ARM LPC2101的無(wú)刷直流電機(jī)控制方案

　　3.2 電機(jī)選擇

　　設(shè)計(jì)選用150 W MAXON RE40電機(jī)。在12 V輸入下，無(wú)負(fù)載的速度是6 920 r/s。最大連續(xù)電流是6A。PWM時(shí)基信號(hào)對(duì)電機(jī)噪聲有很大的影響（因?yàn)槿硕话隳苈?tīng)到的聲波的頻率范圍是20 Hz～20kHz)，同時(shí)影響電機(jī)的表現(xiàn)性能。要防止整個(gè)周期中電流過(guò)零（就是通常所說(shuō)的不連續(xù)的電流狀態(tài)，當(dāng)電機(jī)輕載時(shí)），如圖5（b）所示。這種不連續(xù)電流會(huì)導(dǎo)致扭矩轉(zhuǎn)速曲線非常陡，在電機(jī)中將產(chǎn)生某種脈沖，使電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生更大的噪聲，本電路使用MAXON電機(jī)，就是為了獲得連續(xù)的電流模式，所選擇的PWM脈沖頻率是8kHz。

圖5 PWM時(shí)基頻率的影響

　　3.3 MOSFET選擇

　　在系統(tǒng)中使用NXP半導(dǎo)體PH1875L N溝道MOSFET，相關(guān)的電機(jī)電壓是12 V，電機(jī)啟動(dòng)的最大電流是103 A。作為12V的電機(jī),MOSFET的電壓Vds至少為40V。需要足夠的灌電流來(lái)啟動(dòng)電機(jī)，可以通過(guò)軟件控制在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中減小電流。PH1875L需要使用的最大灌電流是45.8 A，漏電流是183A。PH1875L的SMD貼片封裝如圖6所示。

圖6 SO669（LFPAK）封裝

　　3.4 MOSFET驅(qū)動(dòng)選擇

　　MOSFET驅(qū)動(dòng)提升了控制器輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的能力。本設(shè)計(jì)選擇NXP芯片PMD2001D和PMGD280UN，如圖7所示。

圖7 簡(jiǎn)化的MOSFETMOSFET全橋和半橋驅(qū)動(dòng)電路

　　3.5 速度控制和方向控制

　　為了控制方向和電機(jī)速度，用10 kΩ的電位器，連接到LPC2101 ADC輸入端（參見(jiàn)圖4）。由于是10位A/D，實(shí)際上只需要8位就可以采用256個(gè)步進(jìn)數(shù)值，如圖8所示。采用10位A/D可以達(dá)到1024個(gè)步進(jìn)數(shù)值。

圖8 電位器模擬速度輸入和方向

　　4 硬件與軟件設(shè)計(jì)

　　4.1 硬件設(shè)計(jì)

　　控制部分的電路原理如圖9所示。電源和電機(jī)部分的電路原理如圖10所示。

圖9 控制部分電路原理

圖10 電源和電機(jī)部分電路原理

　　4.2 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件部分采用C語(yǔ)言編寫，使用Keil μVision（ARM7 RealView V3.0）開(kāi)發(fā)環(huán)境。主函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下功能：讀取電位器數(shù)值來(lái)調(diào)整速度和電機(jī)方向；讀取電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)電流；設(shè)定PWM占空比和控制Q1~Q4MOSFET輸出；執(zhí)行RS232通信。圖11表示控制系統(tǒng)流程。使用RS232接口每200ms給PC端計(jì)算機(jī)發(fā)送電機(jī)速度和電流、電壓信息。電機(jī)控制軟件部分狀態(tài)機(jī)如圖12所示。狀態(tài)處理是在主程序循環(huán)中處理的，LPC2101的定時(shí)器2用于產(chǎn)生PWM信號(hào)。在每個(gè)PWM信號(hào)中斷子程序進(jìn)入后，可以通過(guò)改變占空比來(lái)調(diào)整既定電機(jī)速度并設(shè)置MOSFET輸出控制Q1~Q4。定時(shí)器0用于10ms的系統(tǒng)定時(shí)。

圖11 主程序流程

圖12 狀態(tài)流程

　　LPC2101配置使用Keil ARM開(kāi)發(fā)環(huán)境中標(biāo)準(zhǔn)的啟動(dòng)代碼，設(shè)定CCLK時(shí)鐘為60 MHz，PCLK時(shí)鐘為15MHz。相關(guān)測(cè)試代碼包括main.c,adc.c,timer0.c,motor.c,uart.c,bcd.h等。

　　相關(guān)代碼見(jiàn)本刊網(wǎng)站http://www.mesnet.com.cn/——編者注。

　　5 總結(jié)

　　使用LPC2101 ARM7內(nèi)核開(kāi)發(fā)無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)，代碼精簡(jiǎn)，控制系統(tǒng)可靠。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間實(shí)際測(cè)量證明，系統(tǒng)相關(guān)器件的選型設(shè)計(jì)是穩(wěn)定的。另外，目前增強(qiáng)型51系列微處理器的價(jià)格、性能與LPC21系列相比較，LPC21系列功耗低，價(jià)格與普通8位機(jī)價(jià)格差不多，但是性能卻比增強(qiáng)型51系列好。比如，帶Modem的雙串口，雙I2C接口，帶大容量的Flash和RAM存儲(chǔ)區(qū)，多通道PWM，多個(gè)32位定時(shí)器，高精度10位A/D轉(zhuǎn)換器等。因此，從芯片設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，該無(wú)刷電機(jī)產(chǎn)品有一定的推廣價(jià)值。