低成本ARM7LPC2101微處理器設(shè)計無刷直流電機(jī)的控制方案(一)教學(xué)文案

1、低成本 ARM7LPC2101微處理器設(shè)計無刷直流電機(jī)的控制方案(一)本文闡述使用低成本的ARM7LPC2101微處理器設(shè)計無刷直流電機(jī)的控制方案 ;詳細(xì)地介紹微處理器、 MOSFET驅(qū)動和 MOSFET的原理設(shè)計和程序流程，以及與電機(jī)保護(hù)相關(guān)的技術(shù)及處理方法，如電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)機(jī)，降低電機(jī)噪聲，軟件防止電機(jī)陡轉(zhuǎn)等。該方案可以應(yīng)用在打印機(jī)、電動自行車、潔牙機(jī)等電機(jī)控制產(chǎn)品上。LPC2101是基于 16/32 位 ARM7CPU嵌入高速 Flash 閃存的微控制器，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，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

2、 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。1 無刷直流電機(jī)的基本原理圖 1 無刷電機(jī)組成無刷直流電機(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

3、北極性翻轉(zhuǎn)，電機(jī)改變其運(yùn)動旋轉(zhuǎn)方向。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。2 無刷直流電機(jī)的控制2.1 雙向旋轉(zhuǎn)圖 2 使用全橋電路雙向旋轉(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)

4、。2.2 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 3PWM 速度控制PWM 信號（ Q1 和 Q2）根據(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 LPC2101ADC的輸入數(shù)值來控制，如圖4 所示。圖 4 系統(tǒng)配置2.3 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

5、（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 03.3V

6、間的。3 無刷直流電機(jī)的應(yīng)用3.1 選用 LPC2102LPC2102（采用 LQFP48封裝）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 2KB的靜態(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。3.2 電機(jī)選擇設(shè)計選用 150WMAXONRE40電機(jī)。在 12V 輸入下，無負(fù)載的速度是6920r/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（因為人耳一般能聽到的聲波的頻率范圍是20Hz20kHz），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） ，