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基于ARM的无刷直流电机调速系统

2020-07-07 14:15:22     来源:电气新科技        

【大比特导读】本系统所选电机为无刷直流电机,配有霍尔位置传感器和编码器。霍尔位置传感器是集电极开路输出,因此在和微控制器接口时需要上拉电阻。编码器是双极差分信号输出,需要增加接收器26C32和微控制器接口。

针对无刷直流电机,基于ARM核的32位微控制器,提出了一种闭环调速系统方案。首先给出了系统组成结构图,然后详细阐述了各个功能模块电路的硬件实现方式,最后根据系统的控制策略,阐述了软件编程思想。

无刷直流电机的应用已从最初的航空、军事设施领域扩展到了办公自动化、家用电器、工业过程控制、精密机床和汽车电子等工业和民用领域。有专家认为无刷直流电机将作为信息时代的主要执行部件在各行各业得到最广泛的应用。尤其近年来国内电动车的普及,同时随着环保、节能的社会号召,电动汽车也应运而生,还有大部分家用电器,无不预示着无刷直流电机应用的飞速发展。

电机

传统的电机调速系统往往以普通的8位微控制器或性能强大的DSP作为控制核心,前者需要附加多种接口,实时性差,指令功能不强,运算速度慢,应用很受限制;而后者的价格较高,开发门槛高,可选择性差,只适合做一些中高端的应用。

基于ARM核的微控制器的出现较好地解决了以上问题,ARM处理器资源丰富,具有良好的通用性,其主要特点是高性能、低功耗、低成本。因此,本文基于ARM处理器LM3S2739,以当前应用广泛的无刷直流电机为研究对象,应用闭环调速策略,设计了一个全数字闭环调速系统。

1 系统组成及工作原理

系统硬件组成如图1所示。由图可知,系统主要由电源电路、控制电路、驱动电路、位置检测电路以及检测保护电路等组成。

2 模块电路设计

根据图1中的系统组成框图,下面以模块电路的形式逐一介绍各个电路的功能及其实现。

2.1 电源电路

电源模块的输入为220VAC、50Hz,提供6路输出:+15V-ISO、+5V-ISO、+15V、-15V、+5V、+3.3V,其中前两路与其它各路隔离。开关芯片采用PI公司生产的TOP260EN,此芯片在开放式模式下,其输出功率可达275W,能满足设计要求。

电源电路的设计关键点在于接地的处理,要特别注意以下几种地:驱动电源地、控制电源数字地、控制电源模拟地、电机三相电源地、设备外壳地、供电电源中性线等。正确合理的处理以上地电位对系统的正常运行、人身安全起决定性作用。除此之外,电路板宜采用多层板设计,高频信号加屏蔽,关键信号加滤波,成品加屏蔽外壳,以此来达到整机的电磁兼容性要求。

2.2 控制电路

控制电路是指调速系统中的弱电部分,主要包括:主控芯片、存储器接口、通讯接口、LED显示等电路。

主控芯片采用美国流明诺瑞(Luminary)公司基于Cortex-M3内核的32位ARM芯片LM3S2739作为控制核心芯片,该系列芯片是专为电机控制应用设计,丰富的外设使得外围电路实现起来非常简单,同时能有效缩小电路板体积。

为了保存用户参数,防止掉电丢失,本系统中设计了2K非易失存储空间,存储芯片采用24C02,利用LM3S2739的I2C功能模块,实现起来非常方便。

本系统设计了两种通讯接口:RS232串行接口和CAN总线接口。RS232接口一般用来实现上位机调试参数,接口芯片采用SP3232EUCY。 CAN总线可以很容易实现网络控制,接口芯片采用TJA1050。以上接口均采用光电隔离提高抗干扰性。

系统采用1位7段数码管显示状态,包括系统运行状态、故障状态等。数码管通过LM3S2739的同步串行接口(SSI)来控制,同时采用移位存储器74HC595来进行串并扩展。

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