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ARM LPC2101的無刷直流電機(jī)控制方案

　�。蹋校茫玻保埃笔腔�于１６／３２位�。粒遥停贰。茫校涨度敫咚伲疲欤幔螅栝W存的微控制器，具備高性能，小體積封裝，低功耗，片上可選擇多種外設(shè)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍很廣。

　　其具備的多種３２位和１６位定時器、１０位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器和每個定時器上ＰＷＭ匹配輸出特性，尤其適用于工業(yè)控制。

　　無刷直流電機(jī)是一種易驅(qū)動電機(jī)，適用于變速和啟動轉(zhuǎn)矩很高的應(yīng)用，它的使用范圍從大規(guī)模的工業(yè)模具到調(diào)光控制的小型電機(jī)（１２Ｖ直流電機(jī)），外形和尺寸也是各種各樣。

　�。薄�無刷直流電機(jī)的基本原理

　　無刷直流電機(jī)一般由定子、轉(zhuǎn)子和金屬殼體等組成，如圖１所示，通過反向極性的吸引產(chǎn)生扭矩使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。一旦轉(zhuǎn)子開始運(yùn)轉(zhuǎn)，固定的刷子和轉(zhuǎn)子部分將不斷反復(fù)地連接、斷開，電動勢和反電動勢在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生，新的電極總是和定子極性相反。由于這種變換是固定的，因此轉(zhuǎn)子以一種固定的形式運(yùn)動。通過給電機(jī)施加反向電壓和反向的轉(zhuǎn)子線圈電流，使南北極性翻轉(zhuǎn)，電機(jī)改變其運(yùn)動旋轉(zhuǎn)方向。

　　圖１　無刷電機(jī)組成

　　速度和電機(jī)的扭矩大小是依據(jù)電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度來控制的，而電機(jī)的旋轉(zhuǎn)能量是依賴于通過電流大小來控制的，因此調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)子的電壓和電流可以改變電機(jī)的速度。本電機(jī)速度的控制是根據(jù)ＬＰＣ２１０１微控制器的ＰＷＭ信號的變化而產(chǎn)生的。

　�。病�無刷直流電機(jī)的控制

　�。玻�１　雙向旋轉(zhuǎn)

　　驅(qū)動有刷直流電機(jī)的雙向旋轉(zhuǎn)，可通過全橋驅(qū)動電路改變電流來實(shí)現(xiàn)完成，如圖２所示。這個全橋驅(qū)動電路由Ｎ通道的ＭＯＳＦＥＴ管組成，當(dāng)Ｑ２和Ｑ３關(guān)閉的時候，Ｑ１和Ｑ４導(dǎo)通電機(jī)正相旋轉(zhuǎn)；當(dāng)Ｑ１和Ｑ４關(guān)閉時，Ｑ２和Ｑ３導(dǎo)通電機(jī)反相旋轉(zhuǎn)。

　　圖２　使用全橋電路雙向旋轉(zhuǎn)

　�。玻�２　速度控制部分

　　無負(fù)載的電機(jī)速度與加到電機(jī)上的電壓有一定的比例關(guān)系，因此通過采樣加載到電機(jī)上的電壓，可以控制電機(jī)的速度。脈寬調(diào)制解調(diào)用于產(chǎn)生這種電壓的變化，如圖３所示。脈寬調(diào)制是基于占空比的固定頻率脈寬波形。加載到電機(jī)上的平均電壓與ＰＷＭ占空比成正比關(guān)系。

　　圖３�。校祝退俣瓤刂�

　�。校祝托盘枺ǎ眩焙停眩玻└鶕�(jù)ＬＰＣ２１０１微控制器定時器２的３個匹配寄存器決定信號的時基頻率。電機(jī)速度（占空比）和方向通過調(diào)整電位器輸入及改變ＬＰＣ２１０１　ＡＤＣ的輸入數(shù)值來控制，如圖４所示。

　　圖４　系統(tǒng)配置

　�。玻�３　電機(jī)反饋部分

　　低功耗電機(jī)電流測量是在ＭＯＳＦＥＴ和地之間使用電流傳感器（參見圖４）。通過電流傳感器的采樣電阻檢測微小電壓；通過在微控制器的前端進(jìn)行濾波和放大，電流采集總是在最高級別，在ＰＷＭ產(chǎn)生之前。這個操作通過外部定時器匹配中斷，中斷后先開始Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換數(shù)值代表了電機(jī)的電流。

