LPC2141的无刷直流电机控制系统设计
时间：2010-02-02 12:43:40
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[导读]本文使用LPC2141微控制器设计了一款无刷直流电机控制系统，代码精简，控制可靠。经过长期测试证明，系统相关器件的选型设计是稳定的。从芯片设计和系统低成本设计上，该系统具有一定的应用推广价值。
1 概 述
无刷直流电机是最常用的无刷电机。它易于驱动，速度可调且工作寿命长，适用于各类大小型工业应用，诸如小型马达的控制(如12 V直流无刷电机)。
LPC2141是NXP公司推出的嵌入高速Flash闪存的32位ARM微控制器，具有高性能、小体积、低功耗、片上可选择多种外设等优点，应用范围很广。LPC2141包括多个32位定时器、10位ADC和PWM输出功能，通过匹配PWM定时器的输出，可以适合于各种工业控制；芯片上集成USB，可以通过USB接口连接PC GUI(图形用户界面)软件，方便地控制电机。
本文基于LPC2141的无刷直流电机控制系统设计，包括NXP公司完整的电机控制系统解决方案(NXP公司的ARM微控制器、MOSFET驱动器、MOSFET等)。无刷直流电机控制系统框图如图1所示。
2无刷直流电机原理
无刷直流电机由永磁转子和三相定子组成，如图2所示。无刷直流电动机不使用电刷换相，而是采用电子换相。通常，3个霍尔传感器用来检测转子位置，通过检测这些传感器的不同时序来换相。
无刷直流电机控制(Brushless DC Motor Control，BLDC)马达，比传统的有刷直流电动机和三相异步电动机有更多的优势，提供更长的使用寿命，具备更好的速度与转矩特性、更低的噪声和更宽的速度范围。此外，由于电机的扭矩较大，对于矢量空间和重量起关键因素的场合更加实用。
在无刷直流电机中，电磁场不旋转运动，而永磁旋转，三相定子绕组保持静态。这可能会产生一个问题，如何传递电流给运动的转子。为了解决这个问题，电刷换向器被智能电子控制器所取代。有刷直流电动机中该控制器也执行相同的功率分配，但使用的是电路控制，而不是一个换向器／刷系统。
电动机的速度和扭矩取决于带电绕组电机所产生的磁场的强度，磁场的强度又取决于通过的电流大小。因此，调整转子电压(或电流)将改变电机转速。
3无刷直流电机的控制
3.1转子的控制
无刷直流电机的驱动必须考虑在转子的不同位置施加不同的电压，即必须正确控制三相绕组系统的电压相序，以便使定子磁场和转子磁场之间的相角度始终接近90°，从而获得最大的扭矩。因此，控制器需要一些控制策略来确定转子的方向／位置(相对于定子线圈)。
本设计使用霍尔传感器来直接测量转子的位置(也有一些应用中使用旋转编码器，或者在驱动线圈中使用反电势的方式)。当一个传感器输出180°电角度的高电平时，其他传感器输出180°的低电平。3个传感器两两有60°相角度差，因此很容易将传感器的轮换分为6个阶段(通过3位二进制代码表示)。图3为三相桥电机驱动结构图。表1则显示了三相霍尔传感器输出电平值和实际的电机绕组MOS管驱动换相之间的关系。
3.2速度的控制
通过改变加在电机上的电压，可以改变电机的转速。如图4所示，使用PWM输出来控制6个开关三相桥(Q1～Q6)，可以通过改变占空比的PWM信号来调整电机的电压。
3.3电机的反馈
3.3.1 电流测量
电机电流的低成本测量可以在MOSFET与地之间使用电流感应电阻。小电压出现在电流检测电阻上，经过滤波和放大之后，输入到LPC2141的ADC输入端。
电机的电流测量也经常用于保护模式。当电机在堵转位置时，电流会急剧增加。由于电流的异常突变，ADC的数值会达到一个极限，从而将系统关断，切换到保护模式，从而提高系统的安全系数。
3.3.2 RPM转速测量
作为闭环速度控制，实际的电机速率必须实时监测。通过霍尔传感器连接LPC2141的输入引脚，可以很准确地测量电机转速。常用如下2种方法：
