基于ARM Coterx-M4的多接口无刷电机控制系统
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摘要：本文介绍无刷直流电动机的基本工作原理，及其机电特性。使用arm coterx-m4微控制器作为无刷直流电动机主控单元，并配备多种通信端口使得电机控制系统具备广泛的应用领域。
关键词：无刷直流电机 ARM Coterx-M4 控制系统
中图分类号:TM33 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)07-0011-02
1、直流无刷电机简介
无刷电动机（Brushless DC Motor BLDC）在汽车制造，消费类电子产品，生物制药，航空航天，工业自动控制等行业都应用的十分广泛。正如它名字中所蕴含的意思无刷直流电动机和普通直流电动机不同之处就是它不依赖传统的机械换向器，而用更为先进的电子换向器进行换向。因此，它在动态响应、操作寿命、运行噪声、速度/转矩、及效率等几个方面具有比普通直流电动机和普通交流感应电动机更高的性能。此外，无刷电机的转矩体积比也是非常高的相对于同等功率的普通电机它的体积要小很多，所以在很多要求临界体积重量比的场合也得到了广泛的应用。
2、直流无刷电动机的结构和基本工作原理
2.1 直流无刷电机的的结构
2.1.1 定子部分
定子部分和普通电机类似也是由硅钢片叠层铁心制成，并将线圈放置在沿轴向切割的线槽内。这种结构和传统的直流电动机非常相似，但是其线圈的绕制方法是截然不同的。大部分直流无刷电动机有三个星型连接的定子绕组，这三个绕组各自都是由多匝漆包线绕制而成的。定子线圈通常分为正弦形和梯形两种，它们的区别是线圈的内部连接方式不同，而且所产生的反电动式也有所不同。正如它们的名字所指出的那样，梯形电机产生的反电势是梯形的，而正弦型电机产生的电势是正弦型的。
如图1所示：
同样这两种类型的电动机其相电流也各也与各自的反电动式相同，分别为梯形和正弦型。这个特点使得正弦型电机比梯形电机的输出转矩更为平滑稳定。
2.1.2 转子部分
转子部分一般使用永磁材料制成，它可以被设计成2-8个N极和S交替的磁极对，根据转子所需的磁通密度来选择适当的磁性材料，多选择永久磁铁。目前流行的高端技术多是用稀土材料来制造转子部分，这是因为普通的铁氧体磁性材料很难达到较高的磁通密度。相比之下稀土合金材料则大大优于铁氧体，它的磁通密度远高于铁氧体，这样使得相同转矩下的电机使用稀土合金材料的体积更小，也就是提高了电机体积重量比。
2.1.3 霍尔传感器
不同于普通的有刷直流电机的机械换向器，BLDC的换向装置是电子控制的。为了使BLDC能够正常的旋转，定子绕组的线圈应该按照一定的顺序施加相应的电压。因此，了解任意时间内应该对那个绕组施加正确的电压就变得非常重要了。由此，霍尔传感器也就应运而生了，转子的位置检测是通过固定在定子上的霍尔传感器完成的。大部分BLDC有三个霍尔传感器，它们被镶嵌在电机非驱动端的尾部。当电机的磁极接近霍尔传感器时，它们便发出一个低或者高电平来指示出N或者S极正通过接近的传感器，根据霍尔信号反馈的数据正确的驱动信号就可以被确定了。
2.2直流无刷电机的运行原理
霍尔传感器通常被设置成60度和120度电角度，这个工作一般是由制造商完成的。以120度为例：运行时每隔120度电角度，霍尔传感器就会改变一次状态，每个周期有六个状态即六步驱动。也就是说电机每隔120度电角度就要改变一次相电流，是根据霍尔传感器反馈信号按真值表译码后对绕组施加相应的电压完成的。在完成每个电周期时并不意味着电机也完成了一个机械周期的旋转，由多少个这样的电周期来完成一个机械的旋转周期是由电机磁极对的数量来决定的，每一个磁极对在旋转期间都要完成一个电周期。
3、直流无刷电动机控制器硬件设计
系统采用PWM调速方式，通过CPU内部集成的Motor Control PWM专用脉冲产生控制模块，产生PWM控制信号。主功率电路时三相全桥式星型电路，智能IPD功率模块控制，具有过流过压，过热全功能保护。电机运行以“两相导通三相六状态”方式运行。控制方式以ARM Cortex-M4单片机为核心处理器系统的数字PID闭环控制。该系统拥有多种通信接口，支持各自独立的标准通信协议。（图2）
3.1 主控CPU LPC4350
LPC4350是一款面向嵌入式和应用的包含ARM Cortex-M4处理器和Cortex-M0处理器的双核芯构架的中央处理单元，该芯片采用了LBGA256、TFBFA180、LQFP208三种封装形式用于适应不同的应用规模，满足最佳的成本控制需求。它采用了高性能的双核心构架结构，运行频率高达204Mhz。指令执行时间只需几个纳秒，使其数据处理能力得到大幅度的提升，具备了传统MCU无法比拟的优异性能。片上集成了264kb的SRAM，四线SPI Flash存储器接口轻松满足60MB/S的吞吐能力，大大降低了CPU在串行总线取指所消耗的额外时间。此外LPC4350 集成了许多系统级的功能，这样可大大减少元件的数目和电路板面积并降低系统的成本。
3.2 HMI接口
HMI接口主要由键盘、LCD显示屏、数字开关量I/O三个部分组成。键盘通过直接连接LPC4350的GPIO来实现，配合辅助的电容滤波电路和软件去抖动程序避免错误信号干扰，准确输入操作信息。数字开关量I/O通过东芝TLP117光耦进行光电隔离，可以防止意外造成的高压进入微机系统。同时该光耦内部集成了施密特整形电路，将输入的干扰信号全部滤除，减小了系统的误动作。中国台湾Sunplus生产的SPLC501 LCD 液晶显示模块为系统提供了128*64分辨率的显示单元，可以清晰的显示汉字菜单，将用户交互参数轻松输入系统内部。
3.3 CAN接口
CAN（Controller Area Network）总线是近年来非常流行的多接入点串行工业控制网络，由于其具有抗干扰能力强、可靠性高、实时性好和易于使用等特点广泛的应用在各种控制领域。我们采用的LPC4350主控芯片内部更是集成了CAN 2.0控制器，直接使用片内自动成帧等资源，操作十分简便。