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LPC2101 的貨源和報(bào)價(jià) LPC2101 的相關(guān)技術(shù)信息

其他型號(hào)

ARM LPC2101的無(wú)刷直流電機(jī)控制方案

　　ＬＰＣ２１０１是基于１６／３２位�。粒遥停贰。茫校涨度敫咚伲疲欤幔螅栝W存的微控制器，具備高性能，小體積封裝，低功耗，片上可選擇多種外設(shè)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍很廣。

　　其具備的多種３２位和１６位定時(shí)器、１０位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器和每個(gè)定時(shí)器上ＰＷＭ匹配輸出特性，尤其適用于工業(yè)控制。

　　無(wú)刷直流電機(jī)是一種易驅(qū)動(dòng)電機(jī)，適用于變速和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩很高的應(yīng)用，它的使用范圍從大規(guī)模的工業(yè)模具到調(diào)光控制的小型電機(jī)（１２Ｖ直流電機(jī)），外形和尺寸也是各種各樣。

　�。薄�無(wú)刷直流電機(jī)的基本原理

　　無(wú)刷直流電機(jī)一般由定子、轉(zhuǎn)子和金屬殼體等組成，如圖１所示，通過反向極性的吸引產(chǎn)生扭矩使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。一旦轉(zhuǎn)子開始運(yùn)轉(zhuǎn)，固定的刷子和轉(zhuǎn)子部分將不斷反復(fù)地連接、斷開，電動(dòng)勢(shì)和反電動(dòng)勢(shì)在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生，新的電極總是和定子極性相反。由于這種變換是固定的，因此轉(zhuǎn)子以一種固定的形式運(yùn)動(dòng)。通過給電機(jī)施加反向電壓和反向的轉(zhuǎn)子線圈電流，使南北極性翻轉(zhuǎn)，電機(jī)改變其運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)方向。

　　圖１　無(wú)刷電機(jī)組成

　　速度和電機(jī)的扭矩大小是依據(jù)電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度來控制的，而電機(jī)的旋轉(zhuǎn)能量是依賴于通過電流大小來控制的，因此調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)子的電壓和電流可以改變電機(jī)的速度。本電機(jī)速度的控制是根據(jù)ＬＰＣ２１０１微控制器的ＰＷＭ信號(hào)的變化而產(chǎn)生的。

　�。病�無(wú)刷直流電機(jī)的控制

　�。玻�１　雙向旋轉(zhuǎn)

　　驅(qū)動(dòng)有刷直流電機(jī)的雙向旋轉(zhuǎn)，可通過全橋驅(qū)動(dòng)電路改變電流來實(shí)現(xiàn)完成，如圖２所示。這個(gè)全橋驅(qū)動(dòng)電路由Ｎ通道的ＭＯＳＦＥＴ管組成，當(dāng)Ｑ２和Ｑ３關(guān)閉的時(shí)候，Ｑ１和Ｑ４導(dǎo)通電機(jī)正相旋轉(zhuǎn)；當(dāng)Ｑ１和Ｑ４關(guān)閉時(shí)，Ｑ２和Ｑ３導(dǎo)通電機(jī)反相旋轉(zhuǎn)。

　　圖２　使用全橋電路雙向旋轉(zhuǎn)

　�。玻�２　速度控制部分

　　無(wú)負(fù)載的電機(jī)速度與加到電機(jī)上的電壓有一定的比例關(guān)系，因此通過采樣加載到電機(jī)上的電壓，可以控制電機(jī)的速度。脈寬調(diào)制解調(diào)用于產(chǎn)生這種電壓的變化，如圖３所示。脈寬調(diào)制是基于占空比的固定頻率脈寬波形。加載到電機(jī)上的平均電壓與ＰＷＭ占空比成正比關(guān)系。

　　圖３�。校祝退俣瓤刂�

　�。校祝托盘�(hào)（Ｑ１和Ｑ２）根據(jù)ＬＰＣ２１０１微控制器定時(shí)器２的３個(gè)匹配寄存器決定信號(hào)的時(shí)基頻率。電機(jī)速度（占空比）和方向通過調(diào)整電位器輸入及改變ＬＰＣ２１０１�。粒模玫妮斎霐�(shù)值來控制，如圖４所示。

　　圖４　系統(tǒng)配置

　�。玻�３　電機(jī)反饋部分

　　低功耗電機(jī)電流測(cè)量是在ＭＯＳＦＥＴ和地之間使用電流傳感器（參見圖４）。通過電流傳感器的采樣電阻檢測(cè)微小電壓；通過在微控制器的前端進(jìn)行濾波和放大，電流采集總是在最高級(jí)別，在ＰＷＭ產(chǎn)生之前。這個(gè)操作通過外部定時(shí)器匹配中斷，中斷后先開始Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換數(shù)值代表了電機(jī)的電流。