①连接霍尔传感器输出到LPC2141的外部中断输入引脚。这样每60°电角度就会产生一次中断。通过在一定的确切时间(如1 s)统计计数中断的数量，即可很容易地计算出精确的电机速度。
②连接传感器信号到LPC2141的定时器捕获引脚，通过衡量每一个旋转相位的切换时间来计算电机的转速。
4硬件设计
4.1 LPC2141的使用方法
LPC2141的系统功能框图如图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定时器、片上USB接口、8 KB的片上静态RAM和32 KB的片上闪存程序存储器。对于较大的存储或特定外设(CAN总线、以太网等)的要求，可以选择LPC2000系列的其他型号(如LPC2368等)，这些芯片都是和LPC2141兼容的。
本设计具备如下特性：CPU负载小于5％，代码大小为6 KB(包含USB通信代码)；未用的外设包括UART、I2C、SPI／SSP、RTC、2个定时器和5个A／D输入；超过30个未用的通用输入输出口GPIO，用于用户的特定应用要求。
4.2电机的选择
使用Maxon公司120 W的EC-40直流电机。空载时供电电压为24 V，电机的转速可达到5 900 r／min，最大的连续电流达到6 A。
4.3 MOSFET的选择
选用NXP公司的PH20100S N沟道场效应管Trench-MOS逻辑电平。这个电平与选定的电机有关。对于24 V电机，MOSFET的VDS需要至少40 V，而漏电流必须足够大，以满足电机的启动电流。由于系统程序代码设计了软启动机制(对于小台阶的启动需要一定的速度)，漏电流在一定程度上有所减小。PH20100S能够处理的最大漏极电流是34.3 A，峰值电流是137 A，采用表面贴装SOT669(LFPAK)封装。
4.4 MOSFET驱动的选择
MOSFET驱动用于提升控制器LPC2141输出驱动电机的电压。本文选择NXP公司的PMD3001D和PMGD400UN作为MOSFET，驱动电路如图6所示。
4.5电机速度的调整
LPC2141集成6通道32位PWM定时器，通过设定不同的PWM占空比数值来控制电机的转速，通过USB接口读取电机实际的转速。
5 软件设计
本系统软件部分包括3部分：用户接口(GUI)、USB设备驱动和BLDC电机控制代码。
5.1 用户接口
Windows的用户界面可控制无刷直流电机演示，如图7所示。该应用程序软件是BLDC_USBGUI．EXE，采用Mierosoft Visual Basic 2008专业版开发，需要在PC机上安装Microsoft．NET Framework，可方便地控制电机速度和读取电机电流及转速。
5.2 USB设备驱动
USB通信部分可以到Keil公司网站(www.keil.com)上下载USB通信代码(LPC2148 USB HID人体学设备驱动代码)。如有疑问可与笔者联系(okarmdy@gmail.com)。
5.3 BLDC电机控制代码
本例程序采用C语言编写，采用Keil公司uVision3开发环境进行编译。系统执行的任务如下：
①USB接口用于接收电机的转速信息，以及设定电机电流和转速。
②使用10位A／D输入检测电机电流大小，用于保护电机。
③使用定时器1产生10 ms的系统中断时间戳，用于在不同时间戳切换和分派系统任务。
④使用定时器0的捕获引脚读取霍尔传感器来控制电机的转子，设定PWM定时器占空比来控制转速，驱动Q1～Q6的MOSFET输出，从而控制三相桥的导通与关断。
电机控制部分代码包括5个模块：bide．c、adc．c、pwm．c、hsensor．c、timerl．c。头文件bidc．h用于设置无刷直流电机控制的相关参数(如电机电流和转速设定等)。使用Keil’s uVision3调试开发环境自带的标准启动代码库配置LPC2141芯片，设置CCLK=PCLK=60 MHz。
结语
