无刷直流电机控制系统的Proteus仿真

龙源期刊网仿真作者：王家豪潘玉民来源：《科技视界》2015年第27期【摘要】基于Proteus软件仿真平台，提出了一种对无刷直流电机（BLDCM）控制系统实现了转速闭环控制的方案。该系统以AT89S52单片机为核心，采用IR2101芯片驱动及AD1674实现速度，并利用数码动态显示转速，通过增量式PID调节对无刷直流电机实现转速闭环稳定控制。仿真结果表明该系统具有可控调速、显示直观等特点。【关键词】无刷直流电机（BLDCM）；Proteus；增量式PID；闭环控制0引言无刷直流电机（BLDCM）既有直流有刷电机的特性，又有交流电机无刷的优点，在快速性、可控性、可靠性、输出转矩、结构、耐受环境和经济性等方面具有明显的优势，近年来得到迅速推广[1]。BLDCM是一种用电子换向取代机械换向的新一代电动机，与传统的直流电动机相比，它具有过载能力强，低电压特性好，启动电流小等优点。近年来在工业运用方面大有取代传统直流电动机的趋势，所以研究无刷直流电机的驱动控制技术具有重要的实际应用价值。本设计采用增量式PID控制策略控制无刷电动机，并在Proteus平台上进行转速闭环系统仿真。搭建了无刷直流电动机转速控制系统的仿真模型，基于80C51控制核心，采用keilC51软件编写C程序。1系统硬件组成控制系统的硬件组成如图1所示。采用Atmel公司的AT89S52单片机为系统控制核心、IR2101驱动的MOSFET三相桥式逆变器、无刷直流电机、A/D转换转速检测、闭环PID控制、按键检测、档位和转速显示等部分组成。2控制系统核心及外围电路系统核心AT89S52单片机最小系统及按键电路如图2所示。AT89S52芯片是8位单片机，具有廉价、实用及运算快等优点，它有两个定时器，两个外部中断接口，24个I/O口，一个串行口。单片机首先进行初始化，将显示部分（转速显示、档位显示）送显“0”然后通过中断对按键进行检测当检测到启动键按下时，系统启动，控制核心输出初始控制码，与此同时通过AD龙源期刊网转换器读取当前的实时转速，一方面用于显示，另一方面将当前转速与设定转速送入PID控制环节然后输出下一时刻的控制码。在本次设计中使用80C51的外部中断接口0（INT0）作按键检测（见图3），通过四个与门，当有任何一个按键按下去时tap端都会出现低电平引发中断。P0口用作数据输出，P2口用作地址输出（P2.0—P2.1档位显示，P2.2pwm输出地址，P2.3转速检测地址，P2.4—P2.8转速输出显示地址）。由于所需按键比较少，所以采用独立按键，使用点动开关分别实现启动（OPEN）、加速（UP）减速（DOWN）、反转（CPL）、停止（CLOSE）。3无刷电机、逆变器及驱动模型Proteus软件中无刷电机模型如图4所示。它是建立在直流电机模型基础上，可以根据应用需要设定额定电压、空载转速、负载阻抗、转动惯量、绕组阻抗、绕组间互感等参数。模型的左侧是ABC三相电压输入，右侧为三个霍尔（HALL）传感器，用于实时监测转子的位置。在Proteus的元件库中，直流无刷电机有两种，bldcm-star与bldcm-triangle，即三相星型联接和三相角型联接。两者仅区别于绕组的连接方式。本文采用星型连接的无刷电机。该模型共有8个引脚：左侧A、B、C为三相电压输入端，最大输入电压为12V；右侧：sa、sb、sc是三个HALL传感器的输出端。下端：load为模拟负载输入端，omega为转子的角速度输出端，电压型输出，其输出电压乘以60即为实际转速。三相全桥电路为二二导通六状态导通方式，使用了6个N沟道功率MOSFET管，型号为SMP60N06，构成三相桥式逆变器。4闭环控制系统实验首先进行电机开环控制，再引入PID控制策略实现转速闭环调节。同时在系统中加入了按键检测以及转速显示，最后实现了对电动机的加速、减速、正反转等控制功能，以及在消除速度误差及稳速方面进行各种实验。