ARM LPC2101的無刷直流電機控制設計方案

闡述使用低成本的ARM7 LPC2101微處理器設計無刷直流電機的控制方案；詳細地介紹微處理器、MOSFET驅(qū)動和MOSFET的原理設計和程序流程，以及與電機保護相關的技術及處理方法，如電機穩(wěn)定運行狀態(tài)機，降低電機噪聲，軟件防止電機陡轉(zhuǎn)等。該方案可以應用在打印機、電動自行車、潔牙機等電機控制產(chǎn)品上。

關鍵詞 LPC2101 ARM7 無刷直流電機控制 反電動勢 狀態(tài)機

　　LPC2101是基于16/32位 ARM7 CPU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等優(yōu)點，應用范圍很廣。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。

　　無刷直流電機是一種易驅(qū)動電機，適用于變速和啟動轉(zhuǎn)矩很高的應用，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（12 V直流電機），外形和尺寸也是各種各樣。

1? 無刷直流電機的基本原理

圖1? 無刷電機組成

　　無刷直流電機一般由定子、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)生扭矩使電機運轉(zhuǎn)。一旦轉(zhuǎn)子開始運轉(zhuǎn)，固定的刷子和轉(zhuǎn)子部分將不斷反復地連接、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動。通過給電機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)，電機改變其運動旋轉(zhuǎn)方向。

　　速度和電機的扭矩大小是依據(jù)電機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磁場強度來控制的，而電機的旋轉(zhuǎn)能量是依賴于通過電流大小來控制的，因此調(diào)整電機轉(zhuǎn)子的電壓和電流可以改變電機的速度。本電機速度的控制是根據(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Q2和Q3關閉的時候，Q1和Q4導通電機正相旋轉(zhuǎn)；當Q1和Q4關閉時，Q2和Q3導通電機反相旋轉(zhuǎn)。

2.2? 速度控制部分

　　無負載的電機速度與加到電機上的電壓有一定的比例關系，因此通過采樣加載到電機上的電壓，可以控制電機的速度。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。加載到電機上的平均電壓與PWM占空比成正比關系。

圖3? PWM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

2.3? 電機反饋部分

　　低功耗電機電流測量是在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)值代表了電機的電流。

　　低功耗無傳感器電機旋轉(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轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場和外部電磁場產(chǎn)生的。換句話說，電機表現(xiàn)得像一個發(fā)電機。RPM和反電動勢電壓是成直接正比關系的，反電動勢測量是通過MOSFET切換完成的（剎車模式）。本文中，BEMF測量用于檢測電機是否完全停止。電壓分壓是用于滿足反電動勢電壓（最高為12 V）在0～3.3 V間的。

3? 無刷直流電機的應用

3.1? 選用LPC2102

　　LPC2102（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70 MHz的32位CPU處理器；有2 KB的靜態(tài)RAM和8 KB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3 KB，CPU負載小于5%。沒有使用內(nèi)部外設資源如下：UART、I2C、SPI/SSP、RTC、2個定時器和4個A/D輸入，20個未用的I/O口可供用戶擴展使用。

3.2? 電機選擇

　　設計選用150 W MAXON RE40電機。在12 V輸入下，無負載的速度是6 920 r/s。最大連續(xù)電流是6 A。PWM時基信號對電機噪聲有很大的影響（因為人耳一般能聽到的聲波的頻率范圍是20 Hz～20 kHz)，同時影響電機的表現(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)，當電機輕載時），如圖5（b）所示。這種不連續(xù)電流會導致扭矩轉(zhuǎn)速曲線非常陡，在電機中將產(chǎn)生某種脈沖，使電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生更大的噪聲，本電路使用MAXON電機，就是為了獲得連續(xù)的電流模式，所選擇的PWM脈沖頻率是8 kHz。

圖5? PWM時基頻率的影響

3.3? MOSFET選擇

　　在系統(tǒng)中使用NXP半導體PH1875L N溝道MOSFET，相關的電機電壓是12 V，電機啟動的最大電流是103 A。作為12 V的電機,MOSFET的電壓Vds至少為40 V。需要足夠的灌電流來啟動電機，可以通過軟件控制在系統(tǒng)運行過程中減小電流。PH1875L需要使用的最大灌電流是45.8 A，漏電流是183 A。PH1875L的SMD貼片封裝如圖6所示。

圖6? SO669（LFPAK）封裝

3.4? MOSFET驅(qū)動選擇

　　MOSFET驅(qū)動提升了控制器輸出信號驅(qū)動電機的能力。本設計選擇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速度，用10 kΩ的電位器，連接到LPC2101 ADC輸入端（參見圖4）。由于是10位A/D，實際上只需要8位就可以采用256個步進數(shù)值，如圖8所示。采用10位A/D可以達到1 024個步進數(shù)值。

圖8? 電位器模擬速度輸入和方向

4? 硬件與軟件設計

4.1? 硬件設計

　　控制部分的電路原理如圖9所示。電源和電機部分的電路原理如圖10所示。

圖9? 控制部分電路原理

4.2? 軟件設計

　　軟件部分采用C語言編寫，使用Keil μVision（ARM7 RealView V3.0）開發(fā)環(huán)境。主函數(shù)實現(xiàn)如下功能： 讀取電位器數(shù)值來調(diào)整速度和電機方向；讀取電機反電動勢電流；設定PWM占空比和控制Q1~Q4 MOSFET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200 ms給PC端計算機發(fā)送電機速度和電流、電壓信息。電機控制軟件部分狀態(tài)機如圖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信號中斷子程序進入后，可以通過改變占空比來調(diào)整既定電機速度并設置MOSFET輸出控制Q1~Q4。定時器0用于10 ms的系統(tǒng)定時。

圖10? 電源和電機部分電路原理

圖11? 主程序流程

　　LPC2101配置使用Keil ARM開發(fā)環(huán)境中標準的啟動代碼，設定CCLK時鐘為60 MHz，PCLK時鐘為15 MHz。相關測試代碼包括main.c,adc.c,timer0.c,motor.c,uart.c,bcd.h等。

　　相關代碼見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn——編者注。

5? 總結(jié)

　　使用LPC2101 ARM7內(nèi)核開發(fā)無刷電機控制系統(tǒng)，代碼精簡，控制系統(tǒng)可靠。經(jīng)過長時間實際測量證明，系統(tǒng)相關器件的選型設計是穩(wěn)定的。另外，目前增強型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位機價格差不多，但是性能卻比增強型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，從芯片設計和系統(tǒng)設計上，該無刷電機產(chǎn)品有一定的推廣價值。

圖12? 狀態(tài)流程