本文使用LPC2141微控制器设计了一款无刷直流电机控制系统，代码精简，控制可靠。经过长期测试证明，系统相关器件的选型设计是稳定的。从芯片设计和系统低成本设计上，该系统具有一定的应用推广价值。
无刷直流电机是最常用的无刷电机。它易于驱动，速度可调且工作寿命长，适用于各类大小型工业应用，诸如小型马达的控制(如12 V直流无刷电机)。
LPC2141是NXP公司推出的嵌入高速Flash闪存的32位ARM微控制器，具有高性能、小体积、低功耗、片上可选择多种外设等优点，应用范围很广。LPC2141包括多个32位定时器、10位ADC和PWM输出功能，通过匹配PWM定时器的输出，可以适合于各种工业控制；芯片上集成USB，可以通过USB接口连接PC GUI(图形用户界面)软件，方便地控制电机。
本文基于LPC2141的无刷直流电机控制系统设计，包括NXP公司完整的电机控制系统解决方案(NXP公司的ARM微控制器、MOSFET驱动器、MOSFET等)。无刷直流电机控制系统框图如图1所示。
2无刷直流电机原理
无刷直流电机由永磁转子和三相定子组成，如图2所示。无刷直流电动机不使用电刷换相，而是采用电子换相。通常，3个霍尔传感器用来检测转子位置，通过检测这些传感器的不同时序来换相。
无刷直流电机控制(Brushless DC Motor Control，BLDC)马达，比传统的有刷直流电动机和三相异步电动机有更多的优势，提供更长的使用寿命，具备更好的速度与转矩特性、更低的噪声和更宽的速度范围。此外，由于电机的扭矩较大，对于矢量空间和重量起关键因素的场合更加实用。
在无刷直流电机中，电磁场不旋转运动，而永磁旋转，三相定子绕组保持静态。这可能会产生一个问题，如何传递电流给运动的转子。为了解决这个问题，电刷换向器被智能电子控制器所取代。有刷直流电动机中该控制器也执行相同的功率分配，但使用的是电路控制，而不是一个换向器／刷系统。
电动机的速度和扭矩取决于带电绕组电机所产生的磁场的强度，磁场的强度又取决于通过的电流大小。因此，调整转子电压(或电流)将改变电机转速。
3无刷直流电机的控制
3.1转子的控制
无刷直流电机的驱动必须考虑在转子的不同位置施加不同的电压，即必须正确控制三相绕组系统的电压相序，以便使定子磁场和转子磁场之间的相角度始终接近90°，从而获得最大的扭矩。因此，控制器需要一些控制策略来确定转子的方向／位置(相对于定子线圈)。
本设计使用霍尔传感器来直接测量转子的位置(也有一些应用中使用旋转编码器，或者在驱动线圈中使用反电势的方式)。当一个传感器输出180°电角度的高电平时，其他传感器输出180°的低电平。3个传感器两两有60°相角度差，因此很容易将传感器的轮换分为6个阶段(通过3位二进制代码表示)。图3为三相桥电机驱动结构图。表1则显示了三相霍尔传感器输出电平值和实际的电机绕组MOS管驱动换相之间的关系。
3.2速度的控制
通过改变加在电机上的电压，可以改变电机的转速。如图4所示，使用PWM输出来控制6个开关三相桥(Q1～Q6)，可以通过改变占空比的PWM信号来调整电机的电压。
3.3电机的反馈
3.3.1 电流测量
电机电流的低成本测量可以在MOSFET与地之间使用电流感应电阻。小电压出现在电流检测电阻上，经过滤波和放大之后，输入到LPC2141的ADC输入端。
电机的电流测量也经常用于保护模式。当电机在堵转位置时，电流会急剧增加。由于电流的异常突变，ADC的数值会达到一个极限，从而将系统关断，切换到保护模式，从而提高系统的安全系数。
3.3.2 RPM转速测量
作为闭环速度控制，实际的电机速率必须实时监测。通过霍尔传感器连接LPC2141的输入引脚，可以很准确地测量电机转速。常用如下2种方法：
①连接霍尔传感器输出到LPC2141的外部中断输入引脚。这样每60°电角度就会产生一次中断。通过在一定的确切时间(如1 s)统计计数中断的数量，即可很容易地计算出精确的电机速度。
②连接传感器信号到LPC2141的定时器捕获引脚，通过衡量每一个旋转相位的切换时间来计算电机的转速。
