ARM LPC2101的無刷直流電機控制方案

　　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，應(yīng)用范圍很廣。其具備的多種32位和16位定時器、10位A/D轉(zhuǎn)換器和每個定時器上PWM匹配輸出特性，尤其適用于工業(yè)控制。

　　無刷直流電機是一種易驅(qū)動電機，適用于變速和啟動轉(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（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(zhuǎn)子和金屬殼體等組成，如圖1所示，通過反向極性的吸引產(chǎn)生扭矩使電機運轉(zhuǎn)。一旦轉(zhuǎn)子開始運轉(zhuǎn)，固定的刷子和轉(zhuǎn)子部分將不斷反復(fù)地連接、斷開，電動勢和反電動勢在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中產(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動。通過給電機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)，電機改變其運動旋轉(zhuǎn)方向。

圖1 無刷電機組成

　　速度和電機的扭矩大小是依據(jù)電機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磁場強度來控制的，而電機的旋轉(zhuǎn)能量是依賴于通過電流大小來控制的，因此調(diào)整電機轉(zhuǎn)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(jù)LPC2101微控制器的PWM信號的變化而產(chǎn)生的。

　　2 無刷直流電機的控制

　　2.1 雙向旋轉(zhuǎn)

　　驅(qū)動有刷直流電機的雙向旋轉(zhuǎn)，可通過全橋驅(qū)動電路改變電流來實現(xiàn)完成，如圖2所示。這個全橋驅(qū)動電路由N通道的MOSFET管組成，當Q2和Q3關(guān)閉的時候，Q1和Q4導(dǎo)通電機正相旋轉(zhuǎn)；當Q1和Q4關(guān)閉時，Q2和Q3導(dǎo)通電機反相旋轉(zhuǎn)。

圖2 使用全橋電路雙向旋轉(zhuǎn)

　　2.2 速度控制部分

　　無負載的電機速度與加到電機上的電壓有一定的比例關(guān)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(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（Q1和Q2）根據(jù)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(diào)整電位器輸入及改變LPC2101 ADC的輸入數(shù)值來控制，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)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(chǎn)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(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換數(shù)值代表了電機的電流。

　　低功耗無傳感器電機旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場和外部電磁場產(chǎn)生的。換句話說，電機表現(xiàn)得像一個發(fā)電機。RPM和反電動勢電壓是成直接正比關(guān)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(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70MHz的32位CPU處理器；有2 KB的靜態(tài)RAM和8KB的片上Flash存儲區(qū)。對于使用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(nèi)部外設(shè)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。