基于LPC2210的無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制

摘要：文中從硬件和軟件兩個(gè)方面具體介紹了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，基于LPC2210豐富而強(qiáng)大的控制功能，以LPC2210為主控芯片設(shè)計(jì)的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)性好和可靠性高的特點(diǎn);同時(shí)采用uC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，不僅使多任務(wù)程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，也使電機(jī)可以應(yīng)用在復(fù)雜的需要處理多任務(wù)的場(chǎng)合。

關(guān)鍵詞：LPC2210;無刷直流電動(dòng)機(jī);uC/OS-Ⅱ;ARM

無刷直流電動(dòng)機(jī)不僅繼承了直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速和啟動(dòng)特性好，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點(diǎn)，而且由于利用電子開關(guān)線路和位置傳感器代替了換向器電刷裝置，使得電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，電機(jī)的精度、性能和可靠性也都有了很大提高，因此，無刷直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用十分廣泛，尤其是在高級(jí)電子設(shè)備、機(jī)器人、航空航天技術(shù)、數(shù)控裝置、醫(yī)療化工等高新領(lǐng)域，對(duì)無刷電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究也具有重要意義。

1 無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

無刷直流電動(dòng)機(jī)由三部分組成，分別是電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)線路，它的原理圖如圖1所示，直流電源通過開關(guān)線路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器可檢測(cè)到轉(zhuǎn)子位置并提供相應(yīng)信號(hào)去觸發(fā)開關(guān)線路中的功率開關(guān)元件使之導(dǎo)通或關(guān)斷，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中電動(dòng)機(jī)本體是由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，定子是電動(dòng)機(jī)的電樞，定子鐵心中安放著對(duì)稱的多相繞組，可接成星形或封閉形，各項(xiàng)繞組分別與電子開關(guān)線路中的相應(yīng)晶體管相連接。電子開關(guān)線路有橋式和非橋式兩種。轉(zhuǎn)子是由永磁材料制成的有一定極對(duì)數(shù)的永磁體，主要有凸極式和內(nèi)嵌式兩種。位置傳感器是電機(jī)系統(tǒng)的重要部件，其作用是檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相對(duì)于定子繞組的位置，常見的位置傳感器有電磁式、光電式和霍爾元件。

本文中的無刷直流電機(jī)采用i相星形橋式接法，如圖3所示。

通過控制晶體管的通斷，給定子繞組加電，每一時(shí)刻有兩相繞組導(dǎo)通，另一相繞組斷開，從而產(chǎn)生不同方向的定子磁場(chǎng)，若定子磁場(chǎng)的方向超前轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)90°電角度，則定子磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)產(chǎn)生正的電磁轉(zhuǎn)矩，電機(jī)正轉(zhuǎn)。若電子磁場(chǎng)的方向滯后轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)90°電角度，電機(jī)反轉(zhuǎn)。要使電機(jī)能夠同步運(yùn)行并產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，需要保持定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在空間上的相對(duì)靜止，使得產(chǎn)生的定子磁場(chǎng)的方向根據(jù)轉(zhuǎn)子位置的變化而變化。所以，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的方向是連續(xù)變化的，而定子磁場(chǎng)的方向是跳躍的。

轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)一周的時(shí)間里，轉(zhuǎn)子位置傳感器把每一時(shí)刻轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)送到控制器中，控制器由此控制晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷，使定子三相繞組的其中兩相導(dǎo)通，產(chǎn)生相應(yīng)的定子磁場(chǎng)，因此，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，定子磁場(chǎng)的方向會(huì)相應(yīng)的改變6次，以保證定子磁場(chǎng)的方向和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向相對(duì)靜止。

電樞繞組電流的跳變使得定子磁場(chǎng)是跳變的，但是轉(zhuǎn)子磁勢(shì)是連續(xù)變化的，這兩個(gè)磁勢(shì)的平均速度相等，具有恒定的平均電磁轉(zhuǎn)矩，但是瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩與速度是不相等的，因此存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分量。

從以上無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理可知，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，通過控制6個(gè)MOSFET構(gòu)成的三相橋式逆變器為電樞供電，當(dāng)兩項(xiàng)導(dǎo)通時(shí)，另一項(xiàng)斷開。在一個(gè)周期內(nèi)，無刷直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)的位置傳感器輸出6種有效的狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子的不同位置。再結(jié)合換向邏輯，對(duì)連接到三相定子繞組的逆變器的6個(gè)MOSFET進(jìn)行開關(guān)控制，使三相定子繞組按照一定順序依次通電，以滿足轉(zhuǎn)矩角要求，使轉(zhuǎn)子能在持續(xù)平穩(wěn)的磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過調(diào)節(jié)定子繞組的輸入電壓的平均值實(shí)現(xiàn)，因此可采用PWM調(diào)節(jié)控制。

2 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用雙閉環(huán)的控制策略，如圖4所示，外環(huán)為速度環(huán)，由電機(jī)位置檢測(cè)得到的信號(hào)經(jīng)控制器計(jì)算得出轉(zhuǎn)速，與給定轉(zhuǎn)速相比得出差值，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)得到下一步的電流值。內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，根據(jù)檢測(cè)得到的反饋電流信號(hào)與給定的電流信號(hào)比較，其差值通過一定的PID算法，得到新的參考電流，去控制下一步的PWM占空比。

