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1、低成本 ARM7LPC2101微处理器设计无刷直流电机的控制方案(一)本文阐述使用低成本的ARM7LPC2101微处理器设计无刷直流电机的控制方案 ;详细地介绍微处理器、 MOSFET驱动和 MOSFET的原理设计和程序流程，以及与电机保护相关的技术及处理方法，如电机稳定运行状态机，降低电机噪声，软件防止电机陡转等。该方案可以应用在打印机、电动自行车、洁牙机等电机控制产品上。LPC2101是基于 16/32 位 ARM7CPU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
2、 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图 1 无刷电机组成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
3、北极性翻转，电机改变其运动旋转方向。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 双向旋转图 2 使用全桥电路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
4、。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。图 3PWM 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 LPC2101ADC的输入数值来控制，如图4 所示。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
5、（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 03.3V
6、间的。3 无刷直流电机的应用3.1 选用 LPC2102LPC2102（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 2KB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。3.2 电机选择设计选用 150WMAXONRE40电机。在 12V 输入下，无负载的速度是6920r/s。最大连续电流是 6A。PWM 时基信号对电机噪声有很大的影响（因为人耳一般能听到的声波的频率范围是20Hz20kHz），同时影响电机的表现性能。要防止整个周期中电流过零（就是通常所说的不连续的电流状态，当电机轻载时） ，如图 5（b）所示。这种不连续电流会导致扭矩转速曲线非常陡，在电机中将产生某种脉冲，使电机转子产生更大的噪声， 本电路使用 MAXON电机，就是为了获得连续的电流模式，所选择的PWM 脉冲频率是 8kHz。