Cortex-M3的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言
    傳統(tǒng)的直流電機(jī)以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性和調(diào)速性能在運(yùn)動系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，但機(jī)械電刷卻是它致命的弱點(diǎn)。電刷的存在帶來了一系列的問題，如機(jī)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(diǎn)，從而大大限制了它的應(yīng)用范圍。直流無刷電動機(jī)是利用電子換向裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械換向(電刷和換向器)的一種電動機(jī)，既保持了有刷電機(jī)的優(yōu)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(nèi)核的高性能微處理器LPC1766為核心，設(shè)計(jì)了直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)電路簡單，軟硬件開發(fā)方便，具有較高的性價(jià)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(gè)控制系統(tǒng)的核心，它是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器，是為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高性能、低功耗的32位微處理器。其操作頻率高達(dá)120 MHz，采用3級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，帶獨(dú)立的本地指令和數(shù)據(jù)總線以及用于外設(shè)的低性能的第3條總線，使得代碼執(zhí)行速度高達(dá)1．25 MIPS／MHz，并包含1個(gè)支持隨機(jī)跳轉(zhuǎn)的內(nèi)部預(yù)取指單元。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    無刷直流電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)中，由于轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩均和電機(jī)電流有關(guān)，控制電機(jī)電流可以保證系統(tǒng)響應(yīng)快速性，故本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為無刷電機(jī)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

    根據(jù)系統(tǒng)的控制框圖和實(shí)際需要，設(shè)計(jì)的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)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(hù)電路、驅(qū)動電路、直流無刷電機(jī)位置信號檢測環(huán)節(jié)以及控制電路和其外圍電路組成，如圖2所示。

    當(dāng)系統(tǒng)處在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，通過外部鍵盤向控制器發(fā)送運(yùn)行指令，并且載入運(yùn)行參數(shù)。根據(jù)外部檢測到的電機(jī)的位置信號以及電機(jī)所處的運(yùn)行狀態(tài)來改變控制器輸出的控制信號，從而調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。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?yōu)槿嘟涣麟姽┙o電機(jī)。電壓檢測環(huán)節(jié)主要是實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的保護(hù)。電流檢測環(huán)節(jié)主要是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制和過流保護(hù)，從外部檢測到的電流信號經(jīng)過采樣后，送到控制單元，控制單元根據(jù)檢測電流的大小來調(diào)整電流調(diào)節(jié)器的輸出，當(dāng)出現(xiàn)過流故障時(shí)，電流檢測電路會向CPU發(fā)送一個(gè)過流信號。下面具體介紹系統(tǒng)硬件的一些主要模塊的設(shè)計(jì)。
2．1 智能功率模塊及其驅(qū)動電路
    本設(shè)計(jì)中智能功率模塊受CPU輸出的6路PWM信號控制，它將整流電路整流輸出的直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟姽┙o電機(jī)。本系統(tǒng)采用的是東芝公司設(shè)汁制造的智能功率模塊MIG20J501L，如圖3所示。智能功率模塊MIG20J501L集功率開關(guān)電路和驅(qū)動電路于一身，內(nèi)有6個(gè)并聯(lián)了續(xù)流二極管的IGBT，直接構(gòu)成三相全橋逆變器。在控制信號與智能功率模塊的門級信號之間需要加光電隔離器件進(jìn)行光電隔離。LPC1766輸出的6路PWM信號經(jīng)過快速光耦光電隔離后送給智能功率模塊MIG20J501L的IN(U)、IN(V)、IN(W)、IN(X)、IN(Y)、IN(Z)端口，控制導(dǎo)通IPM內(nèi)部相應(yīng)的IGBT管。IPM內(nèi)部設(shè)計(jì)了故障保護(hù)機(jī)制，當(dāng)有過壓、過流或者過熱等故障出現(xiàn)時(shí)，相應(yīng)的故障輸出端VFO會輸出故障信號。為提高智能功率模塊工作的可靠性，采用開關(guān)電源為其單獨(dú)供電。

