信號從主控制器PB口輸出，輸入到IR2110的上橋臂控制端10引腳和下橋臂控制端12引腳，控制本路信號高端7引腳和低端1引腳的導(dǎo)通與截止，導(dǎo)通順序依次為VT1、T4導(dǎo)通；VT1、VT6導(dǎo)通；VT3、VT6導(dǎo)通；VT3、VT2導(dǎo)通；VT5、VT2導(dǎo)通；VT5、VT4導(dǎo)通信號，每次只有一相繞組的上橋臂和另一相繞組的下橋臂進(jìn)行導(dǎo)通，這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)，VT1～VT6及按固定組合成的6種狀態(tài)依次導(dǎo)通，保證電機(jī)的正常運轉(zhuǎn)。在此部分電路布線時一定要注意Cx1的位置是在緊靠VCC電源的部分，確保濾去電源上的毛刺干擾，保證SD端不受干擾。
2．3 電動機(jī)的電流保護(hù)和過熱保護(hù)控制
為了保護(hù)電機(jī)，必須要對電機(jī)的電流和溫度進(jìn)行檢測，本控制系統(tǒng)采用通過電源對地端接一個取樣電阻作為電流傳感器，溫度傳感器采用Pt100，該溫度傳感器輸出信號經(jīng)儀表放大器放大處理后，接入MC9S12D64的PAD00進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換測量；電機(jī)的電流是通過檢測電路中串接的取樣電阻得到電壓信號，再經(jīng)過差分放大等處理后接入MC9S12D64的A／D轉(zhuǎn)換輸入端PAD01進(jìn)行測量的。當(dāng)檢測的電流或溫度超過預(yù)先設(shè)定好的最大值時，可以通過軟件控制IR2110的SD端，封鎖輸出，讓電機(jī)停轉(zhuǎn)，從而保護(hù)電機(jī)不致燒毀。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
本控制系統(tǒng)的控制軟件主要包括主程序、位置檢測子程序、PWM脈寬調(diào)制子程序、調(diào)速子程序、電流溫度測量與控制子程序、計數(shù)和定時中斷程序和串口中斷子程序等部分。其中位置檢測子程序包括3個輸入捕捉中斷程序，利用MC9S12D64的PT口具有優(yōu)良的輸入捕捉功能，可以自動捕獲到位置傳感器輸出信號的2個上升沿來完成電機(jī)速度的測量和換相控制的；電流溫度測量是利用MC9S12D64的A／D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行刻度，換算出實際數(shù)值的。其中主程序、調(diào)速子程序的流程圖分別如圖5(a)、圖5(b)所示。

在本系統(tǒng)中，調(diào)速可采用手動調(diào)速和上位機(jī)命令調(diào)速2種。由于無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和電動機(jī)的電壓呈線性關(guān)系，在手動調(diào)速時把電機(jī)的轉(zhuǎn)速與控制轉(zhuǎn)速的模擬輸入電壓對應(yīng)起來，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換所得到的值進(jìn)行轉(zhuǎn)速的設(shè)定。若通過串口進(jìn)行轉(zhuǎn)速設(shè)定，則把二進(jìn)制代碼與PWM脈寬對應(yīng)。只需1 s讀取測速子程序中已經(jīng)測得電動機(jī)的轉(zhuǎn)速值，然后將此值與預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速值比較，若大于預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速值，則取較小的代碼值送出；若小于預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速值，則取較大的代碼值送出，這樣，在這樣一個反饋循環(huán)中就可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速直到轉(zhuǎn)速值等于預(yù)設(shè)定的值，從而實現(xiàn)對電動機(jī)的速度的調(diào)節(jié)。在整個軟件設(shè)計中，采用了捕捉中斷、定時中斷、外部中斷、串口中斷、A／D中斷等低功耗軟件設(shè)計方法，大大降低了系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)功耗。

4 結(jié)束語
本系統(tǒng)主要完成了電動機(jī)的驅(qū)動控制、換相控制、正反轉(zhuǎn)控制、起停控制、電流、溫度控制以及電動機(jī)轉(zhuǎn)速的測量和電動機(jī)的調(diào)速等功能。本設(shè)計采用MC9S12D64單片機(jī)，外圍電路簡單，優(yōu)點在于功耗低，整個控制系統(tǒng)功耗經(jīng)測量僅為11 mW，經(jīng)過高溫烘烤檢測，該控制系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作在150℃的高溫環(huán)境下。經(jīng)過大量的實踐驗證，本控制驅(qū)動系統(tǒng)啟動平穩(wěn)，啟動電流小，驅(qū)動的電機(jī)運行平穩(wěn)，具有硬件簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠的特點。