为实际系统的设计制作提供了基础。4.1转速检测电路转速检测电路采用逐次比较型12位A/D转换器AD1674，采用双极性输入方式，由于输入电压范围为+10V～-10V所以在无刷电机的omega输出端接滑动变阻器分压。双极性输入时，输出的转换结果D与模拟输入电压VIN之间的关系为：式中VFS为满量程电压。龙源期刊网静态显示，由于对无刷电动机需要严格的时间控制，虽然动态显示的硬件连接简单而且功耗低，但是由于其需要一定的延时消除“残影”故不采用。5软件设计在本系统的设计中，采用80C51的定时器0定时产生驱动电路所需的控制脉冲，P1口的P1.0～P1.4分别接受OPEN、UP、DOWN、CPL、CLOSE五个按键信号；P1.5～P1.7用于接受无刷电动机的霍尔传感器的信号；外部中断0用于检测是否有按键按下；P2口用作地址输出口，其中，P2.0～P2.1档位显示，P2.2pwm输出地址，P2.3转速检测地址，P2.4～P2.8转速输出显示地址。软件共分七部分：主函数（main.c）、显示函数（led.c，led.h）、按键检测函数（botton.c）、PWM波发生函数（pwm.c）、电动机控制逻辑（controlfucntion.c，controlfunction.h）、AD转换部分（feedback.h，feedback.c）。系统上电后首先进行初始化（档位送显“00”，转速送显“0000”，）由于使用80C51的timer0为发送控制码的延时脉冲，所以还要对80C51的定时器设定初始值和开定时器中断。INT0作按键检测，需开外部中断0的中断允许。然后系统进入等待状态，等待OPEN被按下。当OPEN被按下，档位记录r=1同时档位送显“01”，然后将timer0的定时器启动位（TR0）置1即启动定时器，开始发送控制脉冲。同时启动AD转换读入实际转速，将实际转速和档位1的目标转速同时传送给PID函数得到下一时刻的延时控制。PID的整定选用Ziegler-Nichols整定法。6Proteus仿真结果及分析仿真时，设定目标转速为530r/min。仿真运行结果如图，图6为霍尔传感器输出信号，其中ChannelA，ChannelB，ChannelC对应BLDC-STAR的sa，sb，sc输出信号，ChannelD为BLDC-STARA项电压输出。7结语本文利用Proteus仿真软件设计了无刷直流电机仿真控制系统，完成了主控制器硬件电路、功率驱动电路、功率逆变电路、电流检测电路、转速检测电路的设计，通过C语言编程在控制器实现了转速电流双闭环增量PID控制，实现了对设定转速的恒速控制。实验结果表明，龙源期刊网所设计的系统能够满足无刷直流电机转速控制的设计要求，取得了良好的效果，对实际硬件电路的设计具有很大的辅助作用。【参考文献】[1]蒋辉平.基于Proteus的单片机系统设计与仿真实例[M].机械工业出版社，2012，7.[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统[M].机械工业出版社.2008，3.[3]姜志海.单片机的C语言程序设计与应用[M].电子工业出版社.2011，7.[4]赵希梅.直流无刷电动机原理与技术应用[M].2012.[5]刘刚.永磁无刷直流电机控制技术与应用[M].2012.[6]彭伟.单片机C语言程序设计实训100例：基于PIC+Proteus仿真[M].2012.[7]王晓明.电动机的DSC控制：微芯公司dsPIC应用[M].2012.[8]李晓斌，张辉，刘建平，利用DSP实现无刷直流电机的位置控制[J].机电工程，2005（03）.[9]刘宏.基于DSP的直流无刷电机电子调速器系统设计[J].黑龙江科技信息，2009（16）.[10]叶晓霞，徐烟红，郝浩.无刷直流电机的双闭环控制仿真[J].科技创业月刊，2010（12）.[责任编辑：邓丽丽]龙源期刊网龙源期刊网