基于LPC2210的無刷直流電動機的控制

馬文寧，李 彥

（西安翻譯學院 陜西 西安 710105）

無刷直流電動機不僅繼承了直流電動機調速和啟動特性好，堵轉轉矩大的優(yōu)點，而且由于利用電子開關線路和位置傳感器代替了換向器電刷裝置，使得電動機的結構大大簡化，電機的精度、性能和可靠性也都有了很大提高，因此，無刷直流電動機應用十分廣泛，尤其是在高級電子設備、機器人、航空航天技術、數(shù)控裝置、醫(yī)療化工等高新領域[1]，對無刷電機的控制系統(tǒng)設計的研究也具有重要意義。

1 無刷直流電動機的結構和工作原理

無刷直流電動機由三部分組成，分別是電動機、轉子位置傳感器和電子開關線路，它的原理圖如圖1所示，直流電源通過開關線路向電動機定子繞組供電，電動機轉子位置傳感器可檢測到轉子位置并提供相應信號去觸發(fā)開關線路中的功率開關元件使之導通或關斷，從而控制電動機的轉動。

圖1 無刷直流電動機的原理框圖Fig.1 Schematics of the BLDCmotor system

無刷直流電動機的基本結構如圖2所示，其中電動機本體是由定子和轉子構成，定子是電動機的電樞，定子鐵心中安放著對稱的多相繞組，可接成星形或封閉形，各項繞組分別與電子開關線路中的相應晶體管相連接。電子開關線路有橋式和非橋式兩種。轉子是由永磁材料制成的有一定極對數(shù)的永磁體，主要有凸極式和內嵌式兩種。位置傳感器是電機系統(tǒng)的重要部件，其作用是檢測轉子磁場相對于定子繞組的位置，常見的位置傳感器有電磁式、光電式和霍爾元件。

圖2 無刷直流電動機的基本結構Fig.2 Structure diagram of the BLDC motor system

本文中的無刷直流電機采用三相星形橋式接法，如圖3所示。

圖3 無刷直流電機三相星形橋式接法Fig.3 Three-phase Wye bridge connection of the BLDCmotor system

通過控制晶體管的通斷，給定子繞組加電，每一時刻有兩相繞組導通，另一相繞組斷開，從而產生不同方向的定子磁場，若定子磁場的方向超前轉子磁場90°電角度，則定子磁場對轉子磁場產生正的電磁轉矩，電機正轉。若電子磁場的方向滯后轉子磁場90°電角度，電機反轉。要使電機能夠同步運行并產生恒定的電磁轉矩，需要保持定子磁場與轉子磁場在空間上的相對靜止，使得產生的定子磁場的方向根據(jù)轉子位置的變化而變化。所以，轉子磁場的方向是連續(xù)變化的，而定子磁場的方向是跳躍的。

轉子在轉動一周的時間里，轉子位置傳感器把每一時刻轉子的位置信號送到控制器中，控制器由此控制晶體管的導通和關斷，使定子三相繞組的其中兩相導通，產生相應的定子磁場，因此，轉子旋轉一周，定子磁場的方向會相應的改變6次，以保證定子磁場的方向和轉子磁場方向相對靜止。

電樞繞組電流的跳變使得定子磁場是跳變的，但是轉子磁勢是連續(xù)變化的，這兩個磁勢的平均速度相等，具有恒定的平均電磁轉矩，但是瞬時電磁轉矩與速度是不相等的，因此存在轉矩脈動分量[2]。

從以上無刷直流電動機的轉動原理可知，電機的轉動過程中，通過控制6個MOSFET構成的三相橋式逆變器為電樞供電，當兩項導通時，另一項斷開。在一個周期內，無刷直流電動機內的位置傳感器輸出6種有效的狀態(tài)，分別對應轉子的不同位置。再結合換向邏輯，對連接到三相定子繞組的逆變器的6個MOSFET進行開關控制，使三相定子繞組按照一定順序依次通電，以滿足轉矩角要求，使轉子能在持續(xù)平穩(wěn)的磁場中轉動。電機的轉速可以通過調節(jié)定子繞組的輸入電壓的平均值實現(xiàn)，因此可采用PWM調節(jié)控制。

2 無刷直流電動機控制系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)采用雙閉環(huán)的控制策略，如圖4所示，外環(huán)為速度環(huán)，由電機位置檢測得到的信號經控制器計算得出轉速，與給定轉速相比得出差值，經過PI調節(jié)得到下一步的電流值。內環(huán)是電流環(huán)，根據(jù)檢測得到的反饋電流信號與給定的電流信號比較，其差值通過一定的PID算法，得到新的參考電流，去控制下一步的PWM占空比[3]。

