LPC2141的无刷直流电机控制系统设计

2010-04-10 09:40:01来源: 现代电子技术

  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。

无刷直流电机控制系统框图

  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。

无刷直流电机原理

  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。

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。

速度的控制

  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。

LPC2141的系统功能框图

   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。

驱动电路

  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。

Windows的用户界面

  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。

关键字:LPC2141  无刷直流电机  控制

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2010/0410/article_2868.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
LPC2141
无刷直流电机
控制

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved