基于LPC2132的无刷直流电机控制系统设计

刘雄

（中国煤炭科工集团 太原研究院，山西 太原 030006）

基于LPC2132的无刷直流电机控制系统设计

刘雄

（中国煤炭科工集团 太原研究院，山西 太原 030006）

简述了无刷直流电机的主要特点，介绍了基于LPC2132的无刷直流电机控制系统的设计制作过程及特点。对硬件设计及软件设计中应注意的几个问题进行了讨论。控制系统代码精简，运行快速、可靠。实验证明，使用无位置传感器的方法对无刷直流电机进行监测和控制，能达到良好的运行效果，具有一定的推广价值。

无刷直流电机；无位置传感器；闭环；反馈

0 引言

无刷直流电机（Brushless DC Motor，BLDCM）是近年来迅速成熟起来的一种新型的机电一体化产品。它以电子换向取代了传统直流电动机由换向器和电刷组成的机械换相结构，具有直流电动机优良的启动和调速特性(启动转矩大、启动电流小、调速范围宽)。同时无刷直流电动机又具备交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点。

该电机由定子、转子和转子位置检测元件霍尔传感器等组成，由于没有励磁装置，效率高、结构简单、工作特性优良，而且具有体积更小、可靠性更高、控制更容易、应用范围更广泛、制造维护更方便等优点，使无刷电机的研究具有重大意义。

传统的无刷直流电机驱动需在电机轴上安装位置传感器，而它的存在给无刷直流电机的应用带来了一些缺陷和不便，在增加成本的同时降低了系统的可靠性，并且在某些场合由于传感器的限制而无法得到应用。无位置传感器电机比有位置传感器电机在适用范围上更为广泛。

1 无刷直流电机的基本原理

无刷直流电机的原理很简单即：当给内置霍耳传感器接通电源时，这些霍耳传感器将信号输入到控制器，其实这些信号间接反映了转子所处的位置，控制器对这些信号经过判断之后，作出相应的输出，并给相应的线圈通电，通电产生了磁场。因为同性相斥，异性相吸的原理，定子和转子就相对移动。

普通无刷电机的定子是线圈（上面连有霍耳传感器），于是转子（磁钢及轮子）受迫转动。转子的转动，内置霍耳传感器的输出信号便发生改变，控制器又输出不同方向的电流而该输出产生的磁场又刚好再次和固定磁场（磁钢）同性相斥，异性相吸，结果再次迫使转子转动，接着霍耳传感器的输出信号又再次发生改变。这样周而复始，轮子就可以不断转动。

2 系统总体设计

2.1 LPC2132简介

系统电路中采用的主控芯片为LPC2132。它是采用32位ARM7TDMI-STM CPU的嵌入式微控制器，带有64KB高速Flash存储器，有一 10位 8路 ADC、6路PWM通道和47个GPIO以及多达9个边沿或电平触发的外部中断接口，并具有极低的功耗，使它特别适用于小型工业控制和医疗系统应用。LPC2132最小系统包括有振荡器电路、复位电路、JTAG调试接口等电路，系统为3.3 V电源供电。复位电路中采用了专用的微控制器复位芯片MAX809为LPC2132提供可靠的复位信号。JTAG调试接口可通过简易的H-JTAG仿真器将程序固化到LPC2132的Flash中，也支持在线调试。本设计中通过JLINK仿真器对系统进行在线调试，并通完成程序的固化。

2.2 系统控制方案

无位置传感器无刷直流电动机控制的关键在于电流换向时刻的决定，即根据转子位置信息，来确定定子三相绕组的通电模式。本课题采用反电势法对转子的位置信息进行估算，通过测量定子端电压和相电流，就可计算出转子位置和转子的速度，从而实现对无刷直流电动机的控制。系统的控制框图如图1所示。

系统的控制由位置环、转速环、电流环三环组成，最内环为转子位置检测环，获得转子的位置信息，确保电机能够正确地进行换相；第二个控制环是电流环（ACR），它用来调节定子磁场的大小，定子磁场的大小正比于流过定子线圈的电流，控制定子线圈的电流即可以定子磁场的大小；最外环为转速环 （ASR），它将给定的速度信号与经转子位置检测后计算的速度信号之差作为速度环的输入，实现转速的实时反馈与调整。

图1 系统的控制框图

2.3 系统硬件设计

以LPC2132微控制器为核心的无刷直流电动机无传感器系统硬件结构如图2所示。本系统所用无刷直流电动机定子绕组为三相Y型连接，采用两相导通三相六拍运行方式。主要有以下几个部分组成：系统主控电路、显示电路、功率驱动电路、信号检测和保护电路。