圖4 無刷直流電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)Fig.4 Double-loop control system of the BLDCmotor system

電機的控制系統(tǒng)的控制器選用LPC2210[4]，LPC2210采用ARM7TDMI內核[5-6]，低功耗，可以運行多任務實時操作系統(tǒng)（如uC/OS-Ⅱ）具有6個單邊沿控制 （或3個雙邊沿控制）PWM輸出，8路10位A/D轉換器，2個32位定時器，分別具有3路和4路32位的捕獲通道[7]。電機控制原理圖如圖5所示。電機控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包括以下幾個部分。

圖5 電機控制原理圖Fig.5 Schematics of the BLDCmotor control system

1）驅動電路，LPC2210控制器輸出PWM信號需要經過信號放大再去驅動逆變器，驅動電路采用IR2130，其偏置電壓可達到600 V，驅動電流200~420 mA，而且6路驅動只需要1個+15~20 V直流電壓電源，功率開關管選用IRG4PH40K，它是N溝道增強型IGBT。為了使電路有良好的電磁兼容使用光耦隔離器TLP521，它是三路位置信號的光耦隔離。

霍爾元件根據(jù)轉子現(xiàn)在所處的位置發(fā)出的位置狀態(tài)信息，LPC2210接收到位置信息后，發(fā)出相應電樞電流換向信號，經過光藕隔離，電樞電流換向信號經過驅動電路再去驅動功率管，而功率管的負載就是無刷直流電動機的電樞了，這樣電樞電流換向信號就可以控制加到無刷直流電動機的電樞電壓和電流，這時電樞產生的磁勢和轉子永磁磁場產生的磁勢相互作用使轉子不停的旋轉[8]。

2）保護電路，全橋逆變器中最害怕的是逆變器的上下橋臂同時導通，這時驅動電路就處于短路狀態(tài)，橋臂上驅動功率管會因為電流過大而瞬間燒毀，所以在設計驅動電路方面，在這個閉環(huán)控制系統(tǒng)中加入了一個電流反饋電路，對功率管電流進行監(jiān)測，若電機在運行過程中出現(xiàn)電流過大，LPC2210處理器通過A/D采集到這個信號后馬上禁止PWM輸出，使逆變器的上下橋臂就處于關斷狀態(tài)。同時，根據(jù)A/D轉換，可以實時監(jiān)測每一相電樞電流，相應調整PWM輸出的占空比可以達到調節(jié)電機轉速的目的。

3）轉子位置檢測。在一個周期內，無刷直流電動機內的位置傳感器輸出6種有效的狀態(tài)，分別對應轉子的不同位置。轉換成換向邏輯，LPC2210的GPIO口通過讀取換向邏輯知道轉子的位置。當輸入信號跳變時，LPC2210的定時器可選擇使捕獲事件產生中斷，而進行中斷處理換向。

3 軟件設計

系統(tǒng)使用uC/OS-Ⅱ實時操作系統(tǒng)，本系統(tǒng)代碼精簡，可移植性好，多任務，搶先式，很適合做電機控制。

中斷服務程序是軟件設計的重點，主要包括獲取轉子位置信息（電樞電流換向），對電樞電流的采樣，輸出PWM信號以及過電流保護程序。

1）通過讀取連接電機位置傳感器的LPC2210 GPIO口可以獲得轉子的位置信息，當IO口的當前狀態(tài)和前一讀取的狀態(tài)一樣，說明電樞電流的方向還不需要改變，保持PWM信號輸出不變。當IO口的當前狀態(tài)發(fā)生了變化，就需要改變電樞電流的方向了，LPC2210的定時器可以捕獲輸入霍爾傳感器的信號而產生換向處理中斷。

2）通過電流傳感器獲取電樞電流大小，經過A/D轉換，控制器通過把轉換值與設定值比較，若電流比預定的大就要減小輸出PWM信號占空比的值，反之就要增大占空比的值，若電流大小超過的電樞電流的極限值，就產生最高級別的中斷申請，禁止PWM輸出，起到保護驅動電路的目的。

系統(tǒng)軟件主程序主要完成系統(tǒng)初始化和雙閉環(huán)PI參數(shù)的設定，電機轉速計算和電機啟動停止控制等功能。主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序軟件流程圖Fig.6 Flow chart of the main software design

4 結束語

以LPC2210芯片為核心的無刷直流電動機控制系統(tǒng)，硬件電路簡單可靠，采用不同優(yōu)先級的中斷服務，保證了電機工作實時性和可靠性?；趗C/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的支持，本控制系統(tǒng)具有良好的擴展性，可根據(jù)需要創(chuàng)建新任務。同時軟件設計的通用性良好，只需修改與硬件相關的少許代碼，就可以應用到不同的處理器中。

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