無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的Proteus仿真(共7頁)

1、無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的Proteus仿真作者：王家豪潘玉民來源：科技視界2015年第27期        【摘 要】基于Proteus軟件仿真平臺(tái)，提出了一種對(duì)無刷直流電機(jī)（BLDCM）控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的方案。該系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)為核心，采用IR2101芯片驅(qū)動(dòng)及AD1674實(shí)現(xiàn)速度，并利用數(shù)碼動(dòng)態(tài)顯示轉(zhuǎn)速，通過增量式PID調(diào)節(jié)對(duì)無刷直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)穩(wěn)定控制。仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)具有可控調(diào)速、顯示直觀等特點(diǎn)。       &#

2、160;【關(guān)鍵詞】無刷直流電機(jī)（BLDCM）；Proteus；增量式PID；閉環(huán)控制        0 引言        無刷直流電機(jī)（BLDCM）既有直流有刷電機(jī)的特性，又有交流電機(jī)無刷的優(yōu)點(diǎn)，在快速性、可控性、可靠性、輸出轉(zhuǎn)矩、結(jié)構(gòu)、耐受環(huán)境和經(jīng)濟(jì)性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，近年來得到迅速推廣1。BLDCM是一種用電子換向取代機(jī)械換向的新一代電動(dòng)機(jī)，與傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)相比，它具有過載能力強(qiáng)，低電壓特性好，啟動(dòng)電流小等優(yōu)點(diǎn)。近年來在工業(yè)

3、運(yùn)用方面大有取代傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的趨勢(shì)，所以研究無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。        本設(shè)計(jì)采用增量式PID控制策略控制無刷電動(dòng)機(jī)，并在Proteus平臺(tái)上進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)仿真。搭建了無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的仿真模型，基于80C51控制核心，采用keil C51軟件編寫C程序。        1 系統(tǒng)硬件組成        控制

4、系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示。采用Atmel公司的AT89S52單片機(jī)為系統(tǒng)控制核心、IR2101驅(qū)動(dòng)的MOSFET三相橋式逆變器、無刷直流電機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速檢測(cè)、閉環(huán)PID控制、按鍵檢測(cè)、檔位和轉(zhuǎn)速顯示等部分組成。        2 控制系統(tǒng)核心及外圍電路        系統(tǒng)核心AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)及按鍵電路如圖2所示。        AT89S52

5、芯片是8位單片機(jī)，具有廉價(jià)、實(shí)用及運(yùn)算快等優(yōu)點(diǎn)，它有兩個(gè)定時(shí)器，兩個(gè)外部中斷接口，24個(gè)I/O口，一個(gè)串行口。        單片機(jī)首先進(jìn)行初始化，將顯示部分（轉(zhuǎn)速顯示、檔位顯示）送顯“0”然后通過中斷對(duì)按鍵進(jìn)行檢測(cè)當(dāng)檢測(cè)到啟動(dòng)鍵按下時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)，控制核心輸出初始控制碼，與此同時(shí)通過AD轉(zhuǎn)換器讀取當(dāng)前的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，一方面用于顯示，另一方面將當(dāng)前轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速送入PID控制環(huán)節(jié)然后輸出下一時(shí)刻的控制碼。        在本次設(shè)計(jì)中使用80C

6、51的外部中斷接口0（INT0）作按鍵檢測(cè)（見圖3），通過四個(gè)與門，當(dāng)有任何一個(gè)按鍵按下去時(shí)tap端都會(huì)出現(xiàn)低電平引發(fā)中斷。P0口用作數(shù)據(jù)輸出，P2口用作地址輸出（P2.0P2.1檔位顯示，P2.2pwm輸出地址，P2.3轉(zhuǎn)速檢測(cè)地址，P2.4P2.8轉(zhuǎn)速輸出顯示地址）。        由于所需按鍵比較少，所以采用獨(dú)立按鍵，使用點(diǎn)動(dòng)開關(guān)分別實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)（OPEN）、加速（UP）減速（DOWN）、反轉(zhuǎn)（CPL）、停止（CLOSE）。       

7、60;3 無刷電機(jī)、逆變器及驅(qū)動(dòng)模型        Proteus軟件中無刷電機(jī)模型如圖4所示。它是建立在直流電機(jī)模型基礎(chǔ)上，可以根據(jù)應(yīng)用需要設(shè)定額定電壓、空載轉(zhuǎn)速、負(fù)載阻抗、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、繞組阻抗、繞組間互感等參數(shù)。模型的左側(cè)是ABC三相電壓輸入，右側(cè)為三個(gè)霍爾（HALL）傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子的位置。        在Proteus的元件庫中，直流無刷電機(jī)有兩種，bldcm-star與bldcm-triangle，即三相星型聯(lián)接和三相

8、角型聯(lián)接。兩者僅區(qū)別于繞組的連接方式。本文采用星型連接的無刷電機(jī)。該模型共有8個(gè)引腳：左側(cè)A、B、C為三相電壓輸入端，最大輸入電壓為12V；右側(cè)：sa、sb、sc是三個(gè)HALL傳感器的輸出端。下端：load為模擬負(fù)載輸入端，omega為轉(zhuǎn)子的角速度輸出端，電壓型輸出，其輸出電壓乘以60即為實(shí)際轉(zhuǎn)速。        三相全橋電路為二二導(dǎo)通六狀態(tài)導(dǎo)通方式，使用了6個(gè)N溝道功率MOSFET管，型號(hào)為SMP60N06，構(gòu)成三相橋式逆變器。       &

