陳敏,鄧穎

(1.凌云科技集團(tuán)有限責(zé)任公司; 2.武鋼自動(dòng)化公司,武漢430073)

1 概 述

無(wú)刷直流電機(jī)是最常用的無(wú)刷電機(jī)。它易于驅(qū)動(dòng),速度可調(diào)且工作壽命長(zhǎng),適用于各類大小型工業(yè)應(yīng)用,諸如小型馬達(dá)的控制(如12 V直流無(wú)刷電機(jī))。

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(shè)等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)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(圖形用戶界面)軟件,方便地控制電機(jī)。

本文基于LPC2141的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),包括NXP公司完整的電機(jī)控制系統(tǒng)解決方案(NXP公司的ARM 微控制器、MOSFET驅(qū)動(dòng)器、MOSFET等)。無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)框圖

2 無(wú)刷直流電機(jī)原理

無(wú)刷直流電機(jī)由永磁轉(zhuǎn)子和三相定子組成,如圖2所示。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)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(cè)轉(zhuǎn)子位置,通過(guò)檢測(cè)這些傳感器的不同時(shí)序來(lái)?yè)Q相。

圖2 無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

無(wú)刷直流電機(jī)控制(Brushless DC Motor Control,BLDC)馬達(dá),比傳統(tǒng)的有刷直流電動(dòng)機(jī)和三相異步電動(dòng)機(jī)有更多的優(yōu)勢(shì),提供更長(zhǎng)的使用壽命,具備更好的速度與轉(zhuǎn)矩特性、更低的噪聲和更寬的速度范圍。此外,由于電機(jī)的扭矩較大,對(duì)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(jī)中,電磁場(chǎng)不旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),而永磁旋轉(zhuǎn),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(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)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(jī)中該控制器也執(zhí)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(tǒng)。

電動(dòng)機(jī)的速度和扭矩取決于帶電繞組電機(jī)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的強(qiáng)度,磁場(chǎng)的強(qiáng)度又取決于通過(guò)的電流大小。因此,調(diào)整轉(zhuǎn)子電壓(或電流)將改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3 無(wú)刷直流電機(jī)的控制

3.1 轉(zhuǎn)子的控制

無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)必須考慮在轉(zhuǎn)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(tǒng)的電壓相序,以便使定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的方向/位置(相對(duì)于定子線圈)。

本設(shè)計(jì)使用霍爾傳感器來(lái)直接測(cè)量轉(zhuǎn)子的位置(也有一些應(yīng)用中使用旋轉(zhuǎn)編碼器,或者在驅(qū)動(dòng)線圈中使用反電勢(shì)的方式)。當(dāng)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(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)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(jī)繞組MOS管驅(qū)動(dòng)換相之間的關(guān)系。

圖3 三相橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

表1 三相霍爾傳感器換相表

3.2 速度的控制

通過(guò)改變加在電機(jī)上的電壓,可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。如圖4所示,使用PWM輸出來(lái)控制6個(gè)開(kāi)關(guān)三相橋(Q1～Q6),可以通過(guò)改變占空比的PWM信號(hào)來(lái)調(diào)整電機(jī)的電壓。

圖4 PWM速度控制

3.3 電機(jī)的反饋

3.3.1電流測(cè)量

電機(jī)電流的低成本測(cè)量可以在MOSFET與地之間使用電流感應(yīng)電阻。小電壓出現(xiàn)在電流檢測(cè)電阻上,經(jīng)過(guò)濾波和放大之后,輸入到LPC2141的ADC輸入端。

電機(jī)的電流測(cè)量也經(jīng)常用于保護(hù)模式。當(dāng)電機(jī)在堵轉(zhuǎn)位置時(shí),電流會(huì)急劇增加。由于電流的異常突變,ADC的數(shù)值會(huì)達(dá)到一個(gè)極限,從而將系統(tǒng)關(guān)斷,切換到保護(hù)模式,從而提高系統(tǒng)的安全系數(shù)。

3.3.2RPM轉(zhuǎn)速測(cè)量

作為閉環(huán)速度控制,實(shí)際的電機(jī)速率必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)霍爾傳感器連接 LPC2141的輸入引腳,可以很準(zhǔn)確地測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速。常用如下2種方法:

①連接霍爾傳感器輸出到LPC2141的外部中斷輸入引腳。這樣每60°電角度就會(huì)產(chǎn)生一次中斷。通過(guò)在一定的確切時(shí)間(如1 s)統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)中斷的數(shù)量,即可很容易地計(jì)算出精確的電機(jī)速度。

②連接傳感器信號(hào)到LPC2141的定時(shí)器捕獲引腳,通過(guò)衡量每一個(gè)旋轉(zhuǎn)相位的切換時(shí)間來(lái)計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 LPC2141的使用方法

LPC2141的系統(tǒng)功能框圖如圖5所示。LPC2141是NXP公司基于ARM7的LPC2000系列低成本微控制器,具有6通道PWM 定時(shí)器、片上USB接口、8 KB的片上靜態(tài)RAM和32 KB的片上閃存程序存儲(chǔ)器。對(duì)于較大的存儲(chǔ)或特定外設(shè)(CAN總線、以太網(wǎng)等)的要求,可以選擇LPC2000系列的其他型號(hào)(如LPC2368等),這些芯片都是和LPC2141兼容的。

