基于MC9S12X128無(wú)刷直流電機控制系統設計

摘要 為滿(mǎn)足對直流無(wú)刷電機控制要求精度高、調速性能好、系統實(shí)現成本低的需要，設計了一種無(wú)刷電機控制系統。該系統以MC9S12X128單片機為控制核心，采用IR2130芯片驅動(dòng)MOSFET功率管，實(shí)現對直流無(wú)刷電機三相六拍PWM控制。系統硬件電路結構簡(jiǎn)單、調速方便、功耗低。實(shí)際運行測試表明，電機可以長(cháng)期穩定運行。
關(guān)鍵詞 單片機；直流無(wú)刷電機；驅動(dòng)電路；位置檢測；電流檢測

直流無(wú)刷電機是一種高性能電機，它具有效率高、可靠性好、結構簡(jiǎn)單、便于維護和體積小等優(yōu)點(diǎn)。與直流電機相比，無(wú)刷電機沒(méi)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(huì )產(chǎn)生電火花，不存在機械換向損耗。與異步電機相比，無(wú)刷電機的轉子與定子磁場(chǎng)同步旋轉，因此不存在轉子損耗。與同步電機相比，無(wú)刷電機控制方法簡(jiǎn)單，便于工程應用的特性，使其被廣泛應用于眾多領(lǐng)域。
直流無(wú)刷電機的控制方案有多種，如文獻采用DSP作為主控制器的控制系統，文獻采用FPAG控制無(wú)刷電機，文獻選用MEGA8單片機控制方案。這些控制方法都能夠實(shí)現電機的正反轉、啟停等控制，但在系統實(shí)現成本、控制精度、運行穩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，系統的控制精度高、穩定性好，可以應用于工業(yè)生產(chǎn)中，不足之處在于成本過(guò)高，無(wú)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，系統的性能相差很大，無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)的要求。
針對上述問(wèn)題，提出設計以MC9S12X128單片機為核心的直流無(wú)刷電機控制系統。該控制系統實(shí)現成本低，而電機的控制性能上與DSP和FPGA等高端控制方案上相差不大，可以在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用。文中所選擇的主控芯片有豐富A／D轉換和PWM通道，適合電機的控制。為減少能源消耗和降低電路的復雜性、電路成本，提高控制系統的可靠性，同時(shí)也為了便于系統維護和功能擴展，系統硬件電路采用模塊化設計的原則，每個(gè)模塊電路盡可能使用集成芯片。

1 直流無(wú)刷電機控制原理
直流無(wú)刷電機的運行原理與有刷直流電機基本相同，只是電機的換相方式有區別，無(wú)刷電機采用電子換相，利用轉子位置傳感器檢測轉子位置，通過(guò)換相驅動(dòng)電路控制與電樞繞組連接的各功率MOSFET管的導通和關(guān)斷，實(shí)現電機換相的目的。電樞繞組Y連接三相全控橋驅動(dòng)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管導通，每次換相一個(gè)功率管，每個(gè)功率管導通120°電角度。圖中Q1～Q6為功率場(chǎng)效應管，當需要AB相導通時(shí)，只需要打開(kāi)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(xiàn)圈A-線(xiàn)圈B-Q6-電源負極。按照這種導通方式就會(huì )有6種相位模式：AC，BC，BA，CA，CB，AB，對應的MOSFET管打開(kāi)順序為Q1Q2，Q2Q3，Q3 Q4，Q4Q5，Q5Q6，Q6Q1，如果規定這個(gè)導通順序為電機正向旋轉一周，則反向旋轉只要逆著(zhù)控制上述MOSFET管導通順序即可實(shí)現。

2 控制系統主要硬件電路設計
2．1 系統硬件結構
直流無(wú)刷電機控制系統結構框圖如圖2所示?？刂葡到y以MC9S12x128單片機為核心控制芯片，負責處理采集傳回的電流和轉子位置信號，電機控制算法的實(shí)現，生成直流無(wú)刷電機旋轉所需的控制脈沖及與外界交互操作等功能。通過(guò)按鍵設定需要的轉速之后，主控芯片根據給定的轉速生成相應頻率的PWM信號，控制驅動(dòng)電路的功率管開(kāi)關(guān)時(shí)間，使電機的轉速達到預期值。無(wú)刷直流電機的換相時(shí)刻由轉子的位置決定，因此系統中加入了位置檢測電路用于檢測轉子的位置，位置傳感器采用的是位置霍爾傳感器。為了保證電機在動(dòng)態(tài)過(guò)程中出現電樞電流過(guò)流或欠流時(shí)系統的性能不會(huì )受到過(guò)大的影響，加入了電流檢測電路，通過(guò)這個(gè)電路將流過(guò)電機的電流進(jìn)行采樣，一旦出現異常情況，主控制器馬上采取相應的措施保護這個(gè)控制系統，避免意外事故的發(fā)生。隔離電路是防止感性負載的存在而產(chǎn)生大量的干擾信號，將干擾產(chǎn)生的影響降到最低，使系統能夠長(cháng)期穩定的運行。監控電路的作用是使系統一直工作在有效電壓之內，提高系統的可靠性。RS232接口和按鍵接口電路用于電機轉速調節和控制，滿(mǎn)足對轉速的各種要求。

2．2 主控器
主控制器選擇的好壞直接影響整個(gè)直流無(wú)刷電機控制系統的性能，在充分考慮了實(shí)現成本和功能需要后，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轉換通道和PWM通道，適合用于電機控制。在實(shí)際使用時(shí)只要配置好相應模塊的寄存器，就可以使用模塊功能，不需要復雜的程序編寫(xiě)，這樣就可以將主要精力放在硬件電路性能的提高上。對于系統運行過(guò)程中出現的問(wèn)題，可以方便地進(jìn)行調試和維護。