基于MC9S12X128无刷直流电机控制系统设计

图3中，IR2130的HIN1～HIN3、LIN1～LIN3作为功率管的输入驱动信号与主控芯片连接。FAULT与MC9S12X128外部中断引脚连接，由控制器中断程序来处理故障。考虑到电枢线圈由于自身电感的作用会产生极高的瞬时反电动势，会击穿元件，在功率管上加入D5～D8这6个二极管，其作用是通过续流而防止出现过高的反电动势造成MOSFET管损坏。C3～C5是自举电容，为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量，D1～D3的作用防止上桥臂导通时的直流电压母线电压到IR2130的电源上而使器件损坏，因此D1～D3应有足够的反向耐压，由于二极管与电容串联，为了满足主电路功率管开关频率的要求，D1～D3选择了快速恢复二极管8TQ080。
2．4 位置检测电路
直流无刷电机与普通有刷直流电机的不同在于，普通直流电机连续旋转需要机械换相，机械换相会产生电磁干扰，而且噪声大，直流无刷电机正好克服了这些缺点，它采用的是电子换相。电子换相依据是转子磁极位置，因此转子位置检测是控制无刷电机的一个关键环节。位置检测电路的作用是向主控芯片提供准确的转子位置信息，主控芯片根据转子位置及时地作出换相操作，使电机连续的旋转。该部分电路主要由位置霍尔传感器和位置检测电路构成。直流无刷电机位置检测电路如图4所示。

这个位置检测电路选用MAXIM的MAX9621芯片，通过在模拟输出端对传感器电流进行镜像或通过经过滤波的数字输出，使MC9S12X128能够监测霍尔传感器的状态，达到精确检测电机转子位置的目的。此电路与采用运算放大器构成的位置检测电路相比具有结构简单、精度高、成本低、功耗低等优点。
2．5 电流检测电路
电流检测可以给系统提供保护，通过电流检测电路采集的电流信息，主控制器可以及时地做出判断，一旦电流超过电机的极限值，就切断电路电源，避免发生较大的损害。直流无刷电机电流检测电路如图5所示。

图中RSENSE是电流采样电阻，其两端的电压VSENSE为检测电压。R20～R24构成的分压电阻网络与芯片内部的两路比较器相连，如果16引脚出现过流或欠流的情况，在6引脚上就会有高电平信号输出给主控芯片，主控芯片会根据这个信号及时做出相应的操作，保护系统不受到损坏。

3 控制系统主要软件设计
3．1 位置检测和换相控制程序
实现直流无刷电机稳定旋转的关键是及时的掌握换相时刻，并在该时刻作出正确的换相操作。转子位置信号有3个位置霍尔传感器输出，经位置检测电路采集后送至主控芯片。3个霍尔传感器的输出信号相差120°电角度。每个霍尔传感器在转子旋转一周时会产生6个脉冲信号，正好对应6个换相时刻。通过单片机的捕捉功能捕捉这些脉冲信号，就可以获得这6个换相时刻。在换相控制程序中，将捕捉到的位置信号与换相控制表进行比较计算，换相控制字与MOS管工作状态关系如表1所示，得到下一时刻状态控制字，然后将这个状态控制字输出给IR21 30来切换功率MOSFET管，从而实现正确换相。直流无刷电机换相控制程序流程如图6所示。

3．2 PWM波形生成
PWM调制是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其应用在电机转速控制方面。使用PWM调节电机转速，电机电枢电流的脉动量小，容易连续且调速范围宽。PWM信号的产生有多种方法，可以用555定时器组成的占空比可调的电路产生，也可以对单片机进行软件编程产生。考虑到成本和电路设计的需要，文中的PWM信号用软件的方法获得。MC9S12x128有8个PWM输出通道，每个通道都可以通过编程实现PWM信号的左对齐或居中对齐输出，波形翻转可控制，时钟可选择的频率范围宽，可以根据实际需要进行设置。在设计的控制系统中只使用PWM0～PWM2这3个通道，设置PWM输出的起始电平为高，对齐方式为左对齐，总线时钟设置为24 MHz。输出的PWM信号给上桥臂的功率MOSFET管，而下桥臂的功率管采用常开或常闭方式控制。PWM波形生成程序流程，如图7所示。

4 实验结果及分析
为测试文中设计的无刷直流电机控制系统在实际运行时的效果，根据文中的设计方案，按照系统电路各部分电路选择合适的电子元件，搭建了硬件电路。电路中MOSFET选择的是IR公司的IRFR5305和IRFR1205。实验用的电机选择的是新西达2210(KV1000)外转子无刷电机。输出的PWM频率为32 kHz。无刷直流电机在占空比为50％时，A、B、C三相端电压波形如图8所示；无刷直流电机某相反相感生电动势波形如图9所示。

通过电机长时间运行测试、观察，整个系统的响应速度很快，运行平稳，测试期间无故障发生。但是，从图9中可以看出，反相感生电动势波形的顶部有弯曲，说明电机出现过早换向的现象，此时无刷直流电机会发