基于LPC2132的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉雄

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院，山西 太原 030006）

基于LPC2132的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉雄

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院，山西 太原 030006）

簡(jiǎn)述了無(wú)刷直流電機(jī)的主要特點(diǎn)，介紹了基于LPC2132的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作過(guò)程及特點(diǎn)。對(duì)硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了討論?？刂葡到y(tǒng)代碼精簡(jiǎn)，運(yùn)行快速、可靠。實(shí)驗(yàn)證明，使用無(wú)位置傳感器的方法對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，能達(dá)到良好的運(yùn)行效果，具有一定的推廣價(jià)值。

無(wú)刷直流電機(jī)；無(wú)位置傳感器；閉環(huán)；反饋

0 引言

無(wú)刷直流電機(jī)（Brushless DC Motor，BLDCM）是近年來(lái)迅速成熟起來(lái)的一種新型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。它以電子換向取代了傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)由換向器和電刷組成的機(jī)械換相結(jié)構(gòu)，具有直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)良的啟動(dòng)和調(diào)速特性(啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、啟動(dòng)電流小、調(diào)速范圍寬)。同時(shí)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)又具備交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

該電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)元件霍爾傳感器等組成，由于沒(méi)有勵(lì)磁裝置，效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作特性優(yōu)良，而且具有體積更小、可靠性更高、控制更容易、應(yīng)用范圍更廣泛、制造維護(hù)更方便等優(yōu)點(diǎn)，使無(wú)刷電機(jī)的研究具有重大意義。

傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)需在電機(jī)軸上安裝位置傳感器，而它的存在給無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用帶來(lái)了一些缺陷和不便，在增加成本的同時(shí)降低了系統(tǒng)的可靠性，并且在某些場(chǎng)合由于傳感器的限制而無(wú)法得到應(yīng)用。無(wú)位置傳感器電機(jī)比有位置傳感器電機(jī)在適用范圍上更為廣泛。

1 無(wú)刷直流電機(jī)的基本原理

無(wú)刷直流電機(jī)的原理很簡(jiǎn)單即：當(dāng)給內(nèi)置霍耳傳感器接通電源時(shí)，這些霍耳傳感器將信號(hào)輸入到控制器，其實(shí)這些信號(hào)間接反映了轉(zhuǎn)子所處的位置，控制器對(duì)這些信號(hào)經(jīng)過(guò)判斷之后，作出相應(yīng)的輸出，并給相應(yīng)的線圈通電，通電產(chǎn)生了磁場(chǎng)。因?yàn)橥韵喑?，異性相吸的原理，定子和轉(zhuǎn)子就相對(duì)移動(dòng)。

普通無(wú)刷電機(jī)的定子是線圈（上面連有霍耳傳感器），于是轉(zhuǎn)子（磁鋼及輪子）受迫轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)置霍耳傳感器的輸出信號(hào)便發(fā)生改變，控制器又輸出不同方向的電流而該輸出產(chǎn)生的磁場(chǎng)又剛好再次和固定磁場(chǎng)（磁鋼）同性相斥，異性相吸，結(jié)果再次迫使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，接著霍耳傳感器的輸出信號(hào)又再次發(fā)生改變。這樣周而復(fù)始，輪子就可以不斷轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 LPC2132簡(jiǎn)介

系統(tǒng)電路中采用的主控芯片為L(zhǎng)PC2132。它是采用32位ARM7TDMI-STM CPU的嵌入式微控制器，帶有64KB高速Flash存儲(chǔ)器，有一 10位 8路 ADC、6路PWM通道和47個(gè)GPIO以及多達(dá)9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷接口，并具有極低的功耗，使它特別適用于小型工業(yè)控制和醫(yī)療系統(tǒng)應(yīng)用。LPC2132最小系統(tǒng)包括有振蕩器電路、復(fù)位電路、JTAG調(diào)試接口等電路，系統(tǒng)為3.3 V電源供電。復(fù)位電路中采用了專用的微控制器復(fù)位芯片MAX809為L(zhǎng)PC2132提供可靠的復(fù)位信號(hào)。JTAG調(diào)試接口可通過(guò)簡(jiǎn)易的H-JTAG仿真器將程序固化到LPC2132的Flash中，也支持在線調(diào)試。本設(shè)計(jì)中通過(guò)JLINK仿真器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行在線調(diào)試，并通完成程序的固化。

