Cortex-M3的直流無刷電機控制系統的設計

引言
傳統的直流電機以其優良的轉矩特性和調速性能在運動系統中有著廣泛的應用，但機械電刷卻是它致命的弱點。電刷的存在帶來了一系列的問題，如機械摩擦、噪聲、電火花無線干擾，再加上壽命短、制造成本高及維修困難等缺點，從而大大限制了它的應用范圍。直流無刷電動機是利用電子換向裝置代替傳統的機械換向(電刷和換向器)的一種電動機，既保持了有刷電機的優良特性，又避免了電刷和換向器帶來的缺陷。本文以32位ARM Cortex-M3內核的高性能微處理器LPC1766為核心，設計了直流無刷電機控制系統。該系統電路簡單，軟硬件開發方便，具有較高的性價比。

1 LPC1766簡介
微控制器采用LPC1700系列ARM芯片LPC1766。LPC1766微控制器是整個控制系統的核心，它是基于ARM Cortex-M3內核的微控制器，是為嵌入式系統應用而設計的高性能、低功耗的32位微處理器。其操作頻率高達120 MHz，采用3級流水線和哈佛結構，帶獨立的本地指令和數據總線以及用于外設的低性能的第3條總線，使得代碼執行速度高達1．25 MIPS／MHz，并包含1個支持隨機跳轉的內部預取指單元。

2 控制系統硬件設計
無刷直流電機驅動控制系統中，由于轉速和轉矩均和電機電流有關，控制電機電流可以保證系統響應快速性，故本系統設計為無刷電機的雙閉環控制系統。雙閉環控制系統框圖如圖1所示。

根據系統的控制框圖和實際需要，設計的直流無刷電機控制系統主要由整流電路、智能功率模塊(Intelligent Power Module，IPM)、電壓和電流檢測與保護電路、驅動電路、直流無刷電機位置信號檢測環節以及控制電路和其外圍電路組成，如圖2所示。

當系統處在運行狀態時，通過外部鍵盤向控制器發送運行指令，并且載入運行參數。根據外部檢測到的電機的位置信號以及電機所處的運行狀態來改變控制器輸出的控制信號，從而調整電機的運行狀態。整流電路將220 V交流電變換為智能功率模塊所需的直流電。智能IPM模塊將整流電路整流輸出的直流電逆變為三相交流電供給電機。電壓檢測環節主要是實現電機運行時的保護。電流檢測環節主要是實現轉速、電流雙閉環控制和過流保護，從外部檢測到的電流信號經過采樣后，送到控制單元，控制單元根據檢測電流的大小來調整電流調節器的輸出，當出現過流故障時，電流檢測電路會向CPU發送一個過流信號。下面具體介紹系統硬件的一些主要模塊的設計。