Cortex-M3的直流无刷电机控制系统的设计

引言
传统的直流电机以其优良的转矩特性和调速性能在运动系统中有着广泛的应用，但机械电刷却是它致命的弱点。电刷的存在带来了一系列的问题，如机械摩擦、噪声、电火花无线干扰，再加上寿命短、制造成本高及维修困难等缺点，从而大大限制了它的应用范围。直流无刷电动机是利用电子换向装置代替传统的机械换向(电刷和换向器)的一种电动机，既保持了有刷电机的优良特性，又避免了电刷和换向器带来的缺陷。本文以32位ARM Cortex-M3内核的高性能微处理器LPC1766为核心，设计了直流无刷电机控制系统。该系统电路简单，软硬件开发方便，具有较高的性价比。

1 LPC1766简介
微控制器采用LPC1700系列ARM芯片LPC1766。LPC1766微控制器是整个控制系统的核心，它是基于ARM Cortex-M3内核的微控制器，是为嵌入式系统应用而设计的高性能、低功耗的32位微处理器。其操作频率高达120 MHz，采用3级流水线和哈佛结构，带独立的本地指令和数据总线以及用于外设的低性能的第3条总线，使得代码执行速度高达1．25 MIPS／MHz，并包含1个支持随机跳转的内部预取指单元。

2 控制系统硬件设计
无刷直流电机驱动控制系统中，由于转速和转矩均和电机电流有关，控制电机电流可以保证系统响应快速性，故本系统设计为无刷电机的双闭环控制系统。双闭环控制系统框图如图1所示。

根据系统的控制框图和实际需要，设计的直流无刷电机控制系统主要由整流电路、智能功率模块(Intelligent Power Module，IPM)、电压和电流检测与保护电路、驱动电路、直流无刷电机位置信号检测环节以及控制电路和其外围电路组成，如图2所示。

当系统处在运行状态时，通过外部键盘向控制器发送运行指令，并且载入运行参数。根据外部检测到的电机的位置信号以及电机所处的运行状态来改变控制器输出的控制信号，从而调整电机的运行状态。整流电路将220 V交流电变换为智能功率模块所需的直流电。智能IPM模块将整流电路整流输出的直流电逆变为三相交流电供给电机。电压检测环节主要是实现电机运行时的保护。电流检测环节主要是实现转速、电流双闭环控制和过流保护，从外部检测到的电流信号经过采样后，送到控制单元，控制单元根据检测电流的大小来调整电流调节器的输出，当出现过流故障时，电流检测电路会向CPU发送一个过流信号。下面具体介绍系统硬件的一些主要模块的设计。