1、前言

隨著汽車部件的電動化、自動化程度不斷提高和對汽車電機(jī)的噪聲、電磁兼容、效率的高要求，永磁無刷直流電機(jī)正在逐步替代有刷的永磁直流電機(jī) 。永磁無刷電機(jī)具有體積小、壽命長、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，利用它作為汽車部件的驅(qū)動執(zhí)行元件可有效地提高汽車部件的性能。例如在Freightliner公司的M2系列商務(wù)車上，采用無刷電機(jī)驅(qū)動其空調(diào)系統(tǒng)的鼓風(fēng)機(jī)，更好地調(diào)節(jié)了送風(fēng)速度 。

由于汽車總線技術(shù)的日趨成熟，汽車內(nèi)多個(gè)電機(jī)單元的控制方式正從傳統(tǒng)的集中式線束控制向分布式總線控制轉(zhuǎn)變。分布式總線控制可以減少線束，降低成本，便于各個(gè)電機(jī)控制單元和車內(nèi)其它電控單元一起形成一個(gè)綜合協(xié)調(diào)的控制系統(tǒng)，提高各控制單元的運(yùn)行可靠性，減少冗余的傳感器及相應(yīng)的軟硬件配置，實(shí)現(xiàn)信息交換和資源共享。目前常用的汽車總線包括CAN、LIN等，其中LIN面向低速場合的應(yīng)用。作者設(shè)計(jì)
基于LIN總線的無刷直流電機(jī)控制器，該控制器以文獻(xiàn)中介紹的MC68HC908MR16單片機(jī)、PC33896前置驅(qū)動器、MC33399LIN收發(fā)器為核心構(gòu)成，以低廉的成本獲得了較好的控制性能。

2、基于LIN總線的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)

LIN總線是一種新型的低成本汽車車身總線，1999年由歐洲汽車制造商Audi、BMW、Daimler2Chrysler、Volvo、Volkswagen、VCT等公司和半導(dǎo)體廠商Motorola共同組成的LIN協(xié)會推出，從2003年開始投入使用。

LIN總線使用串行通信協(xié)議，它有下面的特性:單主機(jī)多從機(jī)組織（即無需總線仲裁） ； 基于普通UART/SCI接口的低成本硬件實(shí)現(xiàn)，低成本軟件或作為純狀態(tài)機(jī)；從機(jī)節(jié)點(diǎn)不需要石英或陶瓷諧振器即可以實(shí)現(xiàn)自同步；保證信號傳輸?shù)难舆t時(shí)間；低成本的單線通信介質(zhì)，通信速率最大可達(dá)20kb/s。一個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)由1個(gè)主節(jié)點(diǎn)、最多不超過15個(gè)從節(jié)點(diǎn)組成。所有節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)從機(jī)任務(wù)，從機(jī)任務(wù)分為接收任務(wù)和發(fā)送任務(wù)，主節(jié)點(diǎn)還有一個(gè)主機(jī)任務(wù)。LIN網(wǎng)絡(luò)上的通信總是由主機(jī)任務(wù)所發(fā)起，主機(jī)任務(wù)傳輸報(bào)文幀頭，報(bào)文幀頭包括同步間隔場、同步場和標(biāo)志符場；從機(jī)任務(wù)作出報(bào)文響應(yīng)，報(bào)文響應(yīng)包括2、4或8字節(jié)的數(shù)據(jù)場和校驗(yàn)場，報(bào)文幀頭和報(bào)文響應(yīng)組成完整的報(bào)文幀。

LIN總線作為CAN總線的補(bǔ)充，主要用于車身控制。車身網(wǎng)絡(luò)主要連接對象有座椅、車門、空調(diào)和儀表顯示等系統(tǒng)?；贚IN總線的全自動空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。其中空調(diào)中央控制單元起CAN /LIN網(wǎng)關(guān)和LIN主節(jié)點(diǎn)的作用，其他單元為從節(jié)點(diǎn)，分為傳感器從節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行從節(jié)點(diǎn)。傳感器從節(jié)點(diǎn)將溫度、濕度、日照強(qiáng)度等環(huán)境狀態(tài)值發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)根據(jù)這些狀態(tài)值以及駕駛員設(shè)定的車內(nèi)溫度等參數(shù)進(jìn)行綜合決策，向執(zhí)行從節(jié)點(diǎn)傳達(dá)控制命令，執(zhí)行從節(jié)點(diǎn)依據(jù)命令進(jìn)行相應(yīng)的動作。這樣的空調(diào)系統(tǒng)有效實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的分布式控制，減少汽車上的安裝線束，同時(shí)實(shí)現(xiàn)真正的全自動控制，使得空調(diào)系統(tǒng)各部件協(xié)調(diào)運(yùn)行，從而使室內(nèi)溫度達(dá)到并保持在駕駛員設(shè)定值上，創(chuàng)造一個(gè)舒適的室內(nèi)環(huán)境。由于無刷直流電機(jī)擁有良好的調(diào)速性能，所以空調(diào)系統(tǒng)中一些執(zhí)行從節(jié)點(diǎn)把它作為驅(qū)動部件，如壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、冷卻風(fēng)扇等。這些從節(jié)點(diǎn)分別和主節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)成了基于LIN總線的無刷直流電機(jī)速度閉環(huán)控制，主節(jié)點(diǎn)通過決策算法給定電機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速的反饋和控制算法由從節(jié)點(diǎn)來完成，從節(jié)點(diǎn)即是作者所要設(shè)計(jì)的控制器。