　　低功耗無傳感器電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度反饋是通過反饋的ＥＭＦ電壓測量（參見圖４）。反電動勢是通過電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場和外部電磁場產(chǎn)生的。換句話說，電機(jī)表現(xiàn)得像一個發(fā)電機(jī)。ＲＰＭ和反電動勢電壓是成直接正比關(guān)系的，反電動勢測量是通過ＭＯＳＦＥＴ切換完成的（剎車模式）。本文中，ＢＥＭＦ測量用于檢測電機(jī)是否完全停止。電壓分壓是用于滿足反電動勢電壓（最高為１２Ｖ）在０～３．３�。珠g的。

　　３　無刷直流電機(jī)的應(yīng)用

　�。常�１　選用ＬＰＣ２１０２

　�。蹋校茫玻保埃玻ú捎茫蹋眩疲校矗阜庋b）是目前ＬＰＣ２０００系列ＡＲＭ７家族中最小、最便宜的一款總線頻率高達(dá)７０ＭＨｚ的３２位ＣＰＵ處理器；有２�。耍碌撵o態(tài)ＲＡＭ和８ＫＢ的片上Ｆｌａｓｈ存儲區(qū)。對于使用ＵＳＢ、ＣＡＮ總線、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ以太網(wǎng)總線，可以選用ＬＰＣ２０００系列中更高級別的處理器。本文中ＬＰＣ２１０１，其ＣＰＵ使用代碼空間為３ＫＢ，ＣＰＵ負(fù)載小于５％。沒有使用內(nèi)部外設(shè)資源如下：ＵＡＲＴ、Ｉ２Ｃ、ＳＰＩ／ＳＳＰ、ＲＴＣ、２個定時器和４個Ａ／Ｄ輸入，２０個未用的Ｉ／Ｏ口可供用戶擴(kuò)展使用。

　�。常�２　電機(jī)選擇

　　設(shè)計(jì)選用１５０　Ｗ�。停粒兀希巍。遥牛矗半姍C(jī)。在１２�。州斎胂�，無負(fù)載的速度是６　９２０�。颍�ｓ。最大連續(xù)電流是６Ａ。ＰＷＭ時基信號對電機(jī)噪聲有很大的影響（因?yàn)槿硕�一般能聽到的聲波的頻率范圍是２０�。龋�～２０ｋＨｚ），同時影響電機(jī)的表現(xiàn)性能。要防止整個周期中電流過零（就是通常所說的不連續(xù)的電流狀態(tài)，當(dāng)電機(jī)輕載時），如圖５（ｂ）所示。這種不連續(xù)電流會導(dǎo)致扭矩轉(zhuǎn)速曲線非常陡，在電機(jī)中將產(chǎn)生某種脈沖，使電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生更大的噪聲，本電路使用ＭＡＸＯＮ電機(jī)，就是為了獲得連續(xù)的電流模式，所選擇的ＰＷＭ脈沖頻率是８ｋＨｚ。

　　圖５�。校祝蜁r基頻率的影響

　�。常�３�。停希樱疲牛赃x擇

　　在系統(tǒng)中使用ＮＸＰ半導(dǎo)體ＰＨ１８７５Ｌ�。螠系溃停希樱疲牛�，相關(guān)的電機(jī)電壓是１２　Ｖ，電機(jī)啟動的最大電流是１０３�。�。作為１２Ｖ的電機(jī)，ＭＯＳＦＥＴ的電壓Ｖｄｓ至少為４０Ｖ。需要足夠的灌電流來啟動電機(jī)，可以通過軟件控制在系統(tǒng)運(yùn)行過程中減小電流。ＰＨ１８７５Ｌ需要使用的最大灌電流是４５．８�。粒�漏電流是１８３Ａ。ＰＨ１８７５Ｌ的ＳＭＤ貼片封裝如圖６所示。

　　圖６　ＳＯ６６９（ＬＦＰＡＫ）封裝

　�。常�４　ＭＯＳＦＥＴ驅(qū)動選擇

　�。停希樱疲牛则�(qū)動提升了控制器輸出信號驅(qū)動電機(jī)的能力。本設(shè)計(jì)選擇ＮＸＰ芯片ＰＭＤ２００１Ｄ和ＰＭＧＤ２８０ＵＮ，如圖７所示。

