ARM LPC2101的无刷直流电机控制方案

　　3.2 电机选择

　　设计选用150 W MAXON RE40电机。在12 V输入下，无负载的速度是6 920 r/s。最大连续电流是6A。PWM时基信号对电机噪声有很大的影响（因为人耳一般能听到的声波的频率范围是20 Hz～20kHz)，同时影响电机的表现性能。要防止整个周期中电流过零（就是通常所说的不连续的电流状态，当电机轻载时），如图5（b）所示。这种不连续电流会导致扭矩转速曲线非常陡，在电机中将产生某种脉冲，使电机转子产生更大的噪声，本电路使用MAXON电机，就是为了获得连续的电流模式，所选择的PWM脉冲频率是8kHz。

图5 PWM时基频率的影响

　　3.3 MOSFET选择

　　在系统中使用NXP半导体PH1875L N沟道MOSFET，相关的电机电压是12 V，电机启动的最大电流是103 A。作为12V的电机,MOSFET的电压Vds至少为40V。需要足够的灌电流来启动电机，可以通过软件控制在系统运行过程中减小电流。PH1875L需要使用的最大灌电流是45.8 A，漏电流是183A。PH1875L的SMD贴片封装如图6所示。

图6 SO669（LFPAK）封装

　　3.4 MOSFET驱动选择

　　MOSFET驱动提升了控制器输出信号驱动电机的能力。本设计选择NXP芯片PMD2001D和PMGD280UN，如图7所示。

图7 简化的MOSFETMOSFET全桥和半桥驱动电路

　　3.5 速度控制和方向控制

　　为了控制方向和电机速度，用10 kΩ的电位器，连接到LPC2101 ADC输入端（参见图4）。由于是10位A/D，实际上只需要8位就可以采用256个步进数值，如图8所示。采用10位A/D可以达到1024个步进数值。

图8 电位器模拟速度输入和方向

　　4 硬件与软件设计

　　4.1 硬件设计

　　控制部分的电路原理如图9所示。电源和电机部分的电路原理如图10所示。

图9 控制部分电路原理

图10 电源和电机部分电路原理

　　4.2 软件设计

　　软件部分采用C语言编写，使用Keil μVision（ARM7 RealView V3.0）开发环境。主函数实现如下功能：读取电位器数值来调整速度和电机方向；读取电机反电动势电流；设定PWM占空比和控制Q1~Q4MOSFET输出；执行RS232通信。图11表示控制系统流程。使用RS232接口每200ms给PC端计算机发送电机速度和电流、电压信息。电机控制软件部分状态机如图12所示。状态处理是在主程序循环中处理的，LPC2101的定时器2用于产生PWM信号。在每个PWM信号中断子程序进入后，可以通过改变占空比来调整既定电机速度并设置MOSFET输出控制Q1~Q4。定时器0用于10ms的系统定时。

图11 主程序流程

图12 状态流程

　　LPC2101配置使用Keil ARM开发环境中标准的启动代码，设定CCLK时钟为60 MHz，PCLK时钟为15MHz。相关测试代码包括main.c,adc.c,timer0.c,motor.c,uart.c,bcd.h等。

　　相关代码见本刊网站http://www.mesnet.com.cn/——编者注。

　　5 总结

　　使用LPC2101 ARM7内核开发无刷电机控制系统，代码精简，控制系统可靠。经过长时间实际测量证明，系统相关器件的选型设计是稳定的。另外，目前增强型51系列微处理器的价格、性能与LPC21系列相比较，LPC21系列功耗低，价格与普通8位机价格差不多，但是性能却比增强型51系列好。比如，带Modem的双串口，双I2C接口，带大容量的Flash和RAM存储区，多通道PWM，多个32位定时器，高精度10位A/D转换器等。因此，从芯片设计和系统设计上，该无刷电机产品有一定的推广价值。