3、控制器硬件結(jié)構(gòu)

控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，圖中包括:電源管理模塊、MC68HC908MR16 單片機(jī)控制模塊、PC33896 前置驅(qū)動模塊、三相FET 全橋模塊、MC33399LIN物理層通信模塊。

霍爾傳感器檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，它是3個(gè)脈寬為180°（電角度） 、互差120°（電角度）的信號。單片機(jī)的定時(shí)器輸入捕捉單元捕捉到位置信號的變化，實(shí)現(xiàn)定子繞組電流的換向，確保定子產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子永磁磁場保持平均的垂直關(guān)系，以利產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩。同時(shí)，通過定時(shí)器記錄的2次換向之間的時(shí)間間隔，可計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速與計(jì)算轉(zhuǎn)速之間的差值通過PI算法調(diào)節(jié)PWM占空比，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速、起/停、正/反轉(zhuǎn)等信息來自LIN總線的報(bào)文幀。

3.1 電源管理模塊

現(xiàn)代汽車內(nèi)部的電氣負(fù)載不斷增加，未來汽車上將采用42V電系代替現(xiàn)有的12V 電系供電。但要完全實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變，還有諸多問題尚未解決，現(xiàn)主要采用42V /12V的雙電源供電來作為一種過渡方案。作者設(shè)計(jì)的控制器考慮這一發(fā)展趨勢，在12V的電機(jī)應(yīng)用中，控制器采用單12V電源供電；在42V的電機(jī)應(yīng)用中，控制器采用42V /12V 雙電源供電。同時(shí)電源管理模塊中含有一塊12V /5V的電源調(diào)壓芯片LT1211。

3.2 單片機(jī)控制模塊

單片機(jī)控制模塊以MC68HC908MR16單片機(jī)為核心，它是一款專門用于電機(jī)控制的8 位單片機(jī)。工作溫度范圍達(dá)到- 40～105℃，完全適應(yīng)汽車內(nèi)的工作環(huán)境。片內(nèi)帶有12位、6通道PWM模塊，產(chǎn)生6路PWM邏輯信號（可設(shè)定為6路獨(dú)立或者3對兩兩互補(bǔ)） ；定時(shí)器A的0， 1， 2三個(gè)通道用來捕捉位置傳感器信號的變化，通道3負(fù)責(zé)記錄通道2的位置信號產(chǎn)生變化的時(shí)刻； 10位A /D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為16 - 17μs，能快速完成電池電壓監(jiān)測任務(wù)；出錯(cuò)信號輸入，用于發(fā)生在過流或過熱的情況下產(chǎn)生中斷，進(jìn)而封鎖PWM輸出；特有的快速8位乘法和16位除法指令，使得它具有較高的運(yùn)算能力，能完成較為復(fù)雜的控制算法； 768B 片內(nèi)RAM 和16kB 片內(nèi)Flash存儲器，具有在線編程能力和保密功能；系統(tǒng)保護(hù)特性，包括看門狗復(fù)位、低電壓禁止復(fù)位等增強(qiáng)了程序的穩(wěn)定性和可靠性。

3.3 前置驅(qū)動模塊

前置驅(qū)動模塊的核心是PC33896，它是新推出的專用于汽車電子42V /12V 系統(tǒng)的三相FET前置驅(qū)動器。片內(nèi)含有DC /DC降壓電路、電流采樣放大器、SPI 通信口及各種保護(hù)電路等。PC33896直接接收來自單片機(jī)的6路PWM邏輯信號，將其轉(zhuǎn)換成用來驅(qū)動6個(gè)FET柵極的驅(qū)動信號。若汽車系統(tǒng)供電電壓是新的42V電系，片內(nèi)的DC /DC將之降到大約15V 左右用于FET柵極電路驅(qū)動，節(jié)省了開通和關(guān)斷FET所耗散的功率；若汽車電源供電電壓采用的是現(xiàn)行的12V電系，某些場合電源電壓會不足以驅(qū)動FET柵極，此時(shí)電荷泵電路將之提升到至少10V左右，確保FET的正常驅(qū)動。內(nèi)部電流采樣放大器用來測量直流母線電流。單片機(jī)能通過SP I口發(fā)送指令，配置PC33896 （如DC /DC和電荷泵的工作與否、電流放大器的放大倍數(shù)等）以及診斷其故障。