　　圖７　簡化的ＭＯＳＦＥＴＭＯＳＦＥＴ全橋和半橋驅(qū)動電路

　　３．５　速度控制和方向控制

　　為了控制方向和電機(jī)速度，用１０　ｋΩ的電位器，連接到ＬＰＣ２１０１�。粒模幂斎攵耍▍⒁妶D４）。由于是１０位Ａ／Ｄ，實(shí)際上只需要８位就可以采用２５６個步進(jìn)數(shù)值，如圖８所示。采用１０位Ａ／Ｄ可以達(dá)到１０２４個步進(jìn)數(shù)值。

　　圖８　電位器模擬速度輸入和方向

　�。础∮布�與軟件設(shè)計(jì)

　�。矗�１　硬件設(shè)計(jì)

　　控制部分的電路原理如圖９所示。電源和電機(jī)部分的電路原理如圖１０所示。

　　圖９　控制部分電路原理

　　圖１０　電源和電機(jī)部分電路原理

　�。矗�２　軟件設(shè)計(jì)

　　軟件部分采用Ｃ語言編寫，使用Ｋｅｉｌ　μＶｉｓｉｏｎ（ＡＲＭ７�。遥澹幔欤郑椋澹鳌。郑常�０）開發(fā)環(huán)境。主函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下功能：讀取電位器數(shù)值來調(diào)整速度和電機(jī)方向；讀取電機(jī)反電動勢電流；設(shè)定ＰＷＭ占空比和控制Ｑ１￣Ｑ４ＭＯＳＦＥＴ輸出；執(zhí)行ＲＳ２３２通信。圖１１表示控制系統(tǒng)流程。使用ＲＳ２３２接口每２００ｍｓ給ＰＣ端計(jì)算機(jī)發(fā)送電機(jī)速度和電流、電壓信息。電機(jī)控制軟件部分狀態(tài)機(jī)如圖１２所示。狀態(tài)處理是在主程序循環(huán)中處理的，ＬＰＣ２１０１的定時器２用于產(chǎn)生ＰＷＭ信號。在每個ＰＷＭ信號中斷子程序進(jìn)入后，可以通過改變占空比來調(diào)整既定電機(jī)速度并設(shè)置ＭＯＳＦＥＴ輸出控制Ｑ１￣Ｑ４。定時器０用于１０ｍｓ的系統(tǒng)定時。

　　圖１１　主程序流程

　　圖１２　狀態(tài)流程

　�。蹋校茫玻保埃迸渲檬褂茫耍澹椋臁。粒遥烷_發(fā)環(huán)境中標(biāo)準(zhǔn)的啟動代碼，設(shè)定ＣＣＬＫ時鐘為６０　ＭＨｚ，ＰＣＬＫ時鐘為１５ＭＨｚ。相關(guān)測試代碼包括ｍａｉｎ．ｃ，ａｄｃ．ｃ，ｔｉｍｅｒ０．ｃ，ｍｏｔｏｒ．ｃ，ｕａｒｔ．ｃ，ｂｃｄ．ｈ等。

　�。怠】偨Y(jié)

　　使用ＬＰＣ２１０１　ＡＲＭ７內(nèi)核開發(fā)無刷電機(jī)控制系統(tǒng)，代碼精簡，控制系統(tǒng)可靠。經(jīng)過長時間實(shí)際測量證明，系統(tǒng)相關(guān)器件的選型設(shè)計(jì)是穩(wěn)定的。另外，目前增強(qiáng)型５１系列微處理器的價格、性能與ＬＰＣ２１系列相比較，ＬＰＣ２１系列功耗低，價格與普通８位機(jī)價格差不多，但是性能卻比增強(qiáng)型５１系列好。比如，帶Ｍｏｄｅｍ的雙串口，雙Ｉ２Ｃ接口，帶大容量的Ｆｌａｓｈ和ＲＡＭ存儲區(qū)，多通道ＰＷＭ，多個３２位定時器，高精度１０位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器等。因此，從芯片設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，該無刷電機(jī)產(chǎn)品有一定的推廣價值。

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