2.2 系統(tǒng)控制方案

無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制的關(guān)鍵在于電流換向時(shí)刻的決定，即根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息，來(lái)確定定子三相繞組的通電模式。本課題采用反電勢(shì)法對(duì)轉(zhuǎn)子的位置信息進(jìn)行估算，通過(guò)測(cè)量定子端電壓和相電流，就可計(jì)算出轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)子的速度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制。系統(tǒng)的控制框圖如圖1所示。

系統(tǒng)的控制由位置環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)三環(huán)組成，最內(nèi)環(huán)為轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)環(huán)，獲得轉(zhuǎn)子的位置信息，確保電機(jī)能夠正確地進(jìn)行換相；第二個(gè)控制環(huán)是電流環(huán)（ACR），它用來(lái)調(diào)節(jié)定子磁場(chǎng)的大小，定子磁場(chǎng)的大小正比于流過(guò)定子線圈的電流，控制定子線圈的電流即可以定子磁場(chǎng)的大?。蛔钔猸h(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán) （ASR），它將給定的速度信號(hào)與經(jīng)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)后計(jì)算的速度信號(hào)之差作為速度環(huán)的輸入，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)反饋與調(diào)整。

圖1 系統(tǒng)的控制框圖

2.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

以LPC2132微控制器為核心的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)傳感器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。本系統(tǒng)所用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子繞組為三相Y型連接，采用兩相導(dǎo)通三相六拍運(yùn)行方式。主要有以下幾個(gè)部分組成：系統(tǒng)主控電路、顯示電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)檢測(cè)和保護(hù)電路。

由于反電勢(shì)是難以直接測(cè)取的模擬信號(hào)物理量，反電勢(shì)過(guò)零信號(hào)的檢測(cè)實(shí)際上是通過(guò)檢測(cè)三相繞組端電壓，經(jīng)計(jì)算間接地得到反電勢(shì)過(guò)零信號(hào)。

主回路上電流的檢測(cè)是通過(guò)檢測(cè)位于在逆變電路的低電壓端與地之間串連的采樣電阻的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。輸出的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)精密電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器處理后，送入LPC2132的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。電流采樣周期為50μs。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理圖

由于本系統(tǒng)采用無(wú)傳感器控制，取消了傳統(tǒng)的位置傳感器和速度傳感器，因此速度反饋信息只能夠通過(guò)對(duì)無(wú)傳感器控制方法檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置信息加以處理來(lái)得到。其原理是：根據(jù)在一定時(shí)間間隔內(nèi)轉(zhuǎn)子位置的變化來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速計(jì)算公式：

式中：p—極對(duì)數(shù)；△T—速度環(huán)調(diào)節(jié)周期（本系統(tǒng)中為60ms），△θ為△T時(shí)間段內(nèi)的轉(zhuǎn)子位置變化量。在實(shí)際計(jì)算中，本系統(tǒng)是通過(guò)計(jì)算△T內(nèi)電機(jī)換相的個(gè)數(shù)乘以一個(gè)換相區(qū)間60°電角度的方法來(lái)計(jì)算△θ。

BLDCM屬于兩相饋電式電動(dòng)機(jī)，即無(wú)論轉(zhuǎn)子處于什么位置，都只有兩相繞組通電，其轉(zhuǎn)速表達(dá)式：

式中：R0=2R，R—電動(dòng)機(jī)一相等效電阻；Ke—電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；Ud0—加到兩相繞組間的直流平均電壓值；Ud0= ρUd，其中Ud—直流母線電壓，ρ—PWM調(diào)制波占空比。

由上式可見(jiàn)，只需對(duì)三相橋式逆變器進(jìn)行PWM調(diào)制，就可以方便地改變其直流端電壓，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。這與普通有刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速是非常相似的，改變占空比ρ，即可得到一組互相平行的機(jī)械特性曲線，其開環(huán)機(jī)械特性較硬，具有較寬的調(diào)速范圍。

