基于MC9S12X128无刷直流电机控制系统设计

    直流无刷电机是一种高性能电机，它具有效率高、可靠性好、结构简单、便于维护和体积小等优点。与直流电机相比，无刷电机没有电刷和换相器，而采用电子电路进行换相，换相时不会产生电火花，不存在机械换向损耗。与异步电机相比，无刷电机的转子与定子磁场同步旋转，因此不存在转子损耗。与同步电机相比，无刷电机控制方法简单，便于工程应用的特性，使其被广泛应用于众多领域。
    直流无刷电机的控制方案有多种，如文献采用DSP作为主控制器的控制系统，文献采用FPAG控制无刷电机，文献选用MEGA8单片机控制方案。这些控制方法都能够实现电机的正反转、启停等控制，但在系统实现成本、控制精度、运行稳定性和外围电路的能源消耗等方面上却有较大的差别。使用DSP和FPAG的控制方案，系统的控制精度高、稳定性好，可以应用于工业生产中，不足之处在于成本过高，无法大量用于日常生活中。而采用MEAG8控制方案虽然成本低，与DSP、FPAG相比，系统的性能相差很大，无法满足工业生产的要求。
    针对上述问题，提出设计以MC9S12X128单片机为核心的直流无刷电机控制系统。该控制系统实现成本低，而电机的控制性能上与DSP和FPGA等高端控制方案上相差不大，可以在工业生产中广泛应用。文中所选择的主控芯片有丰富A／D转换和PWM通道，适合电机的控制。为减少能源消耗和降低电路的复杂性、电路成本，提高控制系统的可靠性，同时也为了便于系统维护和功能扩展，系统硬件电路采用模块化设计的原则，每个模块电路尽可能使用集成芯片。

1 直流无刷电机控制原理
    直流无刷电机的运行原理与有刷直流电机基本相同，只是电机的换相方式有区别，无刷电机采用电子换相，利用转子位置传感器检测转子位置，通过换相驱动电路控制与电枢绕组连接的各功率MOSFET管的导通和关断，实现电机换相的目的。电枢绕组Y连接三相全控桥驱动电路如图1所示。

    三相全控桥电路的换相周期为60°电角度，每个换相周期中只有两个功率MOSFET管导通，每次换相一个功率管，每个功率管导通120°电角度。图中Q1～Q6为功率场效应管，当需要AB相导通时，只需要打开Q1，Q6管，而使其他管截止。此时电路中的电流路径为：电源正极-Q1-线圈A-线圈B-Q6-电源负极。按照这种导通方式就会有6种相位模式：AC，BC，BA，CA，CB，AB，对应的MOSFET管打开顺序为Q1Q2，Q2Q3，Q3 Q4，Q4Q5，Q5Q6，Q6Q1，如果规定这个导通顺序为电机正向旋转一周，则反向旋转只要逆着控制上述MOSFET管导通顺序即可实现。

2 控制系统主要硬件电路设计
2．1 系统硬件结构
    直流无刷电机控制系统结构框图如图2所示。控制系统以MC9S12x128单片机为核心控制芯片，负责处理采集传回的电流和转子位置信号，电机控制算法的实现，生成直流无刷电机旋转所需的控制脉冲及与外界交互操作等功能。通过按键设定需要的转速之后，主控芯片根据给定的转速生成相应频率的PWM信号，控制驱动电路的功率管开关时间，使电机的转速达到预期值。无刷直流电机的换相时刻由转子的位置决定，因此系统中加入了位置检测电路用于检测转子的位置，位置传感器采用的是位置霍尔传感器。为了保证电机在动态过程中出现电枢电流过流或欠流时系统的性能不会受到过大的影响，加入了电流检测电路，通过这个电路将流过电机的电流进行采样，一旦出现异常情况，主控制器马上采取相应的措施保护这个控制系统，避免意外事故的发生。隔离电路是防止感性负载的存在而产生大量的干扰信号，将干扰产生的影响降到最低，使系统能够长期稳定的运行。监控电路的作用是使系统一直工作在有效电压之内，提高系统的可靠性。RS232接口和按键接口电路用于电机转速调节和控制，满足对转速的各种要求。

2．2 主控器
    主控制器选择的好坏直接影响整个直流无刷电机控制系统的性能，在充分考虑了实现成本和功能需要后，采用飞思卡尔的MC9S12X128作为主控制芯片。该芯片具有丰富的A／D转换通道和PWM通道，适合用于电机控制。在实际使用时只要配置好相应模块的寄存器，就可以使用模块功能，不需要复杂的程序编写，这样就可以将主要精力放在硬件电路性能的提高上。对于系统运行过程中出现的问题，可以方便地进行调试和维护。[page]

2．3 驱动电路
    在驱动电路设计中，考虑到电路的成本和可靠性，放弃了传统的3个P沟道和3个N沟道构成的逆变桥驱动电路，而采用专用的无刷电机驱动芯片IR2130实现电机的控制。IR2130驱动电路的外围元件少，具有电流放大和过电流保护功能，且抑制噪声的能力强。最主要是在保证电路应用的精度和可靠性的前提下，较大程度地降低了成本，该电路的性能价格比较高，有利于推广应用。直流无刷电机驱动电路如图3所示。