    IPM內(nèi)部已經(jīng)包含功率器件的驅(qū)動和保護(hù)電路，使用時(shí)只需要提供驅(qū)動電源和PWM波形的開關(guān)控制信號。驅(qū)動電源需要4路隔離的電源，其中3路隔離電源分別供給逆變橋上橋臂的3個(gè)開關(guān)器件，而下橋臂的3個(gè)開關(guān)器件共用1路電源?？紤]到IPM的高頻開關(guān)工作能力，PWM波形的開關(guān)控制信號的傳輸隔離電路應(yīng)具有盡可能短的傳輸延時(shí)時(shí)間，以提高驅(qū)動電路參數(shù)的一致性。
2．2 電壓檢測與保護(hù)電路
    直流側(cè)電壓上升或下降過快會導(dǎo)致系統(tǒng)工作異常，甚至損壞逆變器，因此直流側(cè)電壓檢測保護(hù)電路必不可少。圖4為電壓檢測與保護(hù)電路。將直流側(cè)正負(fù)母線電壓引入檢測板，經(jīng)過電阻分壓后為比較器LM339提供電壓信號。A1為過壓比較器，V1為預(yù)先設(shè)定的較高電壓值。當(dāng)母線分壓信號Vi大于V1時(shí)，認(rèn)為產(chǎn)生過壓現(xiàn)象，這時(shí)CPU控制單元必須立即發(fā)出停機(jī)命令，停止逆變器的輸出。當(dāng)母線分壓信號Vi小于V3與電源電壓所確定的某個(gè)閾值時(shí)，認(rèn)為產(chǎn)生欠壓現(xiàn)象，這時(shí)CPU控制單元立即發(fā)出停機(jī)命令，停止逆變器的輸出。

2．3 電流檢測與保護(hù)電路
    電流檢測與保護(hù)電路如圖5所示?；魻栯娏鱾鞲衅鞑杉降碾娏餍盘柦?jīng)過電阻R1轉(zhuǎn)化為電壓信號，送往CPU進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。以進(jìn)行電流環(huán)的控制；送往比較器LM393進(jìn)行過流故障判斷。當(dāng)采集到的電壓信號V1大于過流閾值電壓V2時(shí)，即出現(xiàn)過流現(xiàn)象，比較器LM393輸出引腳變低，光電耦合器O1開通，三極管飽和導(dǎo)通，繼電器JZ1線圈通電，而它的常閉觸點(diǎn)3B和3C串聯(lián)在為主回路供電的主接觸器的線圈回路中。這時(shí)常閉觸點(diǎn)斷開，接觸器斷電，斷開主回路。同時(shí)，CPU檢測到過流信號，軟件做出相應(yīng)的故障處理，及時(shí)地保護(hù)系統(tǒng)。

2．4 串行通信接口電路
    采用RS-485接口，利用MAX485作為LPC1766的接口驅(qū)動芯片，MAX485通信接口電路如圖6所示。由于RS-485為雙半工通信結(jié)構(gòu)，因此用一個(gè)I／O口來控制器件處于接收或發(fā)送狀態(tài)。

3 軟件設(shè)計(jì)
    根據(jù)直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)框圖可知，無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件主要實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)位置的檢測、轉(zhuǎn)速的計(jì)算、電流與轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)、PWM信號的生成以及故障信號的處理等功能。直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件主要包括中斷服務(wù)程序、位置檢測、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電流調(diào)節(jié)、換向調(diào)節(jié)、PWM波生成等幾部分。
    主程序負(fù)責(zé)建立整個(gè)程序的一個(gè)運(yùn)行框架，完成CPU初始化、運(yùn)行環(huán)境的定義等工作。系統(tǒng)主程序流程如圖7所示。

    采用模塊化的程序設(shè)計(jì)使得各模塊的編寫和調(diào)用變得更方便靈活，程序模塊緊密地銜接在一起。這樣編寫出來的程序思路清晰，并且具有良好的可讀性和可移植性，方便調(diào)試和調(diào)用。
    部分程序代碼如下：
   
   

結(jié)語
    現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展對直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的性能要求不斷提高，對直流無刷電機(jī)的研究有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文采用了ARM Cortex-M3內(nèi)核芯片LPC1766設(shè)計(jì)了直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)，開發(fā)了包括功率驅(qū)動和控制電路存內(nèi)的整個(gè)硬件系統(tǒng)，設(shè)計(jì)過程中力求設(shè)計(jì)出能夠滿足各種高性能控制策略的硬件系統(tǒng)，因此選用ARM、IPM等高性能器件。在擴(kuò)展了必要的外圍接口電路后，該硬件系統(tǒng)可作為通用的電機(jī)控制硬件系統(tǒng)。