ARM LPC2101的无刷直流电机控制方案

ＬＰＣ２１０１是基于１６／３２位　ＡＲＭ７　ＣＰＵ嵌入高速Ｆｌａｓｈ闪存的微控制器，具备高性能，小体积封装，低功耗，片上可选择多种外设等优点，应 　其具备的多种３２位和１６位定时器、１０位Ａ／Ｄ转换器和每个定时器上ＰＷＭ匹配输出特性，尤其适用于工业控制。

　　无刷直流电机是一种易驱动电机，适用于变速和启动转矩很高的应用，它的使用范围从大规模的工业模具到调光控制的小型电机（１２Ｖ直流电机），外形和尺寸也是各种各样。

　　１　无刷直流电机的基本原理

　　无刷直流电机一般由定子、转子和金属壳体等组成，如图１所示，通过反向极性的吸xx生扭矩使电机运转。一旦转子开始运转，固定的刷子和转子部分将不断反复地连接、断开，电动势和反电动势在转子旋转过程中产生，新的电极总是和定子极性相反。由于这种变换是固定的，因此转子以一种固定的形式运动。通过给电机施加反向电压和反向的转子线圈电流，使南北极性翻转，电机改变其运动旋转方向。

　　图１　无刷电机组成

　　速度和电机的扭矩大小是依据电机旋转产生的磁场强度来控制的，而电机的旋转能量是依赖于通过电流大小来控制的，因此调整电机转子的电压和电流可以改变电机的速度。本电机速度的控制是根据ＬＰＣ２１０１微控制器的ＰＷＭ信号的变化而产生的。

　　２　无刷直流电机的控制

　　２．１　双向旋转

　　驱动有刷直流电机的双向旋转，可通过全桥驱动电路改变电流来实现完成，如图２所示。这个全桥驱动电路由Ｎ通道的ＭＯＳＦＥＴ管组成，当Ｑ２和Ｑ３关闭的时候，Ｑ１和Ｑ４导通电机正相旋转；当Ｑ１和Ｑ４关闭时，Ｑ２和Ｑ３导通电机反相旋转。

　　图２　使用全桥电路双向旋转

　　２．２　速度控制部分

　　无负载的电机速度与加到电机上的电压有一定的比例关系，因此通过采样加载到电机上的电压，可以控制电机的速度。脉宽调制解调用于产生这种电压的变化，如图３所示。脉宽调制是基于占空比的固定频率脉宽波形。加载到电机上的平均电压与ＰＷＭ占空比成正比关系。

　　图３　ＰＷＭ速度控制

　　ＰＷＭ信号（Ｑ１和Ｑ２）根据ＬＰＣ２１０１微控制器定时器２的３个匹配寄存器决定信号的时基频率。电机速度（占空比）和方向通过调整电位器输入及改变ＬＰＣ２１０１　ＡＤＣ的输入数值来控制，如图４所示。

　　图４　系统配置

　　２．３　电机反馈部分

　　低功耗电机电流测量是在ＭＯＳＦＥＴ和地之间使用电流传感器（参见图４）。通过电流传感器的采样电阻检测微小电压；通过在微控制器的前端进行滤波和放大，电流采集总是在{zgj}别，在ＰＷＭ产生之前。这个操作通过外部定时器匹配中断，中断后先开始Ａ／Ｄ转换。转换数值代表了电机的电流。

　　低功耗无传感器电机旋转速度反馈是通过反馈的ＥＭＦ电压测量（参见图４）。反电动势是通过电机转子旋转磁场和外部电磁场产生的。换句话说，电机表现得像一个发电机。ＲＰＭ和反电动势电压是成直接正比关系的，反电动势测量是通过ＭＯＳＦＥＴ切换完成的（刹车模式）。本文中，ＢＥＭＦ测量用于检测电机是否xx停止。电压分压是用于满足反电动势电压（{zg}为１２Ｖ）在０～３．３　Ｖ间的。

　　３　无刷直流电机的应用

　　３．１　选用ＬＰＣ２１０２

　　ＬＰＣ２１０２（采用ＬＱＦＰ４８封装）是目前ＬＰＣ２０００系列ＡＲＭ７家族中最小、{zpy}的一款总线频率高达７０ＭＨｚ的３２位ＣＰＵ处理器；有２　ＫＢ的静态ＲＡＭ和８ＫＢ的片上Ｆｌａｓｈ存储区。对于使用ＵＳＢ、ＣＡＮ总线、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ以太网总线，可以选用ＬＰＣ２０００系列中更高级别的处理器。本文中ＬＰＣ２１０１，其ＣＰＵ使用代码空间为３ＫＢ，ＣＰＵ负载小于５％。没有使用内部外设资源如下：ＵＡＲＴ、Ｉ２Ｃ、ＳＰＩ／ＳＳＰ、ＲＴＣ、２个定时器和４个Ａ／Ｄ输入，２０个未用的Ｉ／Ｏ口可供用户扩展使用。

