Cortex-M3的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言
傳統(tǒng)的直流電機(jī)以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性和調(diào)速性能在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，但機(jī)械電刷卻是它致命的弱點(diǎn)。電刷的存在帶來了一系列的問題，如機(jī)械摩擦、噪聲、電火花無線干擾，再加上壽命短、制造成本高及維修困難等缺點(diǎn)，從而大大限制了它的應(yīng)用范圍。直流無刷電動(dòng)機(jī)是利用電子換向裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械換向(電刷和換向器)的一種電動(dòng)機(jī)，既保持了有刷電機(jī)的優(yōu)良特性，又避免了電刷和換向器帶來的缺陷。本文以32位ARM Cortex-M3內(nèi)核的高性能微處理器LPC1766為核心，設(shè)計(jì)了直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)電路簡單，軟硬件開發(fā)方便，具有較高的性價(jià)比。

1 LPC1766簡介
微控制器采用LPC1700系列ARM芯片LPC1766。LPC1766微控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器，是為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高性能、低功耗的32位微處理器。其操作頻率高達(dá)120 MHz，采用3級(jí)流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，帶獨(dú)立的本地指令和數(shù)據(jù)總線以及用于外設(shè)的低性能的第3條總線，使得代碼執(zhí)行速度高達(dá)1．25 MIPS／MHz，并包含1個(gè)支持隨機(jī)跳轉(zhuǎn)的內(nèi)部預(yù)取指單元。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中，由于轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩均和電機(jī)電流有關(guān)，控制電機(jī)電流可以保證系統(tǒng)響應(yīng)快速性，故本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為無刷電機(jī)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

根據(jù)系統(tǒng)的控制框圖和實(shí)際需要，設(shè)計(jì)的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)主要由整流電路、智能功率模塊(Intelligent Power Module，IPM)、電壓和電流檢測(cè)與保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路、直流無刷電機(jī)位置信號(hào)檢測(cè)環(huán)節(jié)以及控制電路和其外圍電路組成，如圖2所示。

當(dāng)系統(tǒng)處在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，通過外部鍵盤向控制器發(fā)送運(yùn)行指令，并且載入運(yùn)行參數(shù)。根據(jù)外部檢測(cè)到的電機(jī)的位置信號(hào)以及電機(jī)所處的運(yùn)行狀態(tài)來改變控制器輸出的控制信號(hào)，從而調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。整流電路將220 V交流電變換為智能功率模塊所需的直流電。智能IPM模塊將整流電路整流輸出的直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟姽┙o電機(jī)。電壓檢測(cè)環(huán)節(jié)主要是實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的保護(hù)。電流檢測(cè)環(huán)節(jié)主要是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制和過流保護(hù)，從外部檢測(cè)到的電流信號(hào)經(jīng)過采樣后，送到控制單元，控制單元根據(jù)檢測(cè)電流的大小來調(diào)整電流調(diào)節(jié)器的輸出，當(dāng)出現(xiàn)過流故障時(shí)，電流檢測(cè)電路會(huì)向CPU發(fā)送一個(gè)過流信號(hào)。下面具體介紹系統(tǒng)硬件的一些主要模塊的設(shè)計(jì)。