ARM LPC2101的無刷直流電機(jī)控制方案

1、arm lpc2101的無刷直流電機(jī)控制方案lpc2101是基于16/32位 7cpu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，片上可挑選多種外設(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(shí)器、10位a/d轉(zhuǎn)換器和每個(gè)定時(shí)器上匹配輸出特性，尤其適用于工業(yè)控制。無刷直流電機(jī)是一種易驅(qū)動(dòng)電機(jī)，適用于變速和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩很高的應(yīng)用，它的用法范圍從大規(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)），形狀和尺寸也是各式各樣。1 無刷直流電機(jī)的基本原理無刷直流電機(jī)普通由定子、轉(zhuǎn)子和金屬殼體等組成，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)子開頭運(yùn)轉(zhuǎn)，固定的刷子和轉(zhuǎn)子

2、部分將不斷反復(fù)地銜接、斷開，電動(dòng)勢(shì)和反電動(dòng)勢(shì)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。因?yàn)檫@種變換是固定的，因此轉(zhuǎn)子以一種固定的形式運(yùn)動(dòng)。通過給電機(jī)施加反向和反向的轉(zhuǎn)子線圈，使南北極性翻轉(zhuǎn)，電機(jī)轉(zhuǎn)變其運(yùn)動(dòng)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)能量是依靠于通過電流大小來控制的，因此調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)子的電壓和電流可以轉(zhuǎn)變電機(jī)的速度。本電機(jī)速度的控制是按照lpc2101微控制器的pwm信號(hào)的變幻而產(chǎn)生的。2 無刷直流電機(jī)的控制2.1 雙向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)有刷直流電機(jī)的雙向旋轉(zhuǎn)，可通過全橋驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變電流來實(shí)現(xiàn)完成，2所示。這個(gè)全橋驅(qū)動(dòng)電路由n通道的管

3、組成，當(dāng)q2和q3關(guān)閉的時(shí)候，q1和q4導(dǎo)通電機(jī)正相旋轉(zhuǎn)；當(dāng)q1和q4關(guān)閉時(shí)，q2和q3導(dǎo)通電機(jī)反相旋轉(zhuǎn)。圖2 用法全橋電路雙向旋轉(zhuǎn)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)生這種電壓的變幻，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 pwm速度控制pwm信號(hào)（q1和q2）按照lpc2101微控制器定時(shí)器2的3個(gè)匹配寄存器打算信號(hào)的時(shí)基頻率。電機(jī)速度（占空比）和方向通過調(diào)節(jié)電位器輸入及轉(zhuǎn)變lpc2101 的輸入數(shù)值來控制，4所示。圖4 系

4、統(tǒng)配置2.3 電機(jī)反饋部分低功耗電機(jī)電流測(cè)量是在mosfet和地之間用法電流（參見圖4）。通過電流傳感器的采樣檢測(cè)極小電壓；通過在微控制器的前端舉行濾波和放大，電流采集總是在最高級(jí)別，在pwm產(chǎn)生之前。這個(gè)操作通過外部定時(shí)器匹配中斷，中斷后先開頭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(cè)量（參見圖4）。反電動(dòng)勢(shì)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(gè)發(fā)電機(jī)。rpm和反電動(dòng)勢(shì)電壓是成挺直正比關(guān)系的，反電動(dòng)勢(shì)測(cè)量是通過mosfet切換完成的（剎車模式）。本文中，bemf測(cè)量用于檢測(cè)電機(jī)是否徹低停止。電壓分壓是用于滿足反電

5、動(dòng)勢(shì)電壓（最高為12v）在03.3 v間的。3 無刷直流電機(jī)的應(yīng)用3.1 選用lpc2102lpc2102（采納lqfp48封裝）是目前l(fā)pc2000系列arm7家族中最小、最廉價(jià)的一款頻率高達(dá)70mhz的32位cpu處理器；有2 kb的靜態(tài)ram和8kb的片上flash存儲(chǔ)區(qū)。對(duì)于用法、ethernet以太網(wǎng)總線，可以選用lpc2000系列中更高級(jí)別的處理器。本文中l(wèi)pc2101，其cpu用法代碼空間為3kb，cpu負(fù)載小于5%。沒有用法內(nèi)部外設(shè)資源如下：uart、i2c、spi/ssp、rtc、2個(gè)定時(shí)器和4個(gè)a/d輸入，20個(gè)未用的i/o口可供用戶擴(kuò)展用法。設(shè)計(jì)選用150 w maxon re40電機(jī)。在12 v輸入下，無負(fù)載的速度是6 920 r/s。最大延續(xù)電流是6a。pwm時(shí)基信號(hào)對(duì)電機(jī)噪聲有很大的影響（由于人耳普通能聽到的聲波的頻率范圍是20 hz20khz)，同時(shí)影響電機(jī)的表現(xiàn)性能。要防止囫圇周期中電流過零（就是通常所說的不延續(xù)的電流狀態(tài)，當(dāng)電機(jī)輕載時(shí)），5（b）所示。這種不延續(xù)電流會(huì)導(dǎo)致扭矩轉(zhuǎn)