摘 要: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，如電機穩定運行狀態機，降低電機噪聲，軟件防止電機陡轉等。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品上。
關鍵詞:LPC2101 ARM7 無刷直流電機控制 反電動勢 狀態機
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轉換器和每個定時器上PWM匹配輸出特性，尤其適用于工業控制。
無刷直流電機是一種易驅動電機，適用于變速和啟動轉矩很高的應用，它的使用范圍從大規模的工業模具到調光控制的小型電機（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、轉子和金屬殼體等組成，如圖1所示，通過反向極性的吸引產生扭矩使電機運轉。一旦轉子開始運轉，固定的刷子和轉子部分將不斷反復地連接、斷開，電動勢和反電動勢在轉子旋轉過程中產生，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子線圈電流，使南北極性翻轉，電機改變其運動旋轉方向。
速度和電機的扭矩大小是依據電機旋轉產生的磁場強度來控制的，而電機的旋轉能量是依賴于通過電流大小來控制的，因此調整電機轉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LPC2101微控制器的PWM信號的變化而產生的。
2 無刷直流電機的控制
2.1 雙向旋轉
圖2 使用全橋電路雙向旋轉
驅動有刷直流電機的雙向旋轉，可通過全橋驅動電路改變電流來實現完成，如圖2所示。這個全橋驅動電路由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;當Q1和Q4關閉時，Q2和Q3導通電機反相旋轉。
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。脈寬調制解調用于產生這種電壓的變化，如圖3所示。脈寬調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）和方向通過調整電位器輸入及改變LPC2101 ADC的輸入數值來控制，如圖4所示。
圖4 系統配置
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轉換。轉換數值代表了電機的電流。
低功耗無傳感器電機旋轉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子旋轉磁場和外部電磁場產生的。換句話說，電機表現得像一個發電機。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RAM和8 KB的片上Flash存儲區。對于使用USB、CAN總線、Ethernet以太網總線，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性能。要防止整個周期中電流過零（就是通常所說的不連續的電流狀態，當電機輕載時），如圖5（b）所示。這種不連續電流會導致扭矩轉速曲線非常陡，在電機中將產生某種脈沖，使電機轉子產生更大的噪聲，本電路使用MAXON電機，就是為了獲得連續的電流模式，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驅動選擇
MOSFET驅動提升了控制器輸出信號驅動電機的能力。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個步進數值，如圖8所示。采用10位A/D可以達到1 024個步進數值。#p#分頁標題#e#
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
圖10 電源和電機部分電路原理
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）開發環境。主函數實現如下功能：讀取電位器數值來調整速度和電機方向;讀取電機反電動勢電流;設定PWM占空比和控制Q1～Q4 MOSFET輸出;執行RS232通信。圖11表示控制系統流程。使用 RS232接口每200 ms給PC端計算機發送電機速度和電流、電壓信息。電機控制軟件部分狀態機如圖12所示。狀態處理是在主程序循環中處理的，LPC2101的定時器2用于產生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的系統定時。
圖11 主程序流程
圖12 狀態流程
LPC2101配置使用Keil ARM開發環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。
5 總結
使用LPC2101 ARM7內核開發無刷電機控制系統，代碼精簡，控制系統可靠。經過長時間實際測量證明，系統相關器件的選型設計是穩定的。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，多通道 PWM，多個32位定時器，高精度10位A/D轉換器等。因此，從芯片設計和系統設計上，該無刷電機產品有一定的推廣價值。
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