LPC2141的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 概 述

無刷直流電機(jī)是最常用的無刷電機(jī)。它易于驅(qū)動(dòng)，速度可調(diào)且工作壽命長(zhǎng)，適用于各類大小型工業(yè)應(yīng)用，諸如小型馬達(dá)的控制(如12 V直流無刷電機(jī))。

LPC2141是NXP公司推出的嵌入高速Flash閃存的32位ARM微控制器，具有高性能、小體積、低功耗、片上可選擇多種外設(shè)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍很廣。LPC2141包括多個(gè)32位定時(shí)器、10位ADC和PWM輸出功能，通過匹配PWM定時(shí)器的輸出，可以適合于各種工業(yè)控制；芯片上集成USB，可以通過USB接口連接PC GUI(圖形用戶界面)軟件，方便地控制電機(jī)。

本文基于LPC2141的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括NXP公司完整的電機(jī)控制系統(tǒng)解決方案(NXP公司的ARM微控制器、MOSFET驅(qū)動(dòng)器、MOSFET等)。無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。


2無刷直流電機(jī)原理

無刷直流電機(jī)由永磁轉(zhuǎn)子和三相定子組成，如圖2所示。無刷直流電動(dòng)機(jī)不使用電刷換相，而是采用電子換相。通常，3個(gè)霍爾傳感器用來檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，通過檢測(cè)這些傳感器的不同時(shí)序來?yè)Q相。


無刷直流電機(jī)控制(Brushless DC Motor Control，BLDC)馬達(dá)，比傳統(tǒng)的有刷直流電動(dòng)機(jī)和三相異步電動(dòng)機(jī)有更多的優(yōu)勢(shì)，提供更長(zhǎng)的使用壽命，具備更好的速度與轉(zhuǎn)矩特性、更低的噪聲和更寬的速度范圍。此外，由于電機(jī)的扭矩較大，對(duì)于矢量空間和重量起關(guān)鍵因素的場(chǎng)合更加實(shí)用。

在無刷直流電機(jī)中，電磁場(chǎng)不旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而永磁旋轉(zhuǎn)，三相定子繞組保持靜態(tài)。這可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問題，如何傳遞電流給運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子。為了解決這個(gè)問題，電刷換向器被智能電子控制器所取代。有刷直流電動(dòng)機(jī)中該控制器也執(zhí)行相同的功率分配，但使用的是電路控制，而不是一個(gè)換向器／刷系統(tǒng)。

電動(dòng)機(jī)的速度和扭矩取決于帶電繞組電機(jī)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的強(qiáng)度，磁場(chǎng)的強(qiáng)度又取決于通過的電流大小。因此，調(diào)整轉(zhuǎn)子電壓(或電流)將改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3無刷直流電機(jī)的控制

3.1轉(zhuǎn)子的控制

無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)必須考慮在轉(zhuǎn)子的不同位置施加不同的電壓，即必須正確控制三相繞組系統(tǒng)的電壓相序，以便使定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間的相角度始終接近90°，從而獲得最大的扭矩。因此，控制器需要一些控制策略來確定轉(zhuǎn)子的方向／位置(相對(duì)于定子線圈)。

本設(shè)計(jì)使用霍爾傳感器來直接測(cè)量轉(zhuǎn)子的位置(也有一些應(yīng)用中使用旋轉(zhuǎn)編碼器，或者在驅(qū)動(dòng)線圈中使用反電勢(shì)的方式)。當(dāng)一個(gè)傳感器輸出180°電角度的高電平時(shí)，其他傳感器輸出180°的低電平。3個(gè)傳感器兩兩有60°相角度差，因此很容易將傳感器的輪換分為6個(gè)階段(通過3位二進(jìn)制代碼表示)。圖3為三相橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖。表1則顯示了三相霍爾傳感器輸出電平值和實(shí)際的電機(jī)繞組MOS管驅(qū)動(dòng)換相之間的關(guān)系。