LPC2141的無(wú)刷直流電機控制系統設計

1 概 述

無(wú)刷直流電機是最常用的無(wú)刷電機。它易于驅動(dòng)，速度可調且工作壽命長(cháng)，適用于各類(lèi)大小型工業(yè)應用，諸如小型馬達的控制(如12 V直流無(wú)刷電機)。

LPC2141是NXP公司推出的嵌入高速Flash閃存的32位ARM微控制器，具有高性能、小體積、低功耗、片上可選擇多種外設等優(yōu)點(diǎn)，應用范圍很廣。LPC2141包括多個(gè)32位定時(shí)器、10位ADC和PWM輸出功能，通過(guò)匹配PWM定時(shí)器的輸出，可以適合于各種工業(yè)控制；芯片上集成USB，可以通過(guò)USB接口連接PC GUI(圖形用戶(hù)界面)軟件，方便地控制電機。

本文基于LPC2141的無(wú)刷直流電機控制系統設計，包括NXP公司完整的電機控制系統解決方案(NXP公司的ARM微控制器、MOSFET驅動(dòng)器、MOSFET等)。無(wú)刷直流電機控制系統框圖如圖1所示。


2無(wú)刷直流電機原理

無(wú)刷直流電機由永磁轉子和三相定子組成，如圖2所示。無(wú)刷直流電動(dòng)機不使用電刷換相，而是采用電子換相。通常，3個(gè)霍爾傳感器用來(lái)檢測轉子位置，通過(guò)檢測這些傳感器的不同時(shí)序來(lái)?yè)Q相。


無(wú)刷直流電機控制(Brushless DC Motor Control，BLDC)馬達，比傳統的有刷直流電動(dòng)機和三相異步電動(dòng)機有更多的優(yōu)勢，提供更長(cháng)的使用壽命，具備更好的速度與轉矩特性、更低的噪聲和更寬的速度范圍。此外，由于電機的扭矩較大，對于矢量空間和重量起關(guān)鍵因素的場(chǎng)合更加實(shí)用。

在無(wú)刷直流電機中，電磁場(chǎng)不旋轉運動(dòng)，而永磁旋轉，三相定子繞組保持靜態(tài)。這可能會(huì )產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題，如何傳遞電流給運動(dòng)的轉子。為了解決這個(gè)問(wèn)題，電刷換向器被智能電子控制器所取代。有刷直流電動(dòng)機中該控制器也執行相同的功率分配，但使用的是電路控制，而不是一個(gè)換向器／刷系統。

電動(dòng)機的速度和扭矩取決于帶電繞組電機所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的強度，磁場(chǎng)的強度又取決于通過(guò)的電流大小。因此，調整轉子電壓(或電流)將改變電機轉速。

3無(wú)刷直流電機的控制

3.1轉子的控制

無(wú)刷直流電機的驅動(dòng)必須考慮在轉子的不同位置施加不同的電壓，即必須正確控制三相繞組系統的電壓相序，以便使定子磁場(chǎng)和轉子磁場(chǎng)之間的相角度始終接近90°，從而獲得最大的扭矩。因此，控制器需要一些控制策略來(lái)確定轉子的方向／位置(相對于定子線(xiàn)圈)。

本設計使用霍爾傳感器來(lái)直接測量轉子的位置(也有一些應用中使用旋轉編碼器，或者在驅動(dòng)線(xiàn)圈中使用反電勢的方式)。當一個(gè)傳感器輸出180°電角度的高電平時(shí)，其他傳感器輸出180°的低電平。3個(gè)傳感器兩兩有60°相角度差，因此很容易將傳感器的輪換分為6個(gè)階段(通過(guò)3位二進(jìn)制代碼表示)。圖3為三相橋電機驅動(dòng)結構圖。表1則顯示了三相霍爾傳感器輸出電平值和實(shí)際的電機繞組MOS管驅動(dòng)換相之間的關(guān)系。