基于LIN总线的车用无刷直流电机控制器设计.docx

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1、基于LIN总线的车用无刷直流电机控制器设计推出，从2003年开场投入使用。LIN总线使用串行通讯协议，它有下面的特性:单主机多从机组织即无需总线仲裁；基于普通UART/SCI接口的低本钱硬件实现，低本钱软件或者作为纯状态机；从机节点不需要石英或者陶瓷谐振器即可以实现自同步；保证信号传输的延迟时间；低本钱的单线通讯介质，通讯速率最大可达20kb/s。一个LIN网络由1个主节点、最多不超过15个从节点组成。所有节点都有一个从机任务，从机任务分为接收任务和发送任务，主节点还有一个主机任务。LIN网络上的通讯总是由主机任务所提议，主机任务传输报文帧头，报文帧头包括同步间隔场、同步场和标志符场；从机任务

2、作出报文响应，报文响应包括2、4或者8字节的数据场和校验场，报文帧头和报文响应组成完好的报文帧。LIN总线作为CAN总线的补充，主要用于车身控制。车身网络主要连接对象有座椅、车门、空调和仪表显示等系统。基于LIN总线的全自动空调系统构造框图如图1所示。其中空调中央控制单元起CAN/LIN网关和LIN主节点的作用，其他单元为从节点，分为传感器从节点和执行从节点。传感器从节点将温度、湿度、日照强度等环境状态值发送给主节点，主节点根据这些状态值以及驾驶员设定的车内温度等参数进展综合决策，向执行从节点传达控制命令，执行从节点根据命令进展相应的动作。这样的空调系统有效实现节点的分布式控制，减少汽车上的安

3、装线束，同时实现真正的全自动控制，使得空调系统各部件协调运行，进而使室内温度到达并保持在驾驶员设定值上，创造一个舒适的室内环境。由于无刷直流电机拥有良好的调速性能，所以空调系统中一些执行从节点把它作为驱动部件，如压缩机、鼓风机、冷却风扇等。这些从节点分别和主节点之间构成了基于LIN总线的无刷直流电机速度闭环控制，主节点通过决策算法给定电机转速，转速的反应和控制算法由从节点来完成，从节点即是作者所要设计的控制器。3、控制器硬件构造控制器构造框图如图2所示，图中包括:电源治理模块、MC68HC908MR16单片机控制模块、PC33896前置驱动模块、三相FET全桥模块、MC33399LIN物理层通

4、讯模块。霍尔传感器检测电机转子的位置，它是3个脉宽为180电角度、互差120电角度的信号。单片机的定时器输入捕捉单元捕捉到位置信号的变化，实现定子绕组电流的换向，确保定子产生的磁场与转子永磁磁场保持平均的垂直关系，以利产生最大转矩。同时，通过定时器记录的2次换向之间的时间间隔，可计算出电机的转速，根据目的转速与计算转速之间的差值通过PI算法调节PWM占空比，进而控制电机的转速。电机的目的转速、起/停、正/反转等信息来自LIN总线的报文帧。3.1电源治理模块当代汽车内部的电气负载不断增加，将来汽车上将采用42V电系代替现有的12V电系供电。但要完全实现这一转变，还有众多问题尚未解决，现主要采用4

5、2V/12V的双电源供电来作为一种过渡方案。作者设计的控制器考虑这一开展趋势，在12V的电机应用中，控制器采用单12V电源供电；在42V的电机应用中，控制器采用42V/12V双电源供电。同时电源治理模块中含有一块12V/5V的电源调压芯片LT1211。3.2单片机控制模块单片机控制模块以MC68HC908MR16单片机为核心，它是一款专门用于电机控制的8位单片机。工作温度范围到达-40105，完全适应汽车内的工作环境。片内带有12位、6通道PWM模块，产生6路PWM逻辑信号可设定为6路独立或3对两两互补；定时器A的0，1，2三个通道用来捕捉位置传感器信号的变化，通道3负责记录通道2的位置信号产

6、生变化的时刻；10位A/D转换器，转换时间为16-17s，能快速完成电池电压监测任务；出错信号输入，用于发生在过流或者过热的情况下产生中断，进而封闭PWM输出；特有的快速8位乘法和16位除法指令，使得它具有较高的运算才能，能完成较为复杂的控制算法；768B片内RAM和16kB片内Flash存储器，具有在线编程才能和保密功能；系统保护特性，包括看门狗复位、低电压制止复位等增强了程序的稳定性和可靠性。3.3前置驱动模块前置驱动模块的核心是PC33896，它是新推出的专用于汽车电子42V/12V系统的三相FET前置驱动器。片内含有DC/DC降压电路、电流采样放大器、SPI通讯口及各种保护电路等。PC