9、#160;4 閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)        首先進(jìn)行電機(jī)開環(huán)控制，再引入PID控制策略實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)。同時(shí)在系統(tǒng)中加入了按鍵檢測(cè)以及轉(zhuǎn)速顯示，最后實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)機(jī)的加速、減速、正反轉(zhuǎn)等控制功能，以及在消除速度誤差及穩(wěn)速方面進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)。為實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作提供了基礎(chǔ)。        4.1 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路        轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路采用逐次比較型12位A/D

10、轉(zhuǎn)換器AD1674，采用雙極性輸入方式，由于輸入電壓范圍為+10V-10V所以在無刷電機(jī)的omega輸出端接滑動(dòng)變阻器分壓。        雙極性輸入時(shí)，輸出的轉(zhuǎn)換結(jié)果D與模擬輸入電壓VIN之間的關(guān)系為：        式中VFS為滿量程電壓。        4.2 轉(zhuǎn)速顯示部分及檔位顯示部分     

11、60;  顯示部分均采用7段共陰極二極管配合74LS373的led靜態(tài)顯示，由于對(duì)無刷電動(dòng)機(jī)需要嚴(yán)格的時(shí)間控制，雖然動(dòng)態(tài)顯示的硬件連接簡(jiǎn)單而且功耗低，但是由于其需要一定的延時(shí)消除“殘影”故不采用。        5 軟件設(shè)計(jì)        在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用80C51的定時(shí)器0定時(shí)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電路所需的控制脈沖，P1口的P1.0P1.4分別接受OPEN、UP、DOWN、CPL、CLOSE五個(gè)按鍵信號(hào)；P1.5P1.7

12、用于接受無刷電動(dòng)機(jī)的霍爾傳感器的信號(hào)；外部中斷0用于檢測(cè)是否有按鍵按下；P2口用作地址輸出口，其中，P2.0P2.1檔位顯示，P2.2pwm輸出地址，P2.3轉(zhuǎn)速檢測(cè)地址，P2.4P2.8轉(zhuǎn)速輸出顯示地址。        軟件共分七部分：主函數(shù)（main.c）、顯示函數(shù)（led.c，led.h）、按鍵檢測(cè)函數(shù)（botton.c）、PWM波發(fā)生函數(shù)（pwm.c）、電動(dòng)機(jī)控制邏輯（controlfucntion.c，controlfunction.h）、AD轉(zhuǎn)換部分（feedback.h，feedback.c）。

13、60;       系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化（檔位送顯“00”，轉(zhuǎn)速送顯“0000”，）由于使用80C51的timer0為發(fā)送控制碼的延時(shí)脈沖，所以還要對(duì)80C51的定時(shí)器設(shè)定初始值和開定時(shí)器中斷。INT0作按鍵檢測(cè)，需開外部中斷0的中斷允許。然后系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)，等待OPEN被按下。        當(dāng)OPEN被按下，檔位記錄r=1同時(shí)檔位送顯“01”，然后將timer0的定時(shí)器啟動(dòng)位（TR0）置1即啟動(dòng)定時(shí)器，開始發(fā)送控制脈沖。同時(shí)啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換

14、讀入實(shí)際轉(zhuǎn)速，將實(shí)際轉(zhuǎn)速和檔位1的目標(biāo)轉(zhuǎn)速同時(shí)傳送給PID函數(shù)得到下一時(shí)刻的延時(shí)控制。        PID的整定選用Ziegler-Nichols整定法。        6 Proteus仿真結(jié)果及分析        仿真時(shí)，設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速為530r/min。仿真運(yùn)行結(jié)果如圖，圖6為霍爾傳感器輸出信號(hào)，其中Channel A，Channel B，Channe

15、l C對(duì)應(yīng)BLDC-STAR的sa，sb，sc輸出信號(hào)，Channel D為BLDC-STAR A項(xiàng)電壓輸出。        7 結(jié)語        本文利用Proteus仿真軟件設(shè)計(jì)了無刷直流電機(jī)仿真控制系統(tǒng)，完成了主控制器硬件電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、功率逆變電路、電流檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)，通過C語言編程在控制器實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)增量PID控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)定轉(zhuǎn)速的恒速控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠滿足無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的

16、設(shè)計(jì)要求，取得了良好的效果，對(duì)實(shí)際硬件電路的設(shè)計(jì)具有很大的輔助作用。        【參考文獻(xiàn)】        1蔣輝平.基于Proteus的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例M.機(jī)械工業(yè)出版社，2012，7.        2陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)M.機(jī)械工業(yè)出版社.2008，3.     

17、0;  3姜志海.單片機(jī)的C語言程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用M.電子工業(yè)出版社.2011，7.        4趙希梅.直流無刷電動(dòng)機(jī)原理與技術(shù)應(yīng)用M.2012.        5劉剛.永磁無刷直流電機(jī)控制技術(shù)與應(yīng)用M.2012.        6彭偉.單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)100例：基于PIC+Proteus仿真M.2012.        7王曉明.電動(dòng)機(jī)的DSC控制：微芯公司dsPIC應(yīng)用M.2012