　　３．２　电机选择

　　设计选用１５０　Ｗ　ＭＡＸＯＮ　ＲＥ４０电机。在１２　Ｖ输入下，无负载的速度是６　９２０　ｒ／ｓ。{zd0}连续电流是６Ａ。ＰＷＭ时基信号对电机噪声有很大的影响（因为人耳一般能听到的声波的频率范围是２０　Ｈｚ～２０ｋＨｚ），同时影响电机的表现性能。要防止整个周期中电流过零（就是通常所说的不连续的电流状态，当电机轻载时），如图５（ｂ）所示。这种不连续电流会导致扭矩转速曲线非常陡，在电机中将产生某种脉冲，使电机转子产生更大的噪声，本电路使用ＭＡＸＯＮ电机，就是为了获得连续的电流模式，所选择的ＰＷＭ脉冲频率是８ｋＨｚ。

　　图５　ＰＷＭ时基频率的影响

　　３．３　ＭＯＳＦＥＴ选择

　　在系统中使用ＮＸＰ半导体ＰＨ１８７５Ｌ　Ｎ沟道ＭＯＳＦＥＴ，相关的电机电压是１２　Ｖ，电机启动的{zd0}电流是１０３　Ａ。作为１２Ｖ的电机，ＭＯＳＦＥＴ的电压Ｖｄｓ至少为４０Ｖ。需要足够的灌电流来启动电机，可以通过软件控制在系统运行过程中减小电流。ＰＨ１８７５Ｌ需要使用的{zd0}灌电流是４５．８　Ａ，漏电流是１８３Ａ。ＰＨ１８７５Ｌ的ＳＭＤ贴片封装如图６所示。

　　图６　ＳＯ６６９（ＬＦＰＡＫ）封装

　　３．４　ＭＯＳＦＥＴ驱动选择

　　ＭＯＳＦＥＴ驱动提升了控制器输出信号驱动电机的能力。本设计选择ＮＸＰ芯片ＰＭＤ２００１Ｄ和ＰＭＧＤ２８０ＵＮ，如图７所示。

　　图７　简化的ＭＯＳＦＥＴＭＯＳＦＥＴ全桥和半桥驱动电路

　　３．５　速度控制和方向控制

　　为了控制方向和电机速度，用１０　ｋΩ的电位器，连接到ＬＰＣ２１０１　ＡＤＣ输入端（参见图４）。由于是１０位Ａ／Ｄ，实际上只需要８位就可以采用２５６个步进数值，如图８所示。采用１０位Ａ／Ｄ可以达到１０２４个步进数值。

　　图８　电位器模拟速度输入和方向

　　４　硬件与软件设计

　　４．１　硬件设计

　　控制部分的电路原理如图９所示。电源和电机部分的电路原理如图１０所示。

　　图９　控制部分电路原理

　　图１０　电源和电机部分电路原理

　　４．２　软件设计

　　软件部分采用Ｃ语言编写，使用Ｋｅｉｌ　μＶｉｓｉｏｎ（ＡＲＭ７　ＲｅａｌＶｉｅｗ　Ｖ３．０）开发环境。主函数实现如下功能：读取电位器数值来调整速度和电机方向；读取电机反电动势电流；设定ＰＷＭ占空比和控制Ｑ１￣Ｑ４ＭＯＳＦＥＴ输出；执行ＲＳ２３２通信。图１１表示控制系统流程。使用ＲＳ２３２接口每２００ｍｓ给ＰＣ端计算机发送电机速度和电流、电压信息。电机控制软件部分状态机如图１２所示。状态处理是在主程序循环中处理的，ＬＰＣ２１０１的定时器２用于产生ＰＷＭ信号。在每个ＰＷＭ信号中断子程序进入后，可以通过改变占空比来调整既定电机速度并设置ＭＯＳＦＥＴ输出控制Ｑ１￣Ｑ４。定时器０用于１０ｍｓ的系统定时。

　　图１１　主程序流程

　　图１２　状态流程

　　ＬＰＣ２１０１配置使用Ｋｅｉｌ　ＡＲＭ开发环境中标准的启动代码，设定ＣＣＬＫ时钟为６０　ＭＨｚ，ＰＣＬＫ时钟为１５ＭＨｚ。相关测试代码包括ｍａｉｎ．ｃ，ａｄｃ．ｃ，ｔｉｍｅｒ０．ｃ，ｍｏｔｏｒ．ｃ，ｕａｒｔ．ｃ，ｂｃｄ．ｈ等。

　　５　总结

　　使用ＬＰＣ２１０１　ＡＲＭ７内核开发无刷电机控制系统，代码精简，控制系统可靠。经过长时间实际测量证明，系统相关器件的选型设计是稳定的。另外，目前增强型５１系列微处理器的价格、性能与ＬＰＣ２１系列相比较，ＬＰＣ２１系列功耗低，价格与普通８位机价格差不多，但是性能却比增强型５１系列好。比如，带Ｍｏｄｅｍ的双串口，双Ｉ２Ｃ接口，带大容量的Ｆｌａｓｈ和ＲＡＭ存储区，多通道ＰＷＭ，多个３２位定时器，高精度１０位Ａ／Ｄ转换器等。因此，从芯片设计和系统设计上，该无刷电机产品有一定的推广价值。

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