基于MC9S12X128无刷直流电机控制系统设计

摘要 为满足对直流无刷电机控制要求精度高、调速性能好、系统实现成本低的需要，设计了一种无刷电机控制系统。该系统以MC9S12X128单片机为控制核心，采用IR2130芯片驱动MOSFET功率管，实现对直流无刷电机三相六拍PWM控制。系统硬件电路结构简单、调速方便、功耗低。实际运行测试表明，电机可以长期稳定运行。
关键词 单片机；直流无刷电机；驱动电路；位置检测；电流检测

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。
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。