采用9S12系列单片机的无刷直流电动机系统的设计解决方案

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。