基于LIN总线的车用无刷直流电机控制器设计

4 控制器的软件设计

由于单片机的内嵌硬件模块和PC33896功能较强,使单片机有足够的资源完成较为复杂的控制策略,从而使控制器的性能大大提高。

4.1 主程序结构

系统的程序采用前后台结构。前台是中断级,后台是任务级。任务级由一个死循环和一个LIN通信服务程序构成。死循环内包含一个有限状态机和一个10ms服务程序,有限状态机如图3所示。系统上电,完成初始化任务后进入死循环。一旦发生SCI接收中断,中断服务程序判断接收到的是否为同步间隔场。若为同步间隔场,程序在退出中断服务时并不返回到死循环中,而是进入LIN通信服务程序,进行报文帧的接收和处理。完成通信服务后,程序重新返回死循环。依据接收的报文帧,有限状态机切换到相应的状态。为保护电机,图中正转态和反转态之间的转换强制经历了中间的停止态过渡。当发生过流或者低电压等出错事件时,控制器进入出错态,它关断所有PWM输出,并记录错误代码。控制器接收到总线的睡眠帧后,进入睡眠态,总线的唤醒信号将重新激活控制器。在正转态或反转态时,死循环内的10ms服务程序每间隔10ms执行一次,完成电机转速计算、PI控制算法、电池电压读取等任务。

4.2 LIN通信报文帧的定制

LIN总线是一种主从机通信模式,报文帧的定制在LIN网络软件总体设计时进行。文中的无刷直流电机控制器是总线上的一个从节点,它响应的报文帧如表1所示。标志符"0x3C"是下载命令帧,用于主节点向所有从节点广播命令和数据,其中第一个数据字节为"00"的是睡眠帧。标志符"0x3D"是上传命令帧,它触发一个从节点(由一个优先的下载帧编址)向主机上传数据。标志符"0x20"是无刷电机控制帧,用于控制器接收主节点的控制信息,第一个数据字节为"01"要求电机正转,为"02"是反转,为"04"是停止,第三、第四两个数据字节是电机转速的给定值。标志符"0x21"是电机状态帧,用于控制器向主节点传输信息,第一、第二两个数据字节是电机的实际转速，第三、第四两个字节表示电池电压。

4.3 软件中的中断服务程序

4.3.1 定时器A0、A1、A2输入捕捉中断( inputcap2ture ISR1)

当定时器A0、A1、A2监测到位置信号有跳变沿时,引起输入捕捉中断inputcap ture ISR1。中断程序中通过读取3个引脚的当前电平,并结合前一次中断中读入的值,查询换向表完成换向。

4.3.2 定时器A3输入捕捉中断( inputcap ture ISR2)

定时器A3监测到A2 通道的位置信号有上升沿跳变时,引起输入捕捉中断inputcap ture ISR2。中断程序读取定时器A3通道捕捉寄存器的当前值,结合前一次中断中读入的值和定时器A的溢出次数,算出一个位置脉冲周期内对定时器A的高频时钟脉冲的计数,结果用于速度的计算。

4.3.3 定时器B溢出中断(TIMERB ISR)

定时器B每隔10ms溢出中断一次,中断程序中置位标志位timerflag,从而使得主程序死循环内的10ms服务程序能被执行。
定时器A3、定时器B的中断允许在LIN通信服务程序中被关闭,而换向中断被保留,从而保证了通信的可靠性和电机的运行稳定。

5 试验结果

采用所设计的控制器,以一台无刷直流电机(其规格等同于额定电压为48V、额定功率为150W 的客车空调鼓风机驱动用无刷电机)为试验对象,试验图如图4所示。

图4中控制器采用42V /12V双电压供电。LIN图4 试验图总线的主节点由PC机来模拟,它通过RS232 串口经由一块RS232转LIN的接口卡PC card与LIN总线相连,其LIN 通信的软件利用Labview界面环境开发。

实际运行结果表明:电机能快速起动、制动、准确及时跟踪主节点的给定速度,控制器运行稳定、可靠,能满足实时控制的要求。

6 结论

作者所设计基于LIN总线的无刷直流电机控制器,硬件电路结构简单,兼容未来汽车的42V供电电系,具有高的性价比。此外,由于LIN总线是一种开放的协议,该控制器不仅适用于汽车电子领域,还可用于工业控制、家电等其他领域。