基于Cortex-M3內核MCU的BLDCM控制器研究

摘要：用Cortex-M3內核32位高性能MCU設計一款通用性、控制性較好，性價比較高的BLDCM控制器。根據BLDCM的工作原理和MCU的良好性能進行了詳細設計。實現了對BLDCM的轉速、電流雙閉環控制，通過實驗測試了控制器的各項性能。該款基于32位MCU的控制器性能良好，結構緊湊，性價比高，具有較高實用價值。結合應用經驗發現，API函數支持下Cortex-M3內核的MCU在硬件控制和軟件編程方面較以往單片機等具有優勢，基于API函數支持的MCU應用將是未來趨勢。
關鍵詞：Stellaris；LM3S615；BLDCM；雙閉環；實驗測試

Luminary Micro的Stellaris(群星)系列MCU以其32位的性能和低至1美元的價格在微控制器領域表現出了卓越的優勢，其中的LM3S615便包含ARM公司最新推出的針對微控制器應用的Cortex-M3內核，另含10位兩通道ADC，6路帶死區PWM，6路CCP，3個模擬比較器、1個低壓差線性穩壓器、2個完全可編程的16C550-type UART、同步串行接口(SSI)、3個通用Timer，I2C、溫度傳感器等片內外設，以及32KBFLASH、8KB SR AM、高達34個GPIO管腳。它有豐富靈活的外設驅動庫函數及例程支持編程，可方便用于步進電機、無刷直流電機(BLDCM)、交流電機控制。
本文針對內含霍爾位置檢測傳感器的BLDCM，選用LM3S615設計一款通用性和控制性較好BLDCM控制器，并經過實驗對其基本性能進行了多方面測試。

1 BLDCM的工作原理
無刷直流電機由電機本體、轉子位置傳感器和逆變供電電路3大部分組成。電機本體包括定子(電樞)和轉子兩部分，定子一般為多相繞組，轉子由永磁材料按一定極對數組成。運行時轉子在電樞氣隙磁場帶動下旋轉，同時位置檢測傳感器將不斷檢測所得轉子位置信息反饋給控制器，控制器通過運算送出控制信號驅動逆變電路中的功率開關器件輪流導通，電樞繞組輪流通電，氣隙磁場不斷跳躍步進，轉子就不斷旋轉。控制器用以驅動開關器件的多為PWM信號，改變PWM的信號占空比可改變電樞的平均端電壓，進而可改變電機轉速，設計時應注意驅動開關的PWM信號邏輯關系要正確并應避免上、下橋臂直通。

2 基于LM3S615的BLDCM控制器的構成原理
基于LM3S615的BLDCM控制器結構原理見圖1。

2．1 主要硬件組成及原理
原理圖1同時給出了系統硬件組成及主要I／O分配。控制器對應的為三相無刷直流電機，電樞Y型接法，采用三相兩通六狀態供電方式和H_PWM，L_on單極性逆變橋控制(即繞組通電時下橋臂管一直導通，上橋臂管PWM調制)方式，這也能降低雙極性PWM控制帶來的較高開關損耗和噪音。
控制器通過ADC0通道(1#引腳)前端電位器設定轉速，對應的10位A／D轉換器會將轉速設定值轉換成數字量并保存在特定存儲單元中，此后系統啟動和運行時所需轉速設定值從該單元讀出，不需經常讀入和A／D轉換。LCD為能顯示16×2個字符的1602。它能實用來實時顯示轉速設定值、當前轉速值，系統故障代碼以及在設定P，I時顯示參數，圖2為1602與MCU的連接圖，圖中電位器可用于調節背光；通過啟動和停止按鍵控制電機啟停；設定按鍵四次按下可選擇設定兩個PI調節器的4個參數(即ASR和ACR的P、I參數)，增加和減小按鍵以0．1步距改變參數，設定；增加、減小3個按鍵在電機停止時可用，在運行期間無效，控制器的5個按鍵均通過單穩態觸發器74121后再接MCU的GPI0引腳，對這5個GPIO引腳可通過GPIO函數將工作方式設定為中斷；內嵌于電機的霍爾傳感器能將轉子位置轉換成脈沖信號并送給MCU，表1給出了3路霍爾信號邏輯組合及正反轉對應的功率器件導通順序。