电动车无刷直流电机控制器的设计

孙冰　薛戬

摘要：基于MSP430F169单片机、霍尔传感器、LCM12864、IR2130专用MOSFET芯片构成电动车构成的无刷直流电机控制系统。采用MSP430 C言程序写入MSP430F169芯片，利用单片机内置定时器产生PWM信号实现电压调节，通过霍尔传感器采集转子位置信号经单片机处理后输出PWM桥控制信号经IR2130芯片MOSFET换相电路，进而实现无刷直流电机控制系统的设计。

关键词：无刷直流电机 MSP430F169 霍尔传感器 IR2130

中图分类号：TM33 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）09-0015-02

电动车以零污染、高性能、低噪音等优点得到了各国政府的大力支持，从而电动车行业有了突飞猛进的发展。无刷直流电机既有交流电机结构简单、运行可靠和维护方便的优点，又具备直流电机优越的起动性能和调速特性，非常适用于电动车动力系统。

性能优良的电机控制系统对电动车安全高效运行至关重要。无刷直流电机控制系统有三种结构形式：模拟式、数字式和电机专用控制芯片。其中模拟式控制系统结构复杂且控制繁琐，现已逐步淘汰。电机专用控制芯片虽然性能优异，但往往价格昂贵。单片机为核心的数字式控制系统工作稳定、价格又比较为低廉的控制器非常适用于控制要求精度不高的场合。

1 系统总体设计

本系统以MSP430F169单片机为控制核心，用IR2103作为逆变电路MOSFET驱动芯片，以LCM12864为显示器，以调压调速的方法实现了无刷直流电机控制的系统功能。MSP430F169单片机、按键、显示器和复位电路等构成了单片机控制系统，通过按键输入调整PWM占空比，调整输出电压，单片机系统监控程序使用430 C语言编制。

2 电路设计

2.1 无刷直流电机驱动电路

P4.1—P4.6为MSP430F169发出的六路PWM脉冲信号，经IR2130内部三个输入信号处理器逻辑处理后，其中对应的驱动三路低压侧功率MOSFET器件的脉冲信号，经三路输出驱动器功率放大后，直接送往低压侧被驱动功率MOSFET器件的栅极。而高压侧驱动信号H1、H2、H3先经过三个脉冲处理和电平移位器（PGLS）处理，再经对应的三路输出锁存器锁存，并经过驱动脉冲电压检验之后，送入输出驱动器进行功率放大，再送入被驱动的功率MOSFET器件的栅极。一旦外电路发生过电流或直通短路故障，经IR2130内部的比较器处理后，使故障逻辑处理单元输出为低电平，一方面使IR2130的输出全为低电平，保证六个被驱动的功率MOSFET器件栅、源极迅速反偏而全部截止，保护功率管，另一方面，经IR2130的引脚8输出信号，发出声光报警。若发生IR2130发生电源欠电压故障，则欠电压检测器（UVD）迅速翻转，同以上的分析一样，可得到被驱动功率MOSFET器件全部截止而得到可靠保护，并从引脚8得到故障报警信号。

另外，IR2130芯片内部的六个驱动器输出阻抗较低，常在其驱动信号输出引脚与MOSFET门极之间加一个30Ω的电阻，以防止直接驱动功率MOSFET使其快速开通与关断而引发的MOSFET击穿损坏。电路如图2所示。

2.2 无刷直流电机转子位置检测电路

本设计采用三个空间位置相差120°的霍尔位置传感器来检测转子位置变量，在每个通电周期内随着转子位置的改变，霍尔位置传感器都会产生180°脉宽的感应脉冲，三个霍尔传感器的输出信号相位互差120°。这样它们在每个转子电周期中共产生三个上升沿和三个下降沿，正好对应着MOSFET驱动电路的6个换向时刻。电路图如图3所示。

2.3 LCM12864显示电路

LCM12864模块是一个可进行双向数据传输的外设，可由软件对单片机编程实现片选信号的控制进而实现对LCM12864显示内容的选择。当输出、输入数据（含模块命令）时，按时序控制其使能端和数据线。LCM12864模块接收到数据（含模块命令）后，根据使能端状态和数据内容进行译码，完成相应操作。

3 软件程序设计

3.1 位置检测模块程序设计

MSP430F169单片机的P6.3、P6.4、P6.5三个端口采集三个霍尔传感器输出的3路电平状态信号，位置检测模块首先读P6.3、P6.4、P6.5端口的电平，通过按键输入信号至P2.2、P2.3引脚选择判断好转向后，更改相应的标志位，最后更新传感器标志位。其换向驱动程序流程图如图4所示。

3.2 转速调节模块

本设计采用PWM调压调速，通过按键输入信号至P2.0、P2.1来调节PWM占空比，形成不同的PWM波形再通过P4.1至P4.6的输出，来进行PWM变压调速。其结构流程图如图5所示。

4 结语

本设计的主要内容为MSP430F169单片机、LCM12864和IR2130专用MOSFET驱动芯片组成无刷直流电机转速控制系统。利用单片机内置定时器产生PWM信号实现电压调节，通过霍尔传感器采集转子位置信号经单片机处理后控制MOSFET换相，并利用LCM12864显示模块实现了无刷直流电机转速显示，进而完成了无刷直流电机控制器的设计。

参考文献

[1]王东峰，等.单片机C语言应用100例[M].电子工业出版社，2009.18-22.

[2]顾铭.无刷直流电机控制系统设计[D].硕士学位论文，大连理工大学，2006，12.

[3]莫正康.电力电子应用技术[M].北京机械工业出版社，2004.33-36.

[4]何惠森，来新泉，许文丹，等.一种精简的高速功率管MOS驱动器[J].西安电子科技大学学报， 2012.02.

[5]张琛编著.直流无刷电动机原理及应用[M].机械工业出版社，2004.

[6]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2004.

[7]Gu deying，Xia Rui. The Speed Control of Brushless DC Motor Based on Fuzzy Genetic Algorithm[A]. 东北大学、IEEE新加坡工业电子分会、IEEE控制系统协会哈尔滨分会.第25届中国控制与决策会议论文集[C].东北大学、IEEE新加坡工业电子分会、IEEE控制系统协会哈尔滨分会，2013（4）.