ARM LPC2101的無(wú)刷直流電機(jī)控制方案

　　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(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PWM匹配輸出特性，尤其適用于工業(yè)控制。

　　無(wú)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，它的使用范圍從大規(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)），外形和尺寸也是各種各樣。

　　1 無(wú)刷直流電機(jī)的基本原理

　　無(wú)刷直流電機(jī)一般由定子、轉(zhuǎn)子和金屬殼體等組成，如圖1所示，通過(guò)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(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，固定的刷子和轉(zhuǎn)子部分將不斷反復(fù)地連接、斷開(kāi)，電動(dòng)勢(shì)和反電動(dòng)勢(shì)在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)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(zhuǎn)子以一種固定的形式運(yùn)動(dòng)。通過(guò)給電機(jī)施加反向電壓和反向的轉(zhuǎn)子線圈電流，使南北極性翻轉(zhuǎn)，電機(jī)改變其運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)方向。

圖1 無(wú)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(chǎng)強(qiáng)度來(lái)控制的，而電機(jī)的旋轉(zhuǎn)能量是依賴于通過(guò)電流大小來(lái)控制的，因此調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)子的電壓和電流可以改變電機(jī)的速度。本電機(jī)速度的控制是根據(jù)LPC2101微控制器的PWM信號(hào)的變化而產(chǎn)生的。

　　2 無(wú)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(guò)全橋驅(qū)動(dòng)電路改變電流來(lái)實(shí)現(xiàn)完成，如圖2所示。這個(gè)全橋驅(qū)動(dòng)電路由N通道的MOSFET管組成，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 使用全橋電路雙向旋轉(zhuǎn)

　　2.2 速度控制部分

　　無(wú)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(guò)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)生這種電壓的變化，如圖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）根據(jù)LPC2101微控制器定時(shí)器2的3個(gè)匹配寄存器決定信號(hào)的時(shí)基頻率。電機(jī)速度（占空比）和方向通過(guò)調(diào)整電位器輸入及改變LPC2101 ADC的輸入數(shù)值來(lái)控制，如圖4所示。

圖4 系統(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和地之間使用電流傳感器（參見(jiàn)圖4）。通過(guò)電流傳感器的采樣電阻檢測(cè)微小電壓；通過(guò)在微控制器的前端進(jìn)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(guò)外部定時(shí)器匹配中斷，中斷后先開(kāi)始A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換數(shù)值代表了電機(jī)的電流。

　　低功耗無(wú)傳感器電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度反饋是通過(guò)反饋的EMF電壓測(cè)量（參見(jiàn)圖4）。反電動(dòng)勢(shì)是通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和外部電磁場(chǎng)產(chǎn)生的。換句話說(shuō)，電機(jī)表現(xiàn)得像一個(gè)發(fā)電機(jī)。RPM和反電動(dòng)勢(shì)電壓是成直接正比關(guān)系的，反電動(dòng)勢(shì)測(cè)量是通過(guò)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)是否完全停止。電壓分壓是用于滿足反電動(dòng)勢(shì)電壓（最高為12V）在0～3.3 V間的。

　　3 無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)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(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)于使用USB、CAN總線、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LPC2101，其CPU使用代碼空間為3KB，CPU負(fù)載小于5%。沒(méi)有使用內(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)展使用。