前 言

傳統(tǒng)的直流電機以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性和調(diào)速性能在運動系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)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(yīng)用范圍。直流無刷電動機是利用電子換向裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)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(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)計了直流無刷電機控制系統(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(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(jié)構(gòu)，帶獨立的本地指令和數(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1．25 MIPS／MHz，并包含1個支持隨機跳轉(zhuǎn)的內(nèi)部預(yù)取指單元。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

無刷直流電機驅(qū)動控制系統(tǒng)中，由于轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩均和電機電流有關(guān)，控制電機電流可以保證系統(tǒng)響應(yīng)快速性，故本系統(tǒng)設(shè)計為無刷電機的雙閉環(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)的控制框圖和實際需要，設(shè)計的直流無刷電機控制系統(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電路、驅(qū)動電路、直流無刷電機位置信號檢測環(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)處在運行狀態(tài)時，通過外部鍵盤向控制器發(fā)送運行指令，并且載入運行參數(shù)。根據(jù)外部檢測到的電機的位置信號以及電機所處的運行狀態(tài)來改變控制器輸出的控制信號，從而調(diào)整電機的運行狀態(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。電壓檢測環(huán)節(jié)主要是實現(xiàn)電機運行時的保護。電流檢測環(huán)節(jié)主要是實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制和過流保護，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，電流檢測電路會向CPU發(fā)送一個過流信號。下面具體介紹系統(tǒng)硬件的一些主要模塊的設(shè)計。

2．1 智能功率模塊及其驅(qū)動電路

本設(shè)計中智能功率模塊受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。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)計了故障保護機制，當(dāng)有過壓、過流或者過熱等故障出現(xiàn)時，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)電源為其單獨供電。

IPM內(nèi)部已經(jīng)包含功率器件的驅(qū)動和保護電路，使用時只需要提供驅(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個開關(guān)器件，而下橋臂的3個開關(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時間，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)電壓檢測保護電路必不可少。圖4為電壓檢測與保護電路。將直流側(cè)正負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，認為產(chǎn)生過壓現(xiàn)象，這時CPU控制單元必須立即發(fā)出停機命令，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閾值時，認為產(chǎn)生欠壓現(xiàn)象，這時CPU控制單元立即發(fā)出停機命令，停止逆變器的輸出。

2．3電流檢測與保護電路

電流檢測與保護電路如圖5所示。霍爾電流傳感器采集到的電流信號經(jīng)過電阻R1轉(zhuǎn)化為電壓信號，送往CPU進行A／D轉(zhuǎn)換。以進行電流環(huán)的控制；送往比較器LM393進行過流故障判斷。當(dāng)采集到的電壓信號V1大于過流閾值電壓V2時，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。這時常閉觸點斷開，接觸器斷電，斷開主回路。同時，CPU檢測到過流信號，軟件做出相應(yīng)的故障處理，及時地保護系統(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

根據(jù)直流無刷電機控制系統(tǒng)框圖可知，無刷直流電機控制系統(tǒng)的軟件主要實現(xiàn)無刷直流電機位置的檢測、轉(zhuǎn)速的計算、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。

主程序負責(zé)建立整個程序的一個運行框架，完成CPU初始化、運行環(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)展對直流無刷電機控制系統(tǒng)的性能要求不斷提高，對直流無刷電機的研究有著十分重要的現(xiàn)實意義。本文采用了ARM Cortex-M3內(nèi)核芯片LPC1766設(shè)計了直流無刷電機控制系統(tǒng)，開發(fā)了包括功率驅(qū)動和控制電路存內(nèi)的整個硬件系統(tǒng)，設(shè)計過程中力求設(shè)計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)可作為通用的電機控制硬件系統(tǒng)。