    图3中，IR2130的HIN1～HIN3、LIN1～LIN3作为功率管的输入驱动信号与主控芯片连接。FAULT与MC9S12X128外部中断引脚连接，由控制器中断程序来处理故障。考虑到电枢线圈由于自身电感的作用会产生极高的瞬时反电动势，会击穿元件，在功率管上加入D5～D8这6个二极管，其作用是通过续流而防止出现过高的反电动势造成MOSFET管损坏。C3～C5是自举电容，为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量，D1～D3的作用防止上桥臂导通时的直流电压母线电压到IR2130的电源上而使器件损坏，因此D1～D3应有足够的反向耐压，由于二极管与电容串联，为了满足主电路功率管开关频率的要求，D1～D3选择了快速恢复二极管8TQ080。
2．4 位置检测电路
    直流无刷电机与普通有刷直流电机的不同在于，普通直流电机连续旋转需要机械换相，机械换相会产生电磁干扰，而且噪声大，直流无刷电机正好克服了这些缺点，它采用的是电子换相。电子换相依据是转子磁极位置，因此转子位置检测是控制无刷电机的一个关键环节。位置检测电路的作用是向主控芯片提供准确的转子位置信息，主控芯片根据转子位置及时地作出换相操作，使电机连续的旋转。该部分电路主要由位置霍尔传感器和位置检测电路构成。直流无刷电机位置检测电路如图4所示。

    这个位置检测电路选用MAXIM的MAX9621芯片，通过在模拟输出端对传感器电流进行镜像或通过经过滤波的数字输出，使MC9S12X128能够监测霍尔传感器的状态，达到精确检测电机转子位置的目的。此电路与采用运算放大器构成的位置检测电路相比具有结构简单、精度高、成本低、功耗低等优点。

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2．5 电流检测电路
    电流检测可以给系统提供保护，通过电流检测电路采集的电流信息，主控制器可以及时地做出判断，一旦电流超过电机的极限值，就切断电路电源，避免发生较大的损害。直流无刷电机电流检测电路如图5所示。

    图中RSENSE是电流采样电阻，其两端的电压VSENSE为检测电压。R20～R24构成的分压电阻网络与芯片内部的两路比较器相连，如果16引脚出现过流或欠流的情况，在6引脚上就会有高电平信号输出给主控芯片，主控芯片会根据这个信号及时做出相应的操作，保护系统不受到损坏。

3 控制系统主要软件设计
3．1 位置检测和换相控制程序
    实现直流无刷电机稳定旋转的关键是及时的掌握换相时刻，并在该时刻作出正确的换相操作。转子位置信号有3个位置霍尔传感器输出，经位置检测电路采集后送至主控芯片。3个霍尔传感器的输出信号相差120°电角度。每个霍尔传感器在转子旋转一周时会产生6个脉冲信号，正好对应6个换相时刻。通过单片机的捕捉功能捕捉这些脉冲信号，就可以获得这6个换相时刻。在换相控制程序中，将捕捉到的位置信号与换相控制表进行比较计算，换相控制字与MOS管工作状态关系如表1所示，得到下一时刻状态控制字，然后将这个状态控制字输出给IR21 30来切换功率MOSFET管，从而实现正确换相。直流无刷电机换相控制程序流程如图6所示。

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3．2 PWM波形生成
    PWM调制是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其应用在电机转速控制方面。使用PWM调节电机转速，电机电枢电流的脉动量小，容易连续且调速范围宽。PWM信号的产生有多种方法，可以用555定时器组成的占空比可调的电路产生，也可以对单片机进行软件编程产生。考虑到成本和电路设计的需要，文中的PWM信号用软件的方法获得。MC9S12x128有8个PWM输出通道，每个通道都可以通过编程实现PWM信号的左对齐或居中对齐输出，波形翻转可控制，时钟可选择的频率范围宽，可以根据实际需要进行设置。在设计的控制系统中只使用PWM0～PWM2这3个通道，设置PWM输出的起始电平为高，对齐方式为左对齐，总线时钟设置为24 MHz。输出的PWM信号给上桥臂的功率MOSFET管，而下桥臂的功率管采用常开或常闭方式控制。PWM波形生成程序流程，如图7所示。

4 实验结果及分析
    为测试文中设计的无刷直流电机控制系统在实际运行时的效果，根据文中的设计方案，按照系统电路各部分电路选择合适的电子元件，搭建了硬件电路。电路中MOSFET选择的是IR公司的IRFR5305和IRFR1205。实验用的电机选择的是新西达2210(KV1000)外转子无刷电机。输出的PWM频率为32 kHz。无刷直流电机在占空比为50％时，A、B、C三相端电压波形如图8所示；无刷直流电机某相反相感生电动势波形如图9所示。

    通过电机长时间运行测试、观察，整个系统的响应速度很快，运行平稳，测试期间无故障发生。但是，从图9中可以看出，反相感生电动势波形的顶部有弯曲，说明电机出现过早换向的现象，此时无刷直流电机会发生轻微震动，这种情况是由于无刷电机的磁隙较大造成的。对从硬盘拆解下磁隙较小的无刷电机进行测试，发现硬盘无刷电机的反相感生电动势波形的顶部没有弯曲。这说明无刷电机磁隙对反相感生电动势有一定的影响。

5 结束语
    根据直流无刷电机的控制原理，设计了一种直流无刷电机控制系统，文中给出了主要电路的设计原理图。硬件电路采用模块化设计，方便系统维护，而且在实际应用中还可以根据实际需要扩展其他功能。该系统具有实现成本低、稳定性好等特点，能够满足对精度和成本的要求。后续研究工作将集中在基于电流环和转速环的直流无刷电机双闭环控制及直流无刷电机的转矩脉动上，以获得更好的动态控制性能和稳定性能。