采用9S12系列單片機(jī)的無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)解決方案

由于無刷直流電動(dòng)機(jī)既具備交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等系列優(yōu)點(diǎn)，又具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、效率高、啟動(dòng)扭矩大、慣量小和響應(yīng)快等其他種類直流電機(jī)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，故廣泛應(yīng)用于宇航、軍事、石油裝備及工業(yè)和民用領(lǐng)域。這里給出了基于飛思卡爾MC9S12D64單片機(jī)的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制原理

無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子位置傳感器、電子開關(guān)線路和驅(qū)動(dòng)電路等4部分組成。其工作原理圖如圖1所示。

直流電源通過驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電路向電動(dòng)機(jī)的定子繞組供電，提供勵(lì)磁電流，位置傳感器隨時(shí)檢測到轉(zhuǎn)子位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，從而實(shí)現(xiàn)電子換向。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體的轉(zhuǎn)動(dòng)，作用于位置傳感器H1、H2、H3的磁場方向N-S極發(fā)生變換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差為120°的方波信號(hào)，如圖2所示波形。

隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體的轉(zhuǎn)動(dòng)，作用于3個(gè)位置傳感器HALL1、HALL2、HALL3的磁場方向N-S極發(fā)生變換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差為120°的6狀態(tài)編碼信號(hào)：101、100、110、010、011、001，產(chǎn)生控制開關(guān)器件MOSFET或IGBT等功率管按一定順序兩兩導(dǎo)通的控制信號(hào)，這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)，6個(gè)功率開關(guān)管及按固定組合成的6種狀態(tài)依次導(dǎo)通，保證電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．1 主控制器模塊

本系統(tǒng)采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的一款16位的9S12系列的MC9S12D64單片機(jī)作為主控制器，該芯片具有豐富的I／O端口；片內(nèi)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(shè)定為中心對(duì)齊或邊沿對(duì)齊模式，正好用于電機(jī)的三對(duì)電極的變頻控制；片內(nèi)具有增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器、8路10位A／D轉(zhuǎn)換模塊可用于電流、電壓等的檢測，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的保護(hù)，也可接各種傳感器，大大簡化外圍電路和軟件設(shè)計(jì)。

該系統(tǒng)包括MC9S12D64單片機(jī)工作的外圍系統(tǒng)、電機(jī)位置傳感器信號(hào)檢測部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、通信電路和溫度電流檢測電路。其實(shí)現(xiàn)的硬件電路如圖3所示。

該控制系統(tǒng)主要功能為電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)的控制、起?？刂?，轉(zhuǎn)速的測量和閉環(huán)調(diào)速、電機(jī)溫度、電流檢測與保護(hù)等。其中單片機(jī)外圍系統(tǒng)包括模式選擇、復(fù)位電路、晶振電路和電源4部分；電機(jī)位置傳感器的3路輸入信號(hào)HALL1／HALL2／HALL3經(jīng)上拉和濾波后分別接入PT0／PT1／PT2引腳，利用該單片機(jī)的輸入捕捉功能就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過60°就產(chǎn)生一次中斷，很方便地得到轉(zhuǎn)子位置和電機(jī)的轉(zhuǎn)速；由PB口輸出控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)；AN0／AN1口輸入測得的電機(jī)溫度和電機(jī)電流信號(hào)，A／D轉(zhuǎn)換后換算成實(shí)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(jī)進(jìn)行通信，接收上位機(jī)的轉(zhuǎn)速、起停、轉(zhuǎn)向等命令，并把電機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度等電機(jī)信息發(fā)給上位機(jī)，硬件電路簡單可靠。