基于Cortex-M3內(nèi)核MCU的BLDCM控制器研究

摘要：用Cortex-M3內(nèi)核32位高性能MCU設(shè)計(jì)一款通用性、控制性較好，性價(jià)比較高的BLDCM控制器。根據(jù)BLDCM的工作原理和MCU的良好性能進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)BLDCM的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了控制器的各項(xiàng)性能。該款基于32位MCU的控制器性能良好，結(jié)構(gòu)緊湊，性價(jià)比高，具有較高實(shí)用價(jià)值。結(jié)合應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，API函數(shù)支持下Cortex-M3內(nèi)核的MCU在硬件控制和軟件編程方面較以往單片機(jī)等具有優(yōu)勢(shì)，基于API函數(shù)支持的MCU應(yīng)用將是未來(lái)趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：Stellaris；LM3S615；BLDCM；雙閉環(huán)；實(shí)驗(yàn)測(cè)試

Luminary Micro的Stellaris(群星)系列MCU以其32位的性能和低至1美元的價(jià)格在微控制器領(lǐng)域表現(xiàn)出了卓越的優(yōu)勢(shì)，其中的LM3S615便包含ARM公司最新推出的針對(duì)微控制器應(yīng)用的Cortex-M3內(nèi)核，另含10位兩通道ADC，6路帶死區(qū)PWM，6路CCP，3個(gè)模擬比較器、1個(gè)低壓差線性穩(wěn)壓器、2個(gè)完全可編程的16C550-type UART、同步串行接口(SSI)、3個(gè)通用Timer，I2C、溫度傳感器等片內(nèi)外設(shè)，以及32KBFLASH、8KB SR AM、高達(dá)34個(gè)GPIO管腳。它有豐富靈活的外設(shè)驅(qū)動(dòng)庫(kù)函數(shù)及例程支持編程，可方便用于步進(jìn)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)(BLDCM)、交流電機(jī)控制。
本文針對(duì)內(nèi)含霍爾位置檢測(cè)傳感器的BLDCM，選用LM3S615設(shè)計(jì)一款通用性和控制性較好BLDCM控制器，并經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)其基本性能進(jìn)行了多方面測(cè)試。

1 BLDCM的工作原理
無(wú)刷直流電機(jī)由電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和逆變供電電路3大部分組成。電機(jī)本體包括定子(電樞)和轉(zhuǎn)子兩部分，定子一般為多相繞組，轉(zhuǎn)子由永磁材料按一定極對(duì)數(shù)組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子在電樞氣隙磁場(chǎng)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，同時(shí)位置檢測(cè)傳感器將不斷檢測(cè)所得轉(zhuǎn)子位置信息反饋給控制器，控制器通過(guò)運(yùn)算送出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變電路中的功率開(kāi)關(guān)器件輪流導(dǎo)通，電樞繞組輪流通電，氣隙磁場(chǎng)不斷跳躍步進(jìn)，轉(zhuǎn)子就不斷旋轉(zhuǎn)。控制器用以驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件的多為PWM信號(hào)，改變PWM的信號(hào)占空比可改變電樞的平均端電壓，進(jìn)而可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)的PWM信號(hào)邏輯關(guān)系要正確并應(yīng)避免上、下橋臂直通。

2 基于LM3S615的BLDCM控制器的構(gòu)成原理
基于LM3S615的BLDCM控制器結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖1。

2．1 主要硬件組成及原理
原理圖1同時(shí)給出了系統(tǒng)硬件組成及主要I／O分配。控制器對(duì)應(yīng)的為三相無(wú)刷直流電機(jī)，電樞Y型接法，采用三相兩通六狀態(tài)供電方式和H_PWM，L_on單極性逆變橋控制(即繞組通電時(shí)下橋臂管一直導(dǎo)通，上橋臂管PWM調(diào)制)方式，這也能降低雙極性PWM控制帶來(lái)的較高開(kāi)關(guān)損耗和噪音。
控制器通過(guò)ADC0通道(1#引腳)前端電位器設(shè)定轉(zhuǎn)速，對(duì)應(yīng)的10位A／D轉(zhuǎn)換器會(huì)將轉(zhuǎn)速設(shè)定值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并保存在特定存儲(chǔ)單元中，此后系統(tǒng)啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)所需轉(zhuǎn)速設(shè)定值從該單元讀出，不需經(jīng)常讀入和A／D轉(zhuǎn)換。LCD為能顯示16×2個(gè)字符的1602。它能實(shí)用來(lái)實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)速設(shè)定值、當(dāng)前轉(zhuǎn)速值，系統(tǒng)故障代碼以及在設(shè)定P，I時(shí)顯示參數(shù)，圖2為1602與MCU的連接圖，圖中電位器可用于調(diào)節(jié)背光；通過(guò)啟動(dòng)和停止按鍵控制電機(jī)啟停；設(shè)定按鍵四次按下可選擇設(shè)定兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器的4個(gè)參數(shù)(即ASR和ACR的P、I參數(shù))，增加和減小按鍵以0．1步距改變參數(shù)，設(shè)定；增加、減小3個(gè)按鍵在電機(jī)停止時(shí)可用，在運(yùn)行期間無(wú)效，控制器的5個(gè)按鍵均通過(guò)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121后再接MCU的GPI0引腳，對(duì)這5個(gè)GPIO引腳可通過(guò)GPIO函數(shù)將工作方式設(shè)定為中斷；內(nèi)嵌于電機(jī)的霍爾傳感器能將轉(zhuǎn)子位置轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)并送給MCU，表1給出了3路霍爾信號(hào)邏輯組合及正反轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的功率器件導(dǎo)通順序。