基于LPC2210和uC/OS-Ⅱ的無刷直流電動機控制設計

摘要：文中從硬件和軟件兩個方面具體介紹了控制系統(tǒng)的設計結構，基于LPC2210豐富而強大的控制功能，以LPC2210為主控芯片設計的無刷直流電動機控制系統(tǒng)，具有實時性好和可靠性高的特點;同時采用uC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，不僅使多任務程序設計簡化，也使電機可以應用在復雜的需要處理多任務的場合。

關鍵詞：LPC2210;無刷直流電動機;uC/OS-Ⅱ;ARM

無刷直流電動機不僅繼承了直流電動機調(diào)速和啟動特性好，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)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，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(zhuǎn)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(zhuǎn)子位置傳感器可檢測到轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動。

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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)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(zhuǎn)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。

本文中的無刷直流電機采用i相星形橋式接法，如圖3所示。

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(chǎn)生不同方向的定子磁場，若定子磁場的方向超前轉(zhuǎn)子磁場90°電角度，則定子磁場對轉(zhuǎn)子磁場產(chǎn)生正的電磁轉(zhuǎn)矩，電機正轉(zhuǎn)。若電子磁場的方向滯后轉(zhuǎn)子磁場90°電角度，電機反轉(zhuǎn)。要使電機能夠同步運行并產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，需要保持定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場在空間上的相對靜止，使得產(chǎn)生的定子磁場的方向根據(jù)轉(zhuǎn)子位置的變化而變化。所以，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動一周的時間里，轉(zhuǎn)子位置傳感器把每一時刻轉(zhuǎn)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(chǎn)生相應的定子磁場，因此，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩，但是瞬時電磁轉(zhuǎn)矩與速度是不相等的，因此存在轉(zhuǎn)矩脈動分量。

從以上無刷直流電動機的轉(zhuǎn)動原理可知，電機的轉(zhuǎn)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(nèi)，無刷直流電動機內(nèi)的位置傳感器輸出6種有效的狀態(tài)，分別對應轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩角要求，使轉(zhuǎn)子能在持續(xù)平穩(wěn)的磁場中轉(zhuǎn)動。電機的轉(zhuǎn)速可以通過調(diào)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(diào)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(jīng)控制器計算得出轉(zhuǎn)速，與給定轉(zhuǎn)速相比得出差值，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)得到下一步的電流值。內(nèi)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。

電機的控制系統(tǒng)的控制器選用LPC2210，LPC2210采用ARM7TDMI內(nèi)核，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(zhuǎn)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。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。

1)驅(qū)動電路，LPC2210控制器輸出PWM信號需要經(jīng)過信號放大再去驅(qū)動逆變器，驅(qū)動電路采用IR2130，其偏置電壓可達到600 V，驅(qū)動電流200～420 mA，而且6路驅(qū)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(zhuǎn)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(jīng)過光藕隔離，電樞電流換向信號經(jīng)過驅(qū)動電路再去驅(qū)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(chǎn)生的磁勢和轉(zhuǎn)子永磁磁場產(chǎn)生的磁勢相互作用使轉(zhuǎn)子不停的旋轉(zhuǎn)。

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(qū)動電路就處于短路狀態(tài)，橋臂上驅(qū)動功率管會因為電流過大而瞬間燒毀，所以在設計驅(qū)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(zhuǎn)換，可以實時監(jiān)測每一相電樞電流，相應調(diào)整PWM輸出的占空比可以達到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的。