引 言

     MLX903 16是一種線性霍爾芯片。它采用了平面霍爾傳感技術(shù)的單片集成傳感芯片。傳統(tǒng)的平面霍爾技術(shù)僅僅可以測(cè)量垂直于Ic表面的磁通密度，而Triaxis霍爾技術(shù)也可以檢測(cè)平行于Ic表面的磁通密度。MLX90316可以用來測(cè)量與芯片表面共面的磁通密度，可以得到從0度到360度的旋轉(zhuǎn)位置值，通過多種模式輸出準(zhǔn)確度很高的線性絕對(duì)位置信號(hào)，并且成本低廉，安裝簡(jiǎn)便[1-2]。將MLX90316應(yīng)用于無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中可大大提高電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍，降低采用霍爾元件的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中低速轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，改善控制性能。

1、MLX90316結(jié)構(gòu)

     圖1是MLX90316內(nèi)部的結(jié)構(gòu)框圖。芯片前端是采用Triaxis霍爾技術(shù)的傳感器。由霍爾傳感器得到的二路正交的模擬信號(hào)經(jīng)過放大處理后，經(jīng)過14位微分型A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入芯片微處理器（DSP），再經(jīng)過16位DSP處理之后的數(shù)字信號(hào)分3路輸出。MLX90316輸出具有12位角度分辨率，10位角度精度，并且在一定程度上可以避免外圍溫度變化對(duì)輸出精度的影響。MLX90316具有3種輸出：由12位D／A轉(zhuǎn)換為模擬量輸出；頻率為100 Hz一1 000 Hz的PWM輸出；數(shù)字模式下利用串行通信協(xié)議輸出（SPI）。

    SPI（Serial Protocol Interface）總線接口是一種同步串行外設(shè)接口。這是一個(gè)4根信號(hào)線的串行接口協(xié)議，包括主、從兩種模式。這4根信號(hào)線分別是：時(shí)鐘線（SCK）、數(shù)據(jù)輸入線（MISO）、數(shù)據(jù)輸出線（MOSI）和從設(shè)備使能線（／ss）。

    圖2是數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)圖。該圖詳細(xì)描述了MLX90316的SPI通信過程。即主控端先輸出一個(gè)0xAA以及一個(gè)OxFF作為通信起始信號(hào)，然后接著輸出8個(gè)OxFF，而從端會(huì)同時(shí)輸出2個(gè)OxFF、4個(gè)字節(jié)的角度信號(hào)以及4個(gè)OxFF，從而完成一次數(shù)據(jù)通訊。

    在無刷直流電動(dòng)機(jī)控制中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子在360。附近的一個(gè)很小區(qū)間內(nèi)時(shí)，模擬量輸出會(huì)隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)電壓值，會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)位置及速度檢測(cè)錯(cuò)誤。另外，根據(jù)MLX90316內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，串行通信的輸出信號(hào)直接來自于MLX90316的內(nèi)部DSP輸出，SPI輸出模式更穩(wěn)定，誤差更小，并且具有更高的抗干擾能力。所以MLX90316的SPI輸出模式更適用于電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中。在無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器的設(shè)計(jì)中，本文選擇了MLX90316的SPI輸出模式。

2、控制器結(jié)構(gòu)

　　無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。運(yùn)動(dòng)控制專用DSP芯片dsPIC30F6010構(gòu)成了控制器的核心控制單元[2-3]。控制量由外部端子及模擬量或者RS485鍵盤或者PC機(jī)通過Modbus協(xié)議給出；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置由MLX90316獲得；MLX903 16的SPI輸出信號(hào)直接與dsPIC30F6010的SPI模塊相連；PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過電動(dòng)機(jī)控制MCPWM模塊產(chǎn)生；故障信號(hào)的檢測(cè)由外部電路產(chǎn)生，并送給dsPIC30F6010的I／O口。

    逆變電路采用IPM智能集成模塊。它不僅把功率開關(guān)管和門極驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，而且還包含了過壓、過流和過熱等故障檢測(cè)電路。控制器采用PM20CSJ060模塊。該模塊為6只IGBT管封裝模塊，額定電壓為600 V，額定電流為20 A，開關(guān)頻率可達(dá)20 kHz。

     由于系統(tǒng)僅需要從MLX903 16芯片獲得位置信號(hào)，屬于單向通信，因此為了進(jìn)一步節(jié)省其引腳及精簡(jiǎn)接線，MLX90316的SPI通信模式僅需3根線接入無刷電機(jī)控制系統(tǒng)中。dsPIC30F6010與MLX90316的時(shí)鐘線（SCK）和從設(shè)備使能線（／SS）直接相連，而dsPIC30F6010的SDI1和SD01這兩個(gè)引腳則通過一個(gè)信號(hào)處理電路接至MLX90316引腳MISO／MOSI。該處理電路如圖4所示。

