電動車無刷直流電機控制器的設(shè)計

孫冰　薛戩

摘要：基于MSP430F169單片機、霍爾傳感器、LCM12864、IR2130專用MOSFET芯片構(gòu)成電動車構(gòu)成的無刷直流電機控制系統(tǒng)。采用MSP430 C言程序?qū)懭隡SP430F169芯片，利用單片機內(nèi)置定時器產(chǎn)生PWM信號實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)，通過霍爾傳感器采集轉(zhuǎn)子位置信號經(jīng)單片機處理后輸出PWM橋控制信號經(jīng)IR2130芯片MOSFET換相電路，進(jìn)而實現(xiàn)無刷直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：無刷直流電機 MSP430F169 霍爾傳感器 IR2130

中圖分類號：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0015-02

電動車以零污染、高性能、低噪音等優(yōu)點得到了各國政府的大力支持，從而電動車行業(yè)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。無刷直流電機既有交流電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠和維護(hù)方便的優(yōu)點，又具備直流電機優(yōu)越的起動性能和調(diào)速特性，非常適用于電動車動力系統(tǒng)。

性能優(yōu)良的電機控制系統(tǒng)對電動車安全高效運行至關(guān)重要。無刷直流電機控制系統(tǒng)有三種結(jié)構(gòu)形式：模擬式、數(shù)字式和電機專用控制芯片。其中模擬式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且控制繁瑣，現(xiàn)已逐步淘汰。電機專用控制芯片雖然性能優(yōu)異，但往往價格昂貴。單片機為核心的數(shù)字式控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定、價格又比較為低廉的控制器非常適用于控制要求精度不高的場合。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)以MSP430F169單片機為控制核心，用IR2103作為逆變電路MOSFET驅(qū)動芯片，以LCM12864為顯示器，以調(diào)壓調(diào)速的方法實現(xiàn)了無刷直流電機控制的系統(tǒng)功能。MSP430F169單片機、按鍵、顯示器和復(fù)位電路等構(gòu)成了單片機控制系統(tǒng)，通過按鍵輸入調(diào)整PWM占空比，調(diào)整輸出電壓，單片機系統(tǒng)監(jiān)控程序使用430 C語言編制。

2 電路設(shè)計

2.1 無刷直流電機驅(qū)動電路

P4.1—P4.6為MSP430F169發(fā)出的六路PWM脈沖信號，經(jīng)IR2130內(nèi)部三個輸入信號處理器邏輯處理后，其中對應(yīng)的驅(qū)動三路低壓側(cè)功率MOSFET器件的脈沖信號，經(jīng)三路輸出驅(qū)動器功率放大后，直接送往低壓側(cè)被驅(qū)動功率MOSFET器件的柵極。而高壓側(cè)驅(qū)動信號H1、H2、H3先經(jīng)過三個脈沖處理和電平移位器（PGLS）處理，再經(jīng)對應(yīng)的三路輸出鎖存器鎖存，并經(jīng)過驅(qū)動脈沖電壓檢驗之后，送入輸出驅(qū)動器進(jìn)行功率放大，再送入被驅(qū)動的功率MOSFET器件的柵極。一旦外電路發(fā)生過電流或直通短路故障，經(jīng)IR2130內(nèi)部的比較器處理后，使故障邏輯處理單元輸出為低電平，一方面使IR2130的輸出全為低電平，保證六個被驅(qū)動的功率MOSFET器件柵、源極迅速反偏而全部截止，保護(hù)功率管，另一方面，經(jīng)IR2130的引腳8輸出信號，發(fā)出聲光報警。若發(fā)生IR2130發(fā)生電源欠電壓故障，則欠電壓檢測器（UVD）迅速翻轉(zhuǎn)，同以上的分析一樣，可得到被驅(qū)動功率MOSFET器件全部截止而得到可靠保護(hù)，并從引腳8得到故障報警信號。

另外，IR2130芯片內(nèi)部的六個驅(qū)動器輸出阻抗較低，常在其驅(qū)動信號輸出引腳與MOSFET門極之間加一個30Ω的電阻，以防止直接驅(qū)動功率MOSFET使其快速開通與關(guān)斷而引發(fā)的MOSFET擊穿損壞。電路如圖2所示。

2.2 無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置檢測電路

本設(shè)計采用三個空間位置相差120°的霍爾位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子位置變量，在每個通電周期內(nèi)隨著轉(zhuǎn)子位置的改變，霍爾位置傳感器都會產(chǎn)生180°脈寬的感應(yīng)脈沖，三個霍爾傳感器的輸出信號相位互差120°。這樣它們在每個轉(zhuǎn)子電周期中共產(chǎn)生三個上升沿和三個下降沿，正好對應(yīng)著MOSFET驅(qū)動電路的6個換向時刻。電路圖如圖3所示。

2.3 LCM12864顯示電路

LCM12864模塊是一個可進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐庠O(shè)，可由軟件對單片機編程實現(xiàn)片選信號的控制進(jìn)而實現(xiàn)對LCM12864顯示內(nèi)容的選擇。當(dāng)輸出、輸入數(shù)據(jù)（含模塊命令）時，按時序控制其使能端和數(shù)據(jù)線。LCM12864模塊接收到數(shù)據(jù)（含模塊命令）后，根據(jù)使能端狀態(tài)和數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行譯碼，完成相應(yīng)操作。

3 軟件程序設(shè)計

3.1 位置檢測模塊程序設(shè)計

MSP430F169單片機的P6.3、P6.4、P6.5三個端口采集三個霍爾傳感器輸出的3路電平狀態(tài)信號，位置檢測模塊首先讀P6.3、P6.4、P6.5端口的電平，通過按鍵輸入信號至P2.2、P2.3引腳選擇判斷好轉(zhuǎn)向后，更改相應(yīng)的標(biāo)志位，最后更新傳感器標(biāo)志位。其換向驅(qū)動程序流程圖如圖4所示。

3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊

本設(shè)計采用PWM調(diào)壓調(diào)速，通過按鍵輸入信號至P2.0、P2.1來調(diào)節(jié)PWM占空比，形成不同的PWM波形再通過P4.1至P4.6的輸出，來進(jìn)行PWM變壓調(diào)速。其結(jié)構(gòu)流程圖如圖5所示。

4 結(jié)語

本設(shè)計的主要內(nèi)容為MSP430F169單片機、LCM12864和IR2130專用MOSFET驅(qū)動芯片組成無刷直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。利用單片機內(nèi)置定時器產(chǎn)生PWM信號實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)，通過霍爾傳感器采集轉(zhuǎn)子位置信號經(jīng)單片機處理后控制MOSFET換相，并利用LCM12864顯示模塊實現(xiàn)了無刷直流電機轉(zhuǎn)速顯示，進(jìn)而完成了無刷直流電機控制器的設(shè)計。

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