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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的單片集成傳感芯片。傳統的平面霍爾技術僅僅可以測量垂直于Ic表面的磁通密度，而Triaxis霍爾技術也可以檢測平行于Ic表面的磁通密度。MLX90316可以用來測量與芯片表面共面的磁通密度，可以得到從0度到360度的旋轉位置值，通過多種模式輸出準確度很高的線性絕對位置信號，并且成本低廉，安裝簡便[1-2]。將MLX90316應用于無刷直流電動機控制系統中可大大提高電動機的調速范圍，降低采用霍爾元件的無刷直流電動機控制系統中低速轉矩的波動，改善控制性能。

1、MLX90316結構

     圖1是MLX90316內部的結構框圖。芯片前端是采用Triaxis霍爾技術的傳感器。由霍爾傳感器得到的二路正交的模擬信號經過放大處理后，經過14位微分型A／D轉換器進入芯片微處理器（DSP），再經過16位DSP處理之后的數字信號分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輸出精度的影響。MLX90316具有3種輸出：由12位D／A轉換為模擬量輸出；頻率為100 Hz一1 000 Hz的PWM輸出；數字模式下利用串行通信協議輸出（SPI）。

    SPI（Serial Protocol Interface）總線接口是一種同步串行外設接口。這是一個4根信號線的串行接口協議，包括主、從兩種模式。這4根信號線分別是：時鐘線（SCK）、數據輸入線（MISO）、數據輸出線（MOSI）和從設備使能線（／ss）。

    圖2是數據傳輸結構圖。該圖詳細描述了MLX90316的SPI通信過程。即主控端先輸出一個0xAA以及一個OxFF作為通信起始信號，然后接著輸出8個OxFF，而從端會同時輸出2個OxFF、4個字節的角度信號以及4個OxFF，從而完成一次數據通訊。

    在無刷直流電動機控制中，當電動機轉子在360。附近的一個很小區間內時，模擬量輸出會隨機產生一個電壓值，會導致電動機位置及速度檢測錯誤。另外，根據MLX90316內部結構框圖，串行通信的輸出信號直接來自于MLX90316的內部DSP輸出，SPI輸出模式更穩定，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機控制系統中。在無刷直流電動機控制器的設計中，本文選擇了MLX90316的SPI輸出模式。

2、控制器結構

　　無刷直流電動機控制器的總體結構如圖3所示。運動控制專用DSP芯片dsPIC30F6010構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機通過Modbus協議給出；電動機轉子位置由MLX90316獲得；MLX903 16的SPI輸出信號直接與dsPIC30F6010的SPI模塊相連；PWM驅動信號通過電動機控制MCPWM模塊產生；故障信號的檢測由外部電路產生，并送給dsPIC30F6010的I／O口。

    逆變電路采用IPM智能集成模塊。它不僅把功率開關管和門極驅動電路集成在一起，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，開關頻率可達20 kHz。

     由于系統僅需要從MLX903 16芯片獲得位置信號，屬于單向通信，因此為了進一步節省其引腳及精簡接線，MLX90316的SPI通信模式僅需3根線接入無刷電機控制系統中。dsPIC30F6010與MLX90316的時鐘線（SCK）和從設備使能線（／SS）直接相連，而dsPIC30F6010的SDI1和SD01這兩個引腳則通過一個信號處理電路接至MLX90316引腳MISO／MOSI。該處理電路如圖4所示。

3、基于MLX90316的速度檢測

      根據MLX903 16芯片的通訊要求，本應用采用了dsPIc30F6010芯片為主控端、MLX90316芯片為從端的控制方式。通信所需的同步時鐘信號由主控端產生，并且數據幀同步信號／SS也通過將主控端的I／O 口輸出拉低來實現。這樣，在主控端dsPIC3OF6010芯片上便可以完全控制位置信號輸入的時間以及信號的傳輸頻率。

      在高速模式下，MLX90316對SPI通信的要求主要包括以下幾個方面：同步時鐘周期不小于2．3 μs；每個傳輸的字節數據之問的間隔不小于12．5  μs；數據幀同步信號／ss的無效時問不小于300  μs；通信起始字節數據與后面的位置信號數據之問的時間間隔不小于15μs。這些要求可通過合理設定時鐘周期和定時器溢出中斷延時實現。取速度環周期為1 ms，在每個速度環一次發送0xAA和9個OxFF，同時通過查詢相應狀態位的方式將同步傳輸的10個字節的數據信號存人數組。

      當所有接收數據都讀取到數組以后，再對該數組的數據進行校驗。在MLX90316的SPI通訊的數據格式中，第3～6個字節的數據為位置信號。其中，前兩個字節分別是位置信號的高字節和低字節；而后兩個字節則是前兩個位置信號數據的取反值，用來校驗數據的正確性。

      如果前兩個字節與后兩個字節的取反值相同，則可確定SPI通訊過程中沒有出現任何問題，但是MLX90316芯片輸出的信號是否為有效信號，其角度檢測是否出現錯誤這個問題則需要進一步驗證。由于SPI輸出模式的角度信號是14位的二進制數，所以該芯片的輸出信號最低2位是數據狀態值，即當最低2位的值為1時表示高14位的角度信號正確，而當最低2位的值為2時則說明MLX90316在位置檢測時出現了錯誤，具體的錯誤來源可以根據高14位的值查相應的錯誤表得到。

      如果在以上通信過程中出錯或者是傳輸的數據顯示MLX90316檢測出錯，則應當立即封鎖PWM信號，并點亮錯誤指示燈，同時顯示錯誤信息。

      如果獲得的角度信號正確，則可將此次的角度數據右移2位后減去前次的值以獲得1 ms內位置信號的差SPI—AngleDif，再根據下式計算獲得電動機轉速：

4、試驗結果及結論

      在實驗中采用的無刷直流電動機主要參數為：極對數4，額定轉速為2 000 r／min，額定電流0．55 A，額定功率180 W。

    圖5和圖6為電動機采用MLX90316作為反饋，轉速給定分別為1 000 r／rain和100 r／rain時的速度響應波形。

    圖7為電動機采用霍爾元件作為反饋、轉速給定分別為1 000 r／min時的速度響應波形。當轉速為100 r／min的低速時，速度環周期較大，測速誤差也較大，在實際應用中無法實現低速控制。

    從試驗結果可以看出，在無刷直流電動機控制器中，MLX90316能克服霍爾元件低速性能差的缺點，提高電動機速度控制范圍和精度，并且具有價格優勢。MLX90316的SPI輸出方式在應用中的主要問題是存在一定傳輸延時，影響控制精度，特別是在中高速表現得比較明顯，這是下一步研究工作中需要解決的主要問題。