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LPC2101是基于16/32位 ARM7CPU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（12V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 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。 圖1 無刷電機組成 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 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。 圖2 使用全橋電路雙向旋轉 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12V）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70MHz的32位CPU處理器；有2 KB的靜態RAM和8KB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3KB，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。 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6A。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～20kHz)，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8kHz。 
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12V的電機,MOSFET的電壓Vds至少為40V。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183A。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LPC2101ADC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1024個步進數值。
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（ARM7RealView 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~Q4MOSFET輸出；執行RS232通信。圖11表示控制系統流程。使用RS232接口每200ms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10ms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15MHz。相關測試代碼包括 main.c,adc.c,timer0.c,motor.c,uart.c,bcd.h等。 相關代碼見本刊網站http://www.mesnet.com.cn/——編者注。 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。 |