7、33896直接接收来自单片机的6路PWM逻辑信号，将其转换成用来驱动6个FET栅极的驱动信号。假设汽车系统供电电压是新的42V电系，片内的DC/DC将之降到大约15V左右用于FET栅极电路驱动，节省了开通和关断FET所耗散的功率；假设汽车电源供电电压采用的是现行的12V电系，某些场合电源电压会缺乏以驱动FET栅极，此时电荷泵电路将之提升到至少10V左右，确保FET的正常驱动。内部电流采样放大器用来测量直流母线电流。单片机能通过SPI口发送指令，配置PC33896如DC/DC和电荷泵的工作与否、电放逐大器的放大倍数等以及诊断其故障。3.4LIN物理层通讯模块MC33399是面向汽车电子应用的LI

8、N收发器芯片，它和单片机的SCI口构成LIN通讯的物理根底。它有正常和睡眠两种工作形式，总线上的唤醒帧可将其从睡眠形式唤醒。4、控制器的软件设计由于单片机的内嵌硬件模块和PC33896功能较强，使单片机有足够的资源完成较为复杂的控制策略，进而使控制器的性能大大进步。4.1主程序构造系统的程序采用前后台构造。前台是中断级，后台是任务级。任务级由一个死循环和一个LIN通讯效劳程序构成。死循环内包含一个有限状态机和一个10ms效劳程序，有限状态机如图3所示。系统上电，完成初始化任务后进入死循环。一旦发生SCI接收中断，中断效劳程序判定接收到的是否为同步间隔场。假设为同步间隔场，程序在退出中断效劳时并

9、不返回到死循环中，而是进入LIN通讯效劳程序，进展报文帧的接收和处理。完成通讯效劳后，程序重新返回死循环。根据接收的报文帧，有限状态机切换到相应的状态。为保护电机，图中正转态和反转态之间的转换强迫经历了中间的停顿态过渡。当发生过流或低电压等出错事件时，控制器进入出错态，它关断所有PWM输出，并记录错误代码。控制器接收到总线的睡眠帧后，进入睡眠态，总线的唤醒信号将重新激活控制器。在正转态或者反转态时，死循环内的10ms效劳程序每间隔10ms执行一次，完成电机转速计算、PI控制算法、电池电压读取等任务。4.2LIN通讯报文帧的定制LIN总线是一种主从机通讯形式，报文帧的定制在LIN网络软件总体设计

10、时进展。文中的无刷直流电机控制器是总线上的一个从节点，它响应的报文帧如表1所示。标志符“0x3C是下载命令帧，用于主节点向所有从节点播送命令和数据，其中第一个数据字节为“00的是睡眠帧。标志符“0x3D是上传命令帧，它触发一个从节点由一个优先的下载帧编址向主机上传数据。标志符“0x20是无刷电机控制帧，用于控制器接收主节点的控制信息，第一个数据字节为“01要求电机正转，为“02是反转，为“04是停顿，第三、第四两个数据字节是电机转速的给定值。标志符“0x21是电机状态帧，用于控制器向主节点传输信息，第一、第二两个数据字节是电机的实际转速，第三、第四两个字节表示电池电压。4.3软件中的中断效劳程

11、序4.3.1定时器A0、A1、A2输入捕捉中断inputcap2tureISR1当定时器A0、A1、A2监测到位置信号有跳变沿时，引起输入捕捉中断inputcaptureISR1。中断程序中通过读取3个引脚的当前电平，并结合前一次中断中读入的值，查询换向表完成换向。4.3.2定时器A3输入捕捉中断inputcaptureISR2定时器A3监测到A2通道的位置信号有上升沿跳变时，引起输入捕捉中断inputcaptureISR2。中断程序读取定时器A3通道捕捉存放器的当前值，结合前一次中断中读入的值和定时器A的溢出次数，算出一个位置脉冲周期内对定时器A的高频时钟脉冲的计数，结果用于速度的计算。4.

12、3.3定时器B溢出中断TIMERBISR定时器B每隔10ms溢出中断一次，中断程序中置位标志位timerflag，进而使得主程序死循环内的10ms效劳程序能被执行。定时器A3、定时器B的中断允许在LIN通讯效劳程序中被关闭，而换向中断被保存，进而保证了通讯的可靠性和电机的运行稳定。5、试验结果采用所设计的控制器，以一台无刷直流电机其规格等同于额定电压为48V、额定功率为150W的客车空调鼓风机驱动用无刷电机为试验对象，试验图如图4所示。图4中控制器采用42V/12V双电压供电。LIN图4试验图总线的主节点由PC机来模拟，它通过RS232串口经过一块RS232转LIN的接口卡PCcard与LIN总线相连，其LIN通讯的软件利用Labview界面环境开发。实际运行结果说明：电机能快速起动、制动、准确及时跟踪主节点的给定速度，控制器运行稳定、可靠，能知足实时控制的要求。作者所设计基于LIN总线的无刷直流电机控制器，硬件电路构造简单，兼容将来汽车的42V供电电系，具有高的性价比。此外，由于LIN总线是一种开放的协议，该控制器不仅适用于汽车电子领域，还可用于工业控制、家电等其他领域。0