圖5 系統(tǒng)功能框圖

本設(shè)計(jì)具備如下特性:CPU負(fù)載小于5%,代碼大小為6 KB(包含 USB通信代碼);未用的外設(shè)包括 UART、I2C、SPI/SSP、RTC、2個(gè)定時(shí)器和5個(gè)A/D 輸入;超過(guò)30個(gè)未用的通用輸入輸出口GPIO,用于用戶的特定應(yīng)用要求。

4.2 電機(jī)的選擇

使用Maxon公司120 W的EC-40直流電機(jī)?？蛰d時(shí)供電電壓為24 V,電機(jī)的轉(zhuǎn)速可達(dá)到5 900 r/min,最大的連續(xù)電流達(dá)到6 A。

4.3 MOSFET的選擇

選用NXP公司的PH20100S N溝道場(chǎng)效應(yīng)管Trench-MOS邏輯電平。這個(gè)電平與選定的電機(jī)有關(guān)。對(duì)于24 V電機(jī),MOSFET的VDS需要至少40 V,而漏電流必須足夠大,以滿足電機(jī)的啟動(dòng)電流。由于系統(tǒng)程序代碼設(shè)計(jì)了軟啟動(dòng)機(jī)制(對(duì)于小臺(tái)階的啟動(dòng)需要一定的速度),漏電流在一定程度上有所減小。PH20100S能夠處理的最大漏極電流是34.3 A,峰值電流是137 A,采用表面貼裝SOT669(LFPAK)封裝。

4.4 MOSFET驅(qū)動(dòng)的選擇

MOSFET驅(qū)動(dòng)用于提升控制器LPC2141輸出驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓。本文選擇 NXP公司的PMD3001D和PMGD400UN作為MOSFET,驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

圖6 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

4.5 電機(jī)速度的調(diào)整

LPC2141集成6通道32位PWM定時(shí)器,通過(guò)設(shè)定不同的PWM占空比數(shù)值來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,通過(guò)USB接口讀取電機(jī)實(shí)際的轉(zhuǎn)速。

5 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件部分包括3部分:用戶接口(GUI)、USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)和BLDC電機(jī)控制代碼。

5.1 用戶接口

Windows的用戶界面可控制無(wú)刷直流電機(jī)演示,如圖7所示。該應(yīng)用程序軟件是BLDC_USBGUI.EXE,采用Microsoft Visual Basic 2008專業(yè)版開(kāi)發(fā),需要在PC機(jī)上安裝Microsoft.NET Framework,可方便地控制電機(jī)速度和讀取電機(jī)電流及轉(zhuǎn)速。

圖7 Windows用戶界面

5.2 USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)

USB通信部分可以到Keil公司網(wǎng)站(www.keil.com)上下載USB通信代碼(LPC2148 USB HID人體學(xué)設(shè)備驅(qū)動(dòng)代碼)。如有疑問(wèn)可與筆者聯(lián)系(okarmdy@gmail.com)。

5.3 BLDC電機(jī)控制代碼

本例程序采用C語(yǔ)言編寫,采用Keil公司uVision3開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行編譯。系統(tǒng)執(zhí)行的任務(wù)如下:

①USB接口用于接收電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息,以及設(shè)定電機(jī)電流和轉(zhuǎn)速。

②使用10位A/D輸入檢測(cè)電機(jī)電流大小,用于保護(hù)電機(jī)。

③使用定時(shí)器1產(chǎn)生10 ms的系統(tǒng)中斷時(shí)間戳,用于在不同時(shí)間戳切換和分派系統(tǒng)任務(wù)。

④使用定時(shí)器0的捕獲引腳讀取霍爾傳感器來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)子,設(shè)定PWM定時(shí)器占空比來(lái)控制轉(zhuǎn)速,驅(qū)動(dòng)Q1～Q6的 MOSFET輸出,從而控制三相橋的導(dǎo)通與關(guān)斷。

電機(jī)控制部分代碼包括5個(gè)模塊:bldc.c、adc.c、pwm.c、hsensor.c、timer1.c。頭文件bldc.h用于設(shè)置無(wú)刷直流電機(jī)控制的相關(guān)參數(shù)(如電機(jī)電流和轉(zhuǎn)速設(shè)定等)。使用Keil's uVision3調(diào)試開(kāi)發(fā)環(huán)境自帶的標(biāo)準(zhǔn)啟動(dòng)代碼庫(kù)配置LPC2141芯片,設(shè)置CCLK=PCLK=60 MHz。

結(jié) 語(yǔ)

本文使用LPC2141微控制器設(shè)計(jì)了一款無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng),代碼精簡(jiǎn),控制可靠。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期測(cè)試證明,系統(tǒng)相關(guān)器件的選型設(shè)計(jì)是穩(wěn)定的。從芯片設(shè)計(jì)和系統(tǒng)低成本設(shè)計(jì)上,該系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。

編者注:本文為期刊縮略版,全文見(jiàn)本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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