ARM LPC2101的无刷直流电机控制方案 （上）

liyf

  
         
   
摘要 阐述使用低成本的ARM7 LPC2101微处理器设计无刷直流电机的控制方案；详细地介绍微处理器、MOSFET驱动和MOSFET的原理设计和程序流程，以及与电机保护相关的技术及处理方法，如电机稳定运行状态机，降低电机噪声，软件防止电机陡转等。该方案可以应用在打印机、电动自行车、洁牙机等电机控制产品上。
关键词 LPC2101 ARM7 无刷直流电ARM LPC2101的无刷直流电机控制方案 机控制 反电动势 状态机
　　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，应用范围很广。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（12 V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
  


图1  无刷电机组成
　　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，通过反向极性的吸引产生扭矩使电机运转。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。
　　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



图2  使用全桥电路双向旋转
　　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。
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，电流采集总是在最高级别，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完全停止。电压分压是用于满足反电动势电压（最高为12 V）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、最便宜的一款总线频率高达70 MHz的32位CPU处理器；有2 KB的静态RAM和8 KB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3 KB，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。最大连续电流是6 A。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～20 kHz)，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8 kHz。



图5  PWM时基频率的影响

         
          [/td]
        [/tr]