　　低功耗無(wú)傳感器電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度反饋是通過反饋的ＥＭＦ電壓測(cè)量（參見圖４）。反電動(dòng)勢(shì)是通過電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和外部電磁場(chǎng)產(chǎn)生的。換句話說，電機(jī)表現(xiàn)得像一個(gè)發(fā)電機(jī)。ＲＰＭ和反電動(dòng)勢(shì)電壓是成直接正比關(guān)系的，反電動(dòng)勢(shì)測(cè)量是通過ＭＯＳＦＥＴ切換完成的（剎車模式）。本文中，ＢＥＭＦ測(cè)量用于檢測(cè)電機(jī)是否完全停止。電壓分壓是用于滿足反電動(dòng)勢(shì)電壓（最高為１２Ｖ）在０～３．３�。珠g的。

　�。场�無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用

　　３．１　選用ＬＰＣ２１０２

　�。蹋校茫玻保埃玻ú捎茫蹋眩疲校矗阜庋b）是目前ＬＰＣ２０００系列ＡＲＭ７家族中最小、最便宜的一款總線頻率高達(dá)７０ＭＨｚ的３２位ＣＰＵ處理器；有２�。耍碌撵o態(tài)ＲＡＭ和８ＫＢ的片上Ｆｌａｓｈ存儲(chǔ)區(qū)。對(duì)于使用ＵＳＢ、ＣＡＮ總線、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ以太網(wǎng)總線，可以選用ＬＰＣ２０００系列中更高級(jí)別的處理器。本文中ＬＰＣ２１０１，其ＣＰＵ使用代碼空間為３ＫＢ，ＣＰＵ負(fù)載小于５％。沒有使用內(nèi)部外設(shè)資源如下：ＵＡＲＴ、Ｉ２Ｃ、ＳＰＩ／ＳＳＰ、ＲＴＣ、２個(gè)定時(shí)器和４個(gè)Ａ／Ｄ輸入，２０個(gè)未用的Ｉ／Ｏ口可供用戶擴(kuò)展使用。

　�。常�２　電機(jī)選擇

　　設(shè)計(jì)選用１５０�。住。停粒兀希巍。遥牛矗半姍C(jī)。在１２�。州斎胂�，無(wú)負(fù)載的速度是６　９２０�。颍�ｓ。最大連續(xù)電流是６Ａ。ＰＷＭ時(shí)基信號(hào)對(duì)電機(jī)噪聲有很大的影響（因?yàn)槿硕�一般能聽到的聲波的頻率范圍是２０�。龋�～２０ｋＨｚ），同時(shí)影響電機(jī)的表現(xiàn)性能。要防止整個(gè)周期中電流過零（就是通常所說的不連續(xù)的電流狀態(tài)，當(dāng)電機(jī)輕載時(shí)），如圖５（ｂ）所示。這種不連續(xù)電流會(huì)導(dǎo)致扭矩轉(zhuǎn)速曲線非常陡，在電機(jī)中將產(chǎn)生某種脈沖，使電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生更大的噪聲，本電路使用ＭＡＸＯＮ電機(jī)，就是為了獲得連續(xù)的電流模式，所選擇的ＰＷＭ脈沖頻率是８ｋＨｚ。

　　圖５�。校祝蜁r(shí)基頻率的影響

　�。常�３�。停希樱疲牛赃x擇

　　在系統(tǒng)中使用ＮＸＰ半導(dǎo)體ＰＨ１８７５Ｌ�。螠系溃停希樱疲牛�，相關(guān)的電機(jī)電壓是１２　Ｖ，電機(jī)啟動(dòng)的最大電流是１０３�。痢Ｗ鳛椋保玻值碾姍C(jī)，ＭＯＳＦＥＴ的電壓Ｖｄｓ至少為４０Ｖ。需要足夠的灌電流來啟動(dòng)電機(jī)，可以通過軟件控制在系統(tǒng)運(yùn)行過程中減小電流。ＰＨ１８７５Ｌ需要使用的最大灌電流是４５．８　Ａ，漏電流是１８３Ａ。ＰＨ１８７５Ｌ的ＳＭＤ貼片封裝如圖６所示。

