Cortex-M3的直流無刷電機控制系統(tǒng)的設計

引言
傳統(tǒng)的直流電機以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性和調(diào)速性能在運動系統(tǒng)中有著廣泛的應用，但機械電刷卻是它致命的弱點。電刷的存在帶來了一系列的問題，如機械摩擦、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，從而大大限制了它的應用范圍。直流無刷電動機是利用電子換向裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械換向(電刷和換向器)的一種電動機，既保持了有刷電機的優(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，設計了直流無刷電機控制系統(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)應用而設計的高性能、低功耗的32位微處理器。其操作頻率高達120 MHz，采用3級流水線和哈佛結構，帶獨立的本地指令和數(shù)據(jù)總線以及用于外設的低性能的第3條總線，使得代碼執(zhí)行速度高達1．25 MIPS／MHz，并包含1個支持隨機跳轉(zhuǎn)的內(nèi)部預取指單元。

2 控制系統(tǒng)硬件設計
無刷直流電機驅(qū)動控制系統(tǒng)中，由于轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩均和電機電流有關，控制電機電流可以保證系統(tǒng)響應快速性，故本系統(tǒng)設計為無刷電機的雙閉環(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)的控制框圖和實際需要，設計的直流無刷電機控制系統(tǒng)主要由整流電路、智能功率模塊(Intelligent Power Module，IPM)、電壓和電流檢測與保護電路、驅(qū)動電路、直流無刷電機位置信號檢測環(huán)節(jié)以及控制電路和其外圍電路組成，如圖2所示。

當系統(tǒng)處在運行狀態(tài)時，通過外部鍵盤向控制器發(fā)送運行指令，并且載入運行參數(shù)。根據(jù)外部檢測到的電機的位置信號以及電機所處的運行狀態(tài)來改變控制器輸出的控制信號，從而調(diào)整電機的運行狀態(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。電壓檢測環(huán)節(jié)主要是實現(xiàn)電機運行時的保護。電流檢測環(huán)節(jié)主要是實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制和過流保護，從外部檢測到的電流信號經(jīng)過采樣后，送到控制單元，控制單元根據(jù)檢測電流的大小來調(diào)整電流調(diào)節(jié)器的輸出，當出現(xiàn)過流故障時，電流檢測電路會向CPU發(fā)送一個過流信號。下面具體介紹系統(tǒng)硬件的一些主要模塊的設計。