基于MC9S12D64單片機的直流無刷電機控制系統設計

李健飛，郝桂青

（中海油田服務股份有限公司油田技術事業部，北京101149）

由于無刷直流電動機既具備交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等系列優點，又具有結構簡單、體積小、重量輕、效率高、啟動扭矩大、慣量小和響應快等其他種類直流電機無法比擬的優點，故廣泛應用于宇航、軍事、石油裝備及工業和民用領域。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設計方案。

1 無刷直流電動機控制原理

無刷直流電動機系統由電動機、轉子位置傳感器、電子開關線路和驅動電路等4部分組成[1]，其工作原理圖如圖1所示。

圖1 直流無刷電動機原理框圖Fig.1 Functional block diagram of BLDC

圖2 位置傳感器輸出信號Fig.2 Output signal of the three hall sensors

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

直流電源通過驅動和開關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子位置，并根據轉子的位置信號控制開關管的導通和截止，從而實現電子換向[2]。隨著電動機轉子永磁體的轉動，作用于位置傳感器H1、H2、H3的磁場方向N-S極發生變換，使位置傳感器產生相位差為120°的方波信號，如圖2所示波形。

2 系統硬件設計

2.1 主控制器模塊

本系統采用飛思卡爾公司生產的一款16位的9S12系列的MC9S12D64[3]單片機作為主控制器，該芯片具有豐富的I/O端口；片內有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；片內具有增強型捕捉定時器、8路10位A/D轉換模塊可用于電流、電壓等的檢測，實現對控制系統的保護，也可接各種傳感器，大大簡化外圍電路和軟件設計。

該系統包括MC9S12D64單片機工作的外圍系統、電機位置傳感器信號檢測部分、電機驅動電路、通信電路和溫度電流檢測電路。其實現的硬件電路[4-5]如圖3所示。

圖3 無刷直流電機控制系統電路原理圖Fig.3 The BLDC'S control system functional block diagram

該控制系統主要功能為電動機的正反轉的控制、起停控制，轉速的測量和閉環調速、電機溫度、電流檢測與保護等。其中單片機外圍系統包括模式選擇、復位電路、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電機每轉過60°就產生一次中斷，很方便地得到轉子位置和電機的轉速；由PB口輸出控制電機轉動的驅動控制信號；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，接收上位機的轉速、起停、轉向等命令，并把電機轉速、溫度等電機信息發給上位機，硬件電路簡單可靠。

2.2 電機驅動電路

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

圖4 無刷直流電機驅動電路Fig.4 The BLDC'S drive circuit

圖4中的電路只是電機一相的驅動。而無刷直流電動機的三相繞組的驅動控制共需3組這樣的驅動控制，每組控制2個MOSFET，3組共有6種M0SFET導通狀態，轉子每轉過60°就變換一種狀態，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引腳的導通與截止,導通順序依次為VT1、T4導通；VT1、VT6導通；VT3、VT6導通；VT3、VT2導通；VT5、VT2導通；VT5、VT4導通信號，每次只有一相繞組的上橋臂和另一相繞組的下橋臂進行導通，這樣轉子每轉過一轉，VT1～VT6及按固定組合成的6種狀態依次導通，保證電機的正常運轉。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 電動機的電流保護和過熱保護控制

為了保護電機，必須要對電機的電流和溫度進行檢測，本控制系統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儀表放大器放大處理后,接入MC9S12D64的PAD00進行A/D轉換測量；電機的電流是通過檢測電路中串接的取樣電阻得到電壓信號，再經過差分放大等處理后接入MC9S12D64的A/D轉換輸入端PAD01進行測量的。當檢測的電流或溫度超過預先設定好的最大值時，可以通過軟件控制IR2110的SD端，封鎖輸出，讓電機停轉，從而保護電機不致燒毀。

3 系統軟件設計

本控制系統的控制軟件主要包括主程序、位置檢測子程序、PWM脈寬調制子程序、調速子程序、電流溫度測量與控制子程序、計數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轉換后進行刻度,換算出實際數值的。其中主程序、調速子程序的流程圖分別如圖5（a）、圖5（b）所示。

圖5 程序流程圖Fig.5 Flow chart of program

在本系統中，調速可采用手動調速和上位機命令調速2種。由于無刷直流電動機的轉速和電動機的電壓呈線性關系，在手動調速時把電機的轉速與控制轉速的模擬輸入電壓對應起來，經A/D轉換所得到的值進行轉速的設定。若通過串口進行轉速設定，則把二進制代碼與PWM脈寬對應。只需1 s讀取測速子程序中已經測得電動機的轉速值，然后將此值與預設的轉速值比較，若大于預設的轉速值，則取較小的代碼值送出；若小于預設的轉速值，則取較大的代碼值送出，這樣，在這樣一個反饋循環中就可以調整電機的轉速直到轉速值等于預設定的值，從而實現對電動機的速度的調節。

在整個軟件設計中，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計方法，大大降低了系統的靜態和動態功耗。

4 結束語

本系統主要完成了電動機的驅動控制、換相控制、正反轉控制、起停控制、電流、溫度控制以及電動機轉速的測量和電動機的調速等功能。本設計采用MC9S12D64單片機，外圍電路簡單，優點在于功耗低，整個控制系統功耗經測量僅為11 mW，經過高溫烘烤檢測，該控制系統可以穩定工作在150℃的高溫環境下。經過大量的實踐驗證,本控制驅動系統啟動平穩，啟動電流小，驅動的電機運行平穩，具有硬件簡單、穩定性好、工作可靠的特點。

[1]張琛.直流無刷電動機原理及應用[M].北京：北京機械出版社，1996.

[2]王鑒光.電動機控制系統[M].北京：北京機械工業出版社，1994.

[3]Freescale Inc Products.MC9S12 databsheet[EB/OL].（2004-09-02）[2010-07-02].http://www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=S12D&databSheets&.

[4]王小明.電動機的單片機控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[5]邵貝貝.單片機嵌入式應用的在線開發方法[M].北京：清華大學出版社，2004.

[6]International Rectifier Inc Products.IR2110/IR2113 data sheet[EB/OL].（2000-10-21）[2010-07-2].http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir2110.pdf.