ARM LPC2101的無(wú)刷直流電機控制方案

　　LPC2101是基于16/32位 ARM7 CPU嵌入高速Flash閃存的微控制器，具備高性能，小體積封裝，低功耗，片上可選擇多種外設等優(yōu)點(diǎn)，應用范圍很廣。其具備的多種32位和16位定時(shí)器、10位A/D轉換器和每個(gè)定時(shí)器上PWM匹配輸出特性，尤其適用于工業(yè)控制。

　　無(wú)刷直流電機是一種易驅動(dòng)電機，適用于變速和啟動(dòng)轉矩很高的應用，它的使用范圍從大規模的工業(yè)模具到調光控制的小型電機（12V直流電機），外形和尺寸也是各種各樣。

　　1 無(wú)刷直流電機的基本原理

　　無(wú)刷直流電機一般由定子、轉子和金屬殼體等組成，如圖1所示，通過(guò)反向極性的吸引產(chǎn)生扭矩使電機運轉。一旦轉子開(kāi)始運轉，固定的刷子和轉子部分將不斷反復地連接、斷開(kāi)，電動(dòng)勢和反電動(dòng)勢在轉子旋轉過(guò)程中產(chǎn)生，新的電極總是和定子極性相反。由于這種變換是固定的，因此轉子以一種固定的形式運動(dòng)。通過(guò)給電機施加反向電壓和反向的轉子線(xiàn)圈電流，使南北極性翻轉，電機改變其運動(dòng)旋轉方向。

圖1 無(wú)刷電機組成

　　速度和電機的扭矩大小是依據電機旋轉產(chǎn)生的磁場(chǎng)強度來(lái)控制的，而電機的旋轉能量是依賴(lài)于通過(guò)電流大小來(lái)控制的，因此調整電機轉子的電壓和電流可以改變電機的速度。本電機速度的控制是根據LPC2101微控制器的PWM信號的變化而產(chǎn)生的。

　　2 無(wú)刷直流電機的控制

　　2.1 雙向旋轉

　　驅動(dòng)有刷直流電機的雙向旋轉，可通過(guò)全橋驅動(dòng)電路改變電流來(lái)實(shí)現完成，如圖2所示。這個(gè)全橋驅動(dòng)電路由N通道的MOSFET管組成，當Q2和Q3關(guān)閉的時(shí)候，Q1和Q4導通電機正相旋轉；當Q1和Q4關(guān)閉時(shí)，Q2和Q3導通電機反相旋轉。

圖2 使用全橋電路雙向旋轉

　　2.2 速度控制部分

　　無(wú)負載的電機速度與加到電機上的電壓有一定的比例關(guān)系，因此通過(guò)采樣加載到電機上的電壓，可以控制電機的速度。脈寬調制解調用于產(chǎn)生這種電壓的變化，如圖3所示。脈寬調制是基于占空比的固定頻率脈寬波形。加載到電機上的平均電壓與PWM占空比成正比關(guān)系。

圖3 PWM速度控制

　　PWM信號（Q1和Q2）根據LPC2101微控制器定時(shí)器2的3個(gè)匹配寄存器決定信號的時(shí)基頻率。電機速度（占空比）和方向通過(guò)調整電位器輸入及改變LPC2101 ADC的輸入數值來(lái)控制，如圖4所示。

圖4 系統配置

　　2.3 電機反饋部分

　　低功耗電機電流測量是在MOSFET和地之間使用電流傳感器（參見(jiàn)圖4）。通過(guò)電流傳感器的采樣電阻檢測微小電壓；通過(guò)在微控制器的前端進(jìn)行濾波和放大，電流采集總是在最高級別，在PWM產(chǎn)生之前。這個(gè)操作通過(guò)外部定時(shí)器匹配中斷，中斷后先開(kāi)始A/D轉換。轉換數值代表了電機的電流。

　　低功耗無(wú)傳感器電機旋轉速度反饋是通過(guò)反饋的EMF電壓測量（參見(jiàn)圖4）。反電動(dòng)勢是通過(guò)電機轉子旋轉磁場(chǎng)和外部電磁場(chǎng)產(chǎn)生的。換句話(huà)說(shuō)，電機表現得像一個(gè)發(fā)電機。RPM和反電動(dòng)勢電壓是成直接正比關(guān)系的，反電動(dòng)勢測量是通過(guò)MOSFET切換完成的（剎車(chē)模式）。本文中，BEMF測量用于檢測電機是否完全停止。電壓分壓是用于滿(mǎn)足反電動(dòng)勢電壓（最高為12V）在0～3.3 V間的。

　　3 無(wú)刷直流電機的應用

　　3.1 選用LPC2102

　　LPC2102（采用LQFP48封裝）是目前LPC2000系列ARM7家族中最小、最便宜的一款總線(xiàn)頻率高達70MHz的32位CPU處理器；有2 KB的靜態(tài)RAM和8KB的片上Flash存儲區。對于使用USB、CAN總線(xiàn)、Ethernet以太網(wǎng)總線(xiàn)，可以選用LPC2000系列中更高級別的處理器。本文中LPC2101，其CPU使用代碼空間為3KB，CPU負載小于5%。沒(méi)有使用內部外設資源如下：UART、I2C、SPI/SSP、RTC、2個(gè)定時(shí)器和4個(gè)A/D輸入，20個(gè)未用的I/O口可供用戶(hù)擴展使用。