4硬件设计
4.1 LPC2141的使用方法
LPC2141的系统功能框图如图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定时器、片上USB接口、8 KB的片上静态RAM和32 KB的片上闪存程序存储器。对于较大的存储或特定外设(CAN总线、以太网等)的要求，可以选择LPC2000系列的其他型号(如LPC2368等)，这些芯片都是和LPC2141兼容的。
本设计具备如下特性：CPU负载小于5％，代码大小为6 KB(包含USB通信代码)；未用的外设包括UART、I2C、SPI／SSP、RTC、2个定时器和5个A／D输入；超过30个未用的通用输入输出口GPIO，用于用户的特定应用要求。
4.2电机的选择
使用Maxon公司120 W的EC-40直流电机。空载时供电电压为24 V，电机的转速可达到5 900 r／min，最大的连续电流达到6 A。
4.3 MOSFET的选择
选用NXP公司的PH20100S N沟道场效应管Trench-MOS逻辑电平。这个电平与选定的电机有关。对于24 V电机，MOSFET的VDS需要至少40 V，而漏电流必须足够大，以满足电机的启动电流。由于系统程序代码设计了软启动机制(对于小台阶的启动需要一定的速度)，漏电流在一定程度上有所减小。PH20100S能够处理的最大漏极电流是34.3 A，峰值电流是137 A，采用表面贴装SOT669(LFPAK)封装。
4.4 MOSFET驱动的选择
MOSFET驱动用于提升控制器LPC2141输出驱动电机的电压。本文选择NXP公司的PMD3001D和PMGD400UN作为MOSFET，驱动电路如图6所示。
4.5电机速度的调整
LPC2141集成6通道32位PWM定时器，通过设定不同的PWM占空比数值来控制电机的转速，通过USB接口读取电机实际的转速。
5 软件设计
本系统软件部分包括3部分：用户接口(GUI)、USB设备驱动和BLDC电机控制代码。
5.1 用户接口
Windows的用户界面可控制无刷直流电机演示，如图7所示。该应用程序软件是BLDC_USBGUI．EXE，采用Mierosoft Visual Basic 2008专业版开发，需要在PC机上安装Microsoft．NET Framework，可方便地控制电机速度和读取电机电流及转速。
5.2 USB设备驱动
USB通信部分可以到Keil公司网站(www.keil.com)上下载USB通信代码(LPC2148 USB HID人体学设备驱动代码)。如有疑问可与笔者联系(okarmdy@gmail.com)。
5.3 BLDC电机控制代码
本例程序采用C语言编写，采用Keil公司uVision3开发环境进行编译。系统执行的任务如下：
①USB接口用于接收电机的转速信息，以及设定电机电流和转速。
②使用10位A／D输入检测电机电流大小，用于保护电机。
③使用定时器1产生10 ms的系统中断时间戳，用于在不同时间戳切换和分派系统任务。
④使用定时器0的捕获引脚读取霍尔传感器来控制电机的转子，设定PWM定时器占空比来控制转速，驱动Q1～Q6的MOSFET输出，从而控制三相桥的导通与关断。
电机控制部分代码包括5个模块：bide．c、adc．c、pwm．c、hsensor．c、timerl．c。头文件bidc．h用于设置无刷直流电机控制的相关参数(如电机电流和转速设定等)。使用Keil’s uVision3调试开发环境自带的标准启动代码库配置LPC2141芯片，设置CCLK=PCLK=60 MHz。
结语
本文使用LPC2141微控制器设计了一款无刷直流电机控制系统，代码精简，控制可靠。经过长期测试证明，系统相关器件的选型设计是稳定的。从芯片设计和系统低成本设计上，该系统具有一定的应用推广价值。
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