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主程序流程如圖3所示。主要包括兩大模塊。即初始化模塊和T0定時(shí)器中斷模塊。初始化模塊主要完全成系統(tǒng)時(shí)鐘、看門狗、I/O端口、232端口，系統(tǒng)中斷設(shè)置以及軟件中各變量的初始化，然后進(jìn)入電機(jī)預(yù)啟動(dòng)程序。電機(jī)預(yù)啟動(dòng)完畢，程序?qū)⒌却齌0的中斷請(qǐng)求信號(hào)。T0的中斷服務(wù)程序流程如圖4所示。在T0中斷服務(wù)程中，控制器LPC2132每隔50μs對(duì)定子端電壓及相電流進(jìn)行采樣。程序中用兩個(gè)全局變量dl_cnt和sd_cnt對(duì)中斷次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，dl_cnt計(jì)數(shù)滿4次則進(jìn)行電流環(huán)調(diào)節(jié)，sd_cnt計(jì)數(shù)滿1000，則進(jìn)行速度環(huán)調(diào)節(jié)，即電流環(huán)每200μs調(diào)節(jié)一次，速度環(huán)60ms調(diào)節(jié)一次。進(jìn)行中斷程序后，先進(jìn)行定子端電壓和相電流的采樣計(jì)算，接著dl_cnt開始計(jì)數(shù)，若未到計(jì)數(shù)值則跳轉(zhuǎn)到對(duì)sd_cntT計(jì)數(shù)；若dl_cnt到計(jì)數(shù)值，則通過(guò)采樣值計(jì)算出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角；然后sd_cnt加1，達(dá)到計(jì)數(shù)值則進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，否則直接計(jì)算出新的PWM值，生成適當(dāng)?shù)腜WM信號(hào)，再計(jì)算出轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，判斷是否需要換相，把適當(dāng)?shù)腜WM信號(hào)施加到驅(qū)動(dòng)電路上。

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

圖4 定時(shí)器T0中斷子程序流程圖

2.5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

加載系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)輸入電壓的占空比，增加驅(qū)動(dòng)力。比如設(shè)速度為全速的一半，驅(qū)動(dòng)信號(hào)，加載后，占空比自動(dòng)加密，最終達(dá)到全部開啟狀態(tài)。

經(jīng)實(shí)際使用示波器測(cè)量驗(yàn)證圖5中所示的2路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，分別屬于某一橋壁的上下兩只MOSFET的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，比較可知，每支開關(guān)管一周期導(dǎo)通120°，并且2路驅(qū)動(dòng)信號(hào)間不可能重合。圖6中（a）、（b）所示的波形分別為半速時(shí)和全速時(shí)線圈內(nèi)的電流變化。

圖5 逆變器中兩只MOSFET的驅(qū)動(dòng)信號(hào)

3 總結(jié)

所設(shè)計(jì)的基于LPC2132微處理器的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)，代碼精簡(jiǎn)，控制系統(tǒng)快速、可靠。用串口連接上位PC機(jī)來(lái)做顯示，效果較好。由于該芯片控制能力強(qiáng)、主頻高，優(yōu)于 51系列單片機(jī)的各種性能，是控制無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的較理想的器件。實(shí)踐證明，用LPC2132微控制器做核心的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，功耗小、運(yùn)行良好，具有一定的推廣價(jià)值。

圖6 閉環(huán)控制中線圈內(nèi)的電流變化

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Design of Control System of BLDC Motor Based on LPC2132

LIU Xiong
（Taiyuan Institute of China Coal Technology and Engineering Group,Taiyuan Shanxi 030006,China）

The main feature of Brushless DC Motor is described in brief,the functions,the characteristics and developing process of the control system based on LPC2132 are introduced.Several questions in the hardware design and the software design are discussed.The control system's code is simplified;the movement is fast and reliable.The experiment proved that,use the method of the non-position transducer for Brushless DC Motor to carry on the monitor and the control,good performance can be achieved,and it has certain promoted value.

BLDCM；non-position transducer；loop；feedback

TP273

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.055

1002－6673（2014）03－145－03

2014－03－21

劉雄（1981-），男，陜西神木人，碩士，助理工程師。畢業(yè)于東北大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，現(xiàn)在山西天地煤機(jī)裝備有限公司內(nèi)蒙古分公司工作。