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(多图) ARM LPC2101的无刷直流电机控制方案

单片机与嵌入式系统应用/作者:北京建筑工程学院 周渡海 武汉理工大学 邓颖 叶庆云 北京瑞萨科技 何此昂?? 2008年06月20日 ?? 收藏1

  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(12V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

  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。

无刷电机组成

图1 无刷电机组成

  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

  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。

使用全桥电路双向旋转

图2 使用全桥电路双向旋转

  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。

PWM速度控制

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。

系统配置

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12V)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70MHz的32位CPU处理器;有2 KB的静态RAM和8KB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3KB,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。


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