LPC2141的無刷直流電機控制系統設計

1 概 述

無刷直流電機是最常用的無刷電機。它易于驅動，速度可調且工作壽命長，適用于各類大小型工業應用，諸如小型馬達的控制(如12 V直流無刷電機)。

LPC2141是NXP公司推出的嵌入高速Flash閃存的32位ARM微控制器，具有高性能、小體積、低功耗、片上可選擇多種外設等優點，應用范圍很廣。LPC2141包括多個32位定時器、10位ADC和PWM輸出功能，通過匹配PWM定時器的輸出，可以適合于各種工業控制；芯片上集成USB，可以通過USB接口連接PC GUI(圖形用戶界面)軟件，方便地控制電機。

本文基于LPC2141的無刷直流電機控制系統設計，包括NXP公司完整的電機控制系統解決方案(NXP公司的ARM微控制器、MOSFET驅動器、MOSFET等)。無刷直流電機控制系統框圖如圖1所示。


2無刷直流電機原理

無刷直流電機由永磁轉子和三相定子組成，如圖2所示。無刷直流電動機不使用電刷換相，而是采用電子換相。通常，3個霍爾傳感器用來檢測轉子位置，通過檢測這些傳感器的不同時序來換相。


無刷直流電機控制(Brushless DC Motor Control，BLDC)馬達，比傳統的有刷直流電動機和三相異步電動機有更多的優勢，提供更長的使用壽命，具備更好的速度與轉矩特性、更低的噪聲和更寬的速度范圍。此外，由于電機的扭矩較大，對于矢量空間和重量起關鍵因素的場合更加實用。

在無刷直流電機中，電磁場不旋轉運動，而永磁旋轉，三相定子繞組保持靜態。這可能會產生一個問題，如何傳遞電流給運動的轉子。為了解決這個問題，電刷換向器被智能電子控制器所取代。有刷直流電動機中該控制器也執行相同的功率分配，但使用的是電路控制，而不是一個換向器／刷系統。

電動機的速度和扭矩取決于帶電繞組電機所產生的磁場的強度，磁場的強度又取決于通過的電流大小。因此，調整轉子電壓(或電流)將改變電機轉速。

3無刷直流電機的控制

3.1轉子的控制

無刷直流電機的驅動必須考慮在轉子的不同位置施加不同的電壓，即必須正確控制三相繞組系統的電壓相序，以便使定子磁場和轉子磁場之間的相角度始終接近90°，從而獲得最大的扭矩。因此，控制器需要一些控制策略來確定轉子的方向／位置(相對于定子線圈)。

本設計使用霍爾傳感器來直接測量轉子的位置(也有一些應用中使用旋轉編碼器，或者在驅動線圈中使用反電勢的方式)。當一個傳感器輸出180°電角度的高電平時，其他傳感器輸出180°的低電平。3個傳感器兩兩有60°相角度差，因此很容易將傳感器的輪換分為6個階段(通過3位二進制代碼表示)。圖3為三相橋電機驅動結構圖。表1則顯示了三相霍爾傳感器輸出電平值和實際的電機繞組MOS管驅動換相之間的關系。