3、基于MLX90316的速度檢測(cè)

      根據(jù)MLX903 16芯片的通訊要求，本應(yīng)用采用了dsPIc30F6010芯片為主控端、MLX90316芯片為從端的控制方式。通信所需的同步時(shí)鐘信號(hào)由主控端產(chǎn)生，并且數(shù)據(jù)幀同步信號(hào)／SS也通過將主控端的I／O 口輸出拉低來實(shí)現(xiàn)。這樣，在主控端dsPIC3OF6010芯片上便可以完全控制位置信號(hào)輸入的時(shí)間以及信號(hào)的傳輸頻率。

      在高速模式下，MLX90316對(duì)SPI通信的要求主要包括以下幾個(gè)方面：同步時(shí)鐘周期不小于2．3 μs；每個(gè)傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)據(jù)之問的間隔不小于12．5  μs；數(shù)據(jù)幀同步信號(hào)／ss的無效時(shí)問不小于300  μs；通信起始字節(jié)數(shù)據(jù)與后面的位置信號(hào)數(shù)據(jù)之問的時(shí)間間隔不小于15μs。這些要求可通過合理設(shè)定時(shí)鐘周期和定時(shí)器溢出中斷延時(shí)實(shí)現(xiàn)。取速度環(huán)周期為1 ms，在每個(gè)速度環(huán)一次發(fā)送0xAA和9個(gè)OxFF，同時(shí)通過查詢相應(yīng)狀態(tài)位的方式將同步傳輸?shù)?0個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)信號(hào)存人數(shù)組。

      當(dāng)所有接收數(shù)據(jù)都讀取到數(shù)組以后，再對(duì)該數(shù)組的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。在MLX90316的SPI通訊的數(shù)據(jù)格式中，第3～6個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)為位置信號(hào)。其中，前兩個(gè)字節(jié)分別是位置信號(hào)的高字節(jié)和低字節(jié)；而后兩個(gè)字節(jié)則是前兩個(gè)位置信號(hào)數(shù)據(jù)的取反值，用來校驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性。

      如果前兩個(gè)字節(jié)與后兩個(gè)字節(jié)的取反值相同，則可確定SPI通訊過程中沒有出現(xiàn)任何問題，但是MLX90316芯片輸出的信號(hào)是否為有效信號(hào)，其角度檢測(cè)是否出現(xiàn)錯(cuò)誤這個(gè)問題則需要進(jìn)一步驗(yàn)證。由于SPI輸出模式的角度信號(hào)是14位的二進(jìn)制數(shù)，所以該芯片的輸出信號(hào)最低2位是數(shù)據(jù)狀態(tài)值，即當(dāng)最低2位的值為1時(shí)表示高14位的角度信號(hào)正確，而當(dāng)最低2位的值為2時(shí)則說明MLX90316在位置檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)了錯(cuò)誤，具體的錯(cuò)誤來源可以根據(jù)高14位的值查相應(yīng)的錯(cuò)誤表得到。

      如果在以上通信過程中出錯(cuò)或者是傳輸?shù)臄?shù)據(jù)顯示MLX90316檢測(cè)出錯(cuò)，則應(yīng)當(dāng)立即封鎖PWM信號(hào)，并點(diǎn)亮錯(cuò)誤指示燈，同時(shí)顯示錯(cuò)誤信息。

      如果獲得的角度信號(hào)正確，則可將此次的角度數(shù)據(jù)右移2位后減去前次的值以獲得1 ms內(nèi)位置信號(hào)的差SPI—AngleDif，再根據(jù)下式計(jì)算獲得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：

4、試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

      在實(shí)驗(yàn)中采用的無刷直流電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)為：極對(duì)數(shù)4，額定轉(zhuǎn)速為2 000 r／min，額定電流0．55 A，額定功率180 W。

    圖5和圖6為電動(dòng)機(jī)采用MLX90316作為反饋，轉(zhuǎn)速給定分別為1 000 r／rain和100 r／rain時(shí)的速度響應(yīng)波形。

    圖7為電動(dòng)機(jī)采用霍爾元件作為反饋、轉(zhuǎn)速給定分別為1 000 r／min時(shí)的速度響應(yīng)波形。當(dāng)轉(zhuǎn)速為100 r／min的低速時(shí)，速度環(huán)周期較大，測(cè)速誤差也較大，在實(shí)際應(yīng)用中無法實(shí)現(xiàn)低速控制。

    從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器中，MLX90316能克服霍爾元件低速性能差的缺點(diǎn)，提高電動(dòng)機(jī)速度控制范圍和精度，并且具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。MLX90316的SPI輸出方式在應(yīng)用中的主要問題是存在一定傳輸延時(shí)，影響控制精度，特別是在中高速表現(xiàn)得比較明顯，這是下一步研究工作中需要解決的主要問題。