2024年5月13日发(作者：galaxy note9)

黼　十　事ｉ　技　术鬲　毂广　

数控技术　

蝣　

基于ＡＲＭ　Ｃｏｔｅｒｘ－Ｍ４　

的多接口无刷电机控制系统　

常伯仪　

（天津大明电机股份有限公司技术部天津３００１３４）　

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　Ｃ０ｔｅｒ）（一Ｍ４控制系统　

中图分类－Ｎ－：ＴＭ３３　文献标识码ｉＡ　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　

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ｌ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　

２．１．１定子部分　

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　

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　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　

０　６０　１２０　１８０　２４０　３０ｏ　３６０　６０　

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　

ＰｈａｓｅＡ名　

小，也就是提高了电机体积重量比。　

２．１．３霍尔传感器　

ＰＩ黼Ｂ－Ｃ　

ＰｈａｓｅＣ－Ａ　

梯形反电势　

～　

～　

：：：：，　—　：　

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￣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　Ｃｏｎ—　

ｔｒｏｌ　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，　

数控技术　

备接口了。ＬＰＣ４３５０本身也集成了　

ＵＳＢ接口，配以简单的外围元件就　

可以直接连接普通电脑。Ｕｓｂ接口　

在本系统中承担了工作记录上传　

的作用。把系统保存的各种指令的　

运行日期，动作执行时间，故障信　

息记录，报警信息，远程设备连接　

记录等信息送达ＰＣ端软件。　

３．５　Ｍｏｄｂｕｓ　ＲＳ４８５接口　

ＲＳ４８５接口作为经典接口在　

工业控制领域得到了广泛的应用，　

大量的ＰＬＣ，Ｄｅｓ，工业触摸屏，二　

次仪表等子系统都兼容该协议，为　

此我们特别保留了该接口，并使用　

ＭＯＤＢＵＳ标准传输协议来进行数　

据访问。其硬件部分选用ＭＡＸＩＭ　

公司生产的ＭＡＸ４８５接口芯片，完　

成物理层连接。软件工作模式设定　

为固定的Ｍｏｄｂｕｓ　Ｓｌａｖｅｒ式便于　

其它系统访问内部数据，发送远程　

控制指令。　

图２电路的总体框图　

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　

３．６　Ｅｔｈｅｒｃａｔ以太网接口　

Ｅｔｈｅｒｃａｔ以太网接口是德国　

倍福自动化公司Ｂｅｃｋｈｏｆｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ＧｍｂＨ研发的一种开放　

的实时以太网络通讯协议，并作为ＩＥＣ　６１１５８的组成部分，通过ＥＴＧ　

委员会在全世界推广。本系统以太网部分采用了Ｍｉｃｒｅｌ公司生产的　

ＫＺＳ８０４１ＰＨＹＩ￣ｇ合ＨＸ１　１８８滤波器，组合成标准的１Ｏ／１００Ｂａｓｅ以太　

网络。　

３．７功率驱动电路　

ＬＰＣ４３５０是一款面向嵌入式和应用的包含ＡＲＭ　Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ４　

处理器和Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ０￣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。　

龉●十一ｊＩｃ广　　

功率输出部分采用日本东芝半导体公司生产的ＴＰＤ４１　３５Ｋ　

ＩＰＤ控制模块。该产品是专为驱动无刷电机设计的高压ＰＷＭ产品，　

输出电压为５００Ｖ，电流３Ａ，是制作中小功率电机控制器的理想产　

品。其内部包含三个分流电阻分别检测每相电流在低边提供过流保　

护功能。与ＣＰＵ之间接口可以使用普通的逻辑电平输入，通过内部　

的电荷泵电路上举驱动高边ＩＧＢＴ轻松接驳高压电路。过流、过热、　

欠压保护电路一应俱全为其可靠安全的工作提供了充分的保障。　

４、系统软件系统设计　

系统软件在ＫＥＩＬ开发环境下开发，使用Ｃ语言进行模块化编　

程，具有很强可靠性、可复用性和可移植性。软件的设计理念采用类　

似操作系统的以服务为单位的多线程控制方法，独立模块控制各个　

接口子系统并完成数据缓冲，通过数据共享数据区域交换信息状　

态，模块间数据达到信息共享指令同步。主要由电机控制程序、电动　

执行器工作模式控制程序和人机界面，外围接口驱动程序等组成。　

３．２　ＨＭＩ接口　

ＨＭＩ接口主要由键盘、ＬｅＤ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　

意外造成的高压进人微机系统。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　

５、结语　

ＳｕｎｐｌＵＳ生产的ＳＰＬＣ５０１　ＬＣＤ液晶显示模块为系统提供了１２８．６４　

本文介绍的无刷电机控制系统，具有硬件电路简单、成本低廉、　

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　

操作方便、通信可靠、接口众多的特点。适用于各种执行器类控制单　

松输入系统内部。　

元的远程操控，高精度点位控制，伺服控制，设备数据远程监控，多　

３．３　ＣＡＮ接口　

点群控等场合。方便连接各种二次测仪表、光电编码器、ＰＬＣ和上位　

ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）总线是近年来非常流行的　

机组态软件，其独有的Ｅｎｔｈｅｒｃａｔ接Ｅｌ更可作为标准高速多点串行　

多接人点串行工业控制网络，由于其具有抗干扰能力强、可靠性高、　

网络与其他设备组成高复杂度大规模控制系统。　

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　

参考文献　

的ＬＰＣ４３５０主控芯片内部更是集成了ＣＡＮ　２．ｏＲ制器，直接使用　

片内自动成帧等资源，操作十分简便。　

３．４　ＵＳＢ接口　

［１］ＬＰＣ４３ｘｘ　ＡＲＭ　Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ４／ＭＯ　ｄｕａｌ—ｃｏｒｅ　ｍ１ｃｒｏｃｏｎｔｒ０］］ｅｒ　ｕｓｅｒ　

ｍａｎｕａｌ　Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ　ＡＮ８８５　Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ＤＣ（ＢＬＤＣ）Ｍｏｔｏｒ　Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ．　

ＵＳＢ接口作为与ＰＣ机连接的桥梁，现在已经是不可或缺的必