　　圖６�。樱希叮叮梗ǎ蹋疲校粒耍┓庋b

　　３．４�。停希樱疲牛则�(qū)動(dòng)選擇

　　ＭＯＳＦＥＴ驅(qū)動(dòng)提升了控制器輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的能力。本設(shè)計(jì)選擇ＮＸＰ芯片ＰＭＤ２００１Ｄ和ＰＭＧＤ２８０ＵＮ，如圖７所示。

　　圖７　簡(jiǎn)化的ＭＯＳＦＥＴＭＯＳＦＥＴ全橋和半橋驅(qū)動(dòng)電路

　�。常�５　速度控制和方向控制

　　為了控制方向和電機(jī)速度，用１０�。毽傅碾娢黄�，連接到ＬＰＣ２１０１�。粒模幂斎攵耍▍⒁妶D４）。由于是１０位Ａ／Ｄ，實(shí)際上只需要８位就可以采用２５６個(gè)步進(jìn)數(shù)值，如圖８所示。采用１０位Ａ／Ｄ可以達(dá)到１０２４個(gè)步進(jìn)數(shù)值。

　　圖８　電位器模擬速度輸入和方向

　�。础∮布�與軟件設(shè)計(jì)

　　４．１　硬件設(shè)計(jì)

　　控制部分的電路原理如圖９所示。電源和電機(jī)部分的電路原理如圖１０所示。

　　圖９　控制部分電路原理

　　圖１０　電源和電機(jī)部分電路原理

　�。矗�２　軟件設(shè)計(jì)

　　軟件部分采用Ｃ語(yǔ)言編寫，使用Ｋｅｉｌ　μＶｉｓｉｏｎ（ＡＲＭ７　ＲｅａｌＶｉｅｗ�。郑常�０）開發(fā)環(huán)境。主函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下功能：讀取電位器數(shù)值來調(diào)整速度和電機(jī)方向；讀取電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)電流；設(shè)定ＰＷＭ占空比和控制Ｑ１￣Ｑ４ＭＯＳＦＥＴ輸出；執(zhí)行ＲＳ２３２通信。圖１１表示控制系統(tǒng)流程。使用ＲＳ２３２接口每２００ｍｓ給ＰＣ端計(jì)算機(jī)發(fā)送電機(jī)速度和電流、電壓信息。電機(jī)控制軟件部分狀態(tài)機(jī)如圖１２所示。狀態(tài)處理是在主程序循環(huán)中處理的，ＬＰＣ２１０１的定時(shí)器２用于產(chǎn)生ＰＷＭ信號(hào)。在每個(gè)ＰＷＭ信號(hào)中斷子程序進(jìn)入后，可以通過改變占空比來調(diào)整既定電機(jī)速度并設(shè)置ＭＯＳＦＥＴ輸出控制Ｑ１￣Ｑ４。定時(shí)器０用于１０ｍｓ的系統(tǒng)定時(shí)。

　　圖１１　主程序流程

　　圖１２　狀態(tài)流程

　�。蹋校茫玻保埃迸渲檬褂茫耍澹椋臁。粒遥烷_發(fā)環(huán)境中標(biāo)準(zhǔn)的啟動(dòng)代碼，設(shè)定ＣＣＬＫ時(shí)鐘為６０　ＭＨｚ，ＰＣＬＫ時(shí)鐘為１５ＭＨｚ。相關(guān)測(cè)試代碼包括ｍａｉｎ．ｃ，ａｄｃ．ｃ，ｔｉｍｅｒ０．ｃ，ｍｏｔｏｒ．ｃ，ｕａｒｔ．ｃ，ｂｃｄ．ｈ等。

　�。怠】偨Y(jié)

　　使用ＬＰＣ２１０１�。粒遥停穬�(nèi)核開發(fā)無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)，代碼精簡(jiǎn)，控制系統(tǒng)可靠。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間實(shí)際測(cè)量證明，系統(tǒng)相關(guān)器件的選型設(shè)計(jì)是穩(wěn)定的。另外，目前增強(qiáng)型５１系列微處理器的價(jià)格、性能與ＬＰＣ２１系列相比較，ＬＰＣ２１系列功耗低，價(jià)格與普通８位機(jī)價(jià)格差不多，但是性能卻比增強(qiáng)型５１系列好。比如，帶Ｍｏｄｅｍ的雙串口，雙Ｉ２Ｃ接口，帶大容量的Ｆｌａｓｈ和ＲＡＭ存儲(chǔ)區(qū)，多通道ＰＷＭ，多個(gè)３２位定時(shí)器，高精度１０位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器等。因此，從芯片設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，該無(wú)刷電機(jī)產(chǎn)品有一定的推廣價(jià)值。

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