Cortex-M3的直流無(wú)刷電機控制系統的設計

引言
傳統的直流電機以其優(yōu)良的轉矩特性和調速性能在運動(dòng)系統中有著(zhù)廣泛的應用，但機械電刷卻是它致命的弱點(diǎn)。電刷的存在帶來(lái)了一系列的問(wèn)題，如機械摩擦、噪聲、電火花無(wú)線(xiàn)干擾，再加上壽命短、制造成本高及維修困難等缺點(diǎn)，從而大大限制了它的應用范圍。直流無(wú)刷電動(dòng)機是利用電子換向裝置代替傳統的機械換向(電刷和換向器)的一種電動(dòng)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(lái)的缺陷。本文以32位ARM Cortex-M3內核的高性能微處理器LPC1766為核心，設計了直流無(wú)刷電機控制系統。該系統電路簡(jiǎn)單，軟硬件開(kāi)發(fā)方便，具有較高的性?xún)r(jià)比。

1 LPC1766簡(jiǎn)介
微控制器采用LPC1700系列ARM芯片LPC1766。LPC1766微控制器是整個(gè)控制系統的核心，它是基于A(yíng)RM Cortex-M3內核的微控制器，是為嵌入式系統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(xiàn)和哈佛結構，帶獨立的本地指令和數據總線(xiàn)以及用于外設的低性能的第3條總線(xiàn)，使得代碼執行速度高達1．25 MIPS／MHz，并包含1個(gè)支持隨機跳轉的內部預取指單元。

2 控制系統硬件設計
無(wú)刷直流電機驅動(dòng)控制系統中，由于轉速和轉矩均和電機電流有關(guān)，控制電機電流可以保證系統響應快速性，故本系統設計為無(wú)刷電機的雙閉環(huán)控制系統。雙閉環(huán)控制系統框圖如圖1所示。

根據系統的控制框圖和實(shí)際需要，設計的直流無(wú)刷電機控制系統主要由整流電路、智能功率模塊(Intelligent Power Module，IPM)、電壓和電流檢測與保護電路、驅動(dòng)電路、直流無(wú)刷電機位置信號檢測環(huán)節以及控制電路和其外圍電路組成，如圖2所示。

當系統處在運行狀態(tài)時(shí)，通過(guò)外部鍵盤(pán)向控制器發(fā)送運行指令，并且載入運行參數。根據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(lái)改變控制器輸出的控制信號，從而調整電機的運行狀態(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)節主要是實(shí)現電機運行時(shí)的保護。電流檢測環(huán)節主要是實(shí)現轉速、電流雙閉環(huán)控制和過(guò)流保護，從外部檢測到的電流信號經(jīng)過(guò)采樣后，送到控制單元，控制單元根據檢測電流的大小來(lái)調整電流調節器的輸出，當出現過(guò)流故障時(shí)，電流檢測電路會(huì )向CPU發(fā)送一個(gè)過(guò)流信號。下面具體介紹系統硬件的一些主要模塊的設計。