電機(jī)的控制系統(tǒng)的控制器選用LPC2210，LPC2210采用ARM7TDMI內(nèi)核，低功耗，可以運(yùn)行多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(如uC/OS-Ⅱ)具有6個(gè)單邊沿控制(或3個(gè)雙邊沿控制)PWM輸出，8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，2個(gè)32位定時(shí)器，分別具有3路和4路32位的捕獲通道。電機(jī)控制原理圖如圖5所示。電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分。

1)驅(qū)動(dòng)電路，LPC2210控制器輸出PWM信號(hào)需要經(jīng)過信號(hào)放大再去驅(qū)動(dòng)逆變器，驅(qū)動(dòng)電路采用IR2130，其偏置電壓可達(dá)到600 V，驅(qū)動(dòng)電流200～420 mA，而且6路驅(qū)動(dòng)只需要1個(gè)+15～20 V直流電壓電源，功率開關(guān)管選用IRG4PH40K，它是N溝道增強(qiáng)型IGBT。為了使電路有良好的電磁兼容使用光耦隔離器TLP521，它是三路位置信號(hào)的光耦隔離。

霍爾元件根據(jù)轉(zhuǎn)子現(xiàn)在所處的位置發(fā)出的位置狀態(tài)信息，LPC2210接收到位置信息后，發(fā)出相應(yīng)電樞電流換向信號(hào)，經(jīng)過光藕隔離，電樞電流換向信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路再去驅(qū)動(dòng)功率管，而功率管的負(fù)載就是無刷直流電動(dòng)機(jī)的電樞了，這樣電樞電流換向信號(hào)就可以控制加到無刷直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓和電流，這時(shí)電樞產(chǎn)生的磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁勢(shì)相互作用使轉(zhuǎn)子不停的旋轉(zhuǎn)。

2)保護(hù)電路，全橋逆變器中最害怕的是逆變器的上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通，這時(shí)驅(qū)動(dòng)電路就處于短路狀態(tài)，橋臂上驅(qū)動(dòng)功率管會(huì)因?yàn)殡娏鬟^大而瞬間燒毀，所以在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路方面，在這個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)中加入了一個(gè)電流反饋電路，對(duì)功率管電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若電機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)電流過大，LPC2210處理器通過A/D采集到這個(gè)信號(hào)后馬上禁止PWM輸出，使逆變器的上下橋臂就處于關(guān)斷狀態(tài)。同時(shí)，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每一相電樞電流，相應(yīng)調(diào)整PWM輸出的占空比可以達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

3)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)。在一個(gè)周期內(nèi)，無刷直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)的位置傳感器輸出6種有效的狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子的不同位置。轉(zhuǎn)換成換向邏輯，LP C2210的GPIO口通過讀取換向邏輯知道轉(zhuǎn)子的位置。當(dāng)輸入信號(hào)跳變時(shí)，LPC2210的定時(shí)器可選擇使捕獲事件產(chǎn)生中斷，而進(jìn)行中斷處理換向。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用uC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)，本系統(tǒng)代碼精簡(jiǎn)，可移植性好，多任務(wù)，搶先式，很適合做電機(jī)控制。

中斷服務(wù)程序是軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，主要包括獲取轉(zhuǎn)子位置信息(電樞電流換向)，對(duì)電樞電流的采樣，輸出PWM信號(hào)以及過電流保護(hù)程序。

1)通過讀取連接電機(jī)位置傳感器的LPC2210 GPIO口可以獲得轉(zhuǎn)子的位置信息，當(dāng)IO口的當(dāng)前狀態(tài)和前一讀取的狀態(tài)一樣，說明電樞電流的方向還不需要改變，保持PWM信號(hào)輸出不變。當(dāng)IO口的當(dāng)前狀態(tài)發(fā)生了變化，就需要改變電樞電流的方向了，LPC2210的定時(shí)器可以捕獲輸入霍爾傳感器的信號(hào)而產(chǎn)生換向處理中斷。

2)通過電流傳感器獲取電樞電流大小，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，控制器通過把轉(zhuǎn)換值與設(shè)定值比較，若電流比預(yù)定的大就要減小輸出PWM信號(hào)占空比的值，反之就要增大占空比的值，若電流大小超過的電樞電流的極限值，就產(chǎn)生最高級(jí)別的中斷申請(qǐng)，禁止PWM輸出，起到保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路的目的。

系統(tǒng)軟件主程序主要完成系統(tǒng)初始化和雙閉環(huán)PI參數(shù)的設(shè)定，電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算和電機(jī)啟動(dòng)停止控制等功能。主程序流程圖如圖6所示。

4 結(jié)束語

以LPC2210芯片為核心的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，硬件電路簡(jiǎn)單可靠，采用不同優(yōu)先級(jí)的中斷服務(wù)，保證了電機(jī)工作實(shí)時(shí)性和可靠性。基于uC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的支持，本控制系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，可根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建新任務(wù)。同時(shí)軟件設(shè)計(jì)的通用性良好，只需修改與硬件相關(guān)的少許代碼，就可以應(yīng)用到不同的處理器中。