基于MC9S12D64单片机的直流无刷电机控制系统设计

由于无刷直流电动机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等系列优点，又具有结构简单、体积小、重量轻、效率高、启动扭矩大、惯量小和响应快等其他种类直流电机无法比拟的优点，故广泛应用于宇航、军事、石油装备及工业和民用领域。这里给出了基于飞思卡尔MC9S12D64单片机的无刷直流电动机控制系统设计方案。

1 无刷直流电动机控制原理
无刷直流电动机系统由电动机、转子位置传感器、电子开关线路和驱动电路等4部分组成。其工作原理图如图1所示。

直流电源通过驱动和开关电路向电动机的定子绕组供电，提供励磁电流，位置传感器随时检测到转子位置，并根据转子的位置信号控制开关管的导通和截止，从而实现电子换向。随着电动机转子永磁体的转动，作用于位置传感器H1、H2、H3的磁场方向N-S极发生变换，使位置传感器产生相位差为120°的方波信号，如图2所示波形。

随着电动机转子永磁体的转动，作用于3个位置传感器HALL1、HALL2、HALL3的磁场方向N-S极发生变换，使位置传感器产生相位差为120°的6状态编码信号：101、100、110、010、011、001，产生控制开关器件MOSFET或IGBT等功率管按一定顺序两两导通的控制信号，这样转子每转过一转，6个功率开关管及按固定组合成的6种状态依次导通，保证电机的正常运转。

2 系统硬件设计
2．1 主控制器模块
本系统采用飞思卡尔公司生产的一款16位的9S12系列的MC9S12D64单片机作为主控制器，该芯片具有丰富的I／O端口；片内有8 KB RAM、64 KB Flash、2 KB EEPROM；SCI，SPI，PWM和串行接口模块；带有6路12位PWM模块，可设定为中心对齐或边沿对齐模式，正好用于电机的三对电极的变频控制；片内具有增强型捕捉定时器、8路10位A／D转换模块可用于电流、电压等的检测，实现对控制系统的保护，也可接各种传感器，大大简化外围电路和软件设计。
该系统包括MC9S12D64单片机工作的外围系统、电机位置传感器信号检测部分、电机驱动电路、通信电路和温度电流检测电路。其实现的硬件电路如图3所示。

该控制系统主要功能为电动机的正反转的控制、起停控制，转速的测量和闭环调速、电机温度、电流检测与保护等。其中单片机外围系统包括模式选择、复位电路、晶振电路和电源4部分；电机位置传感器的3路输入信号HALL1／HALL2／HALL3经上拉和滤波后分别接入PT0／PT1／PT2引脚，利用该单片机的输入捕捉功能就可以实现电机每转过60°就产生一次中断，很方便地得到转子位置和电机的转速；由PB口输出控制电机转动的驱动控制信号；AN0／AN1口输入测得的电机温度和电机电流信号，A／D转换后换算成实际的温度和电流值。此外利用串口0连接RS485总线接口器件SN75176与上位机进行通信，接收上位机的转速、起停、转向等命令，并把电机转速、温度等电机信息发给上位机，硬件电路简单可靠。
2．2 电机驱动电路
本系统采用三相六拍控制方式，驱动回路采用一种单极半调制的PWM控制方式，驱动器件采用IR2110，它是双通道高压、高速电压型功率开关器件栅极驱动器，具有自举浮动电源，驱动电路简单，只需一路电源即可同时驱动上、下桥臂2个开关器件，大大简化了驱动电源设计，功率器件采用T1～T6的6路MOSFET实现电机的驱动。驱动电路如图4所示。

图4中的电路只是电机一相的驱动。而无刷直流电动机的三相绕组的驱动控制共需3组这样的驱动控制，每组控制2个MOSFET，3组共有6种MOSFET导通状态，转子每转过60°就变换一种状态，控制信号从主控制器PB口输出，输入到IR2110的上桥臂控制端10引脚和下桥臂控制端12引脚，控制本路信号高端7引脚和低端1引脚的导通与截止，导通顺序依次为VT1、T4导通；VT1、VT6导通；VT3、VT6导通；VT3、VT2导通；VT5、VT2导通；VT5、VT4导通信号，每次只有一相绕组的上桥臂和另一相绕组的下桥臂进行导通，这样转子每转过一转，VT1～VT6及按固定组合成的6种状态依次导通，保证电机的正常运转。在此部分电路布线时一定要注意Cx1的位置是在紧靠VCC电源的部分，确保滤去电源上的毛刺干扰，保证SD端不受干扰。
2．3 电动机的电流保护和过热保护控制
为了保护电机，必须要对电机的电流和温度进行检测，本控制系统采用通过电源对地端接一个取样电阻作为电流传感器，温度传感器采用Pt100，该温度传感器输出信号经仪表放大器放大处理后，接入MC9S12D64的PAD00进行A／D转换测量；电机的电流是通过检测电路中串接的取样电阻得到电压信号，再经过差分放大等处理后接入MC9S12D64的A／D转换输入端PAD01进行测量的。当检测的电流或温度超过预先设定好的最大值时，可以通过软件控制IR2110的SD端，封锁输出，让电机停转，从而保护电机不致烧毁。

3 系统软件设计
本控制系统的控制软件主要包括主程序、位置检测子程序、PWM脉宽调制子程序、调速子程序、电流温度测量与控制子程序、计数和定时中断程序和串口中断子程序等部分。其中位置检测子程序包括3个输入捕捉中断程序，利用MC9S12D64的PT口具有优良的输入捕捉功能，可以自动捕获到位置传感器输出信号的2个上升沿来完成电机速度的测量和换相控制的；电流温度测量是利用MC9S12D64的A／D转换后进行刻度，换算出实际数值的。其中主程序、调速子程序的流程图分别如图5(a)、图5(b)所示。