由于反电势是难以直接测取的模拟信号物理量，反电势过零信号的检测实际上是通过检测三相绕组端电压，经计算间接地得到反电势过零信号。

主回路上电流的检测是通过检测位于在逆变电路的低电压端与地之间串连的采样电阻的电压来实现的。输出的电流信号经过精密电阻转换为电压信号，再经过运算放大器处理后，送入LPC2132的模数转换模块。电流采样周期为50μs。

图2 系统硬件结构原理图

由于本系统采用无传感器控制，取消了传统的位置传感器和速度传感器，因此速度反馈信息只能够通过对无传感器控制方法检测到的转子位置信息加以处理来得到。其原理是：根据在一定时间间隔内转子位置的变化来计算转速。转速计算公式：

式中：p—极对数；△T—速度环调节周期（本系统中为60ms），△θ为△T时间段内的转子位置变化量。在实际计算中，本系统是通过计算△T内电机换相的个数乘以一个换相区间60°电角度的方法来计算△θ。

BLDCM属于两相馈电式电动机，即无论转子处于什么位置，都只有两相绕组通电，其转速表达式：

式中：R0=2R，R—电动机一相等效电阻；Ke—电动势系数；Ud0—加到两相绕组间的直流平均电压值；Ud0= ρUd，其中Ud—直流母线电压，ρ—PWM调制波占空比。

由上式可见，只需对三相桥式逆变器进行PWM调制，就可以方便地改变其直流端电压，从而实现无级调速。这与普通有刷直流电动机的调压调速是非常相似的，改变占空比ρ，即可得到一组互相平行的机械特性曲线，其开环机械特性较硬，具有较宽的调速范围。

2.4 系统软件设计

系统的主程序流程如图3所示。主要包括两大模块。即初始化模块和T0定时器中断模块。初始化模块主要完全成系统时钟、看门狗、I/O端口、232端口，系统中断设置以及软件中各变量的初始化，然后进入电机预启动程序。电机预启动完毕，程序将等待T0的中断请求信号。T0的中断服务程序流程如图4所示。在T0中断服务程中，控制器LPC2132每隔50μs对定子端电压及相电流进行采样。程序中用两个全局变量dl_cnt和sd_cnt对中断次数进行计数，dl_cnt计数满4次则进行电流环调节，sd_cnt计数满1000，则进行速度环调节，即电流环每200μs调节一次，速度环60ms调节一次。进行中断程序后，先进行定子端电压和相电流的采样计算，接着dl_cnt开始计数，若未到计数值则跳转到对sd_cntT计数；若dl_cnt到计数值，则通过采样值计算出转子的转速和转角；然后sd_cnt加1，达到计数值则进行转速调节，否则直接计算出新的PWM值，生成适当的PWM信号，再计算出转子位置信号，判断是否需要换相，把适当的PWM信号施加到驱动电路上。

图3 系统主程序流程图

图4 定时器T0中断子程序流程图

2.5 实验验证

加载系统会自动调节输入电压的占空比，增加驱动力。比如设速度为全速的一半，驱动信号，加载后，占空比自动加密，最终达到全部开启状态。

经实际使用示波器测量验证图5中所示的2路驱动信号，分别属于某一桥壁的上下两只MOSFET的驱动信号，比较可知，每支开关管一周期导通120°，并且2路驱动信号间不可能重合。图6中（a）、（b）所示的波形分别为半速时和全速时线圈内的电流变化。

图5 逆变器中两只MOSFET的驱动信号

3 总结

所设计的基于LPC2132微处理器的无刷直流电动机的控制系统，代码精简，控制系统快速、可靠。用串口连接上位PC机来做显示，效果较好。由于该芯片控制能力强、主频高，优于 51系列单片机的各种性能，是控制无刷直流电动机的较理想的器件。实践证明，用LPC2132微控制器做核心的无刷直流电机控制系统，功耗小、运行良好，具有一定的推广价值。

图6 闭环控制中线圈内的电流变化

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Design of Control System of BLDC Motor Based on LPC2132

LIU Xiong
（Taiyuan Institute of China Coal Technology and Engineering Group,Taiyuan Shanxi 030006,China）

The main feature of Brushless DC Motor is described in brief,the functions,the characteristics and developing process of the control system based on LPC2132 are introduced.Several questions in the hardware design and the software design are discussed.The control system's code is simplified;the movement is fast and reliable.The experiment proved that,use the method of the non-position transducer for Brushless DC Motor to carry on the monitor and the control,good performance can be achieved,and it has certain promoted value.

BLDCM；non-position transducer；loop；feedback

TP273

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.055

1002－6673（2014）03－145－03

2014－03－21

刘雄（1981-），男，陕西神木人，硕士，助理工程师。毕业于东北大学机械电子工程学院，现在山西天地煤机装备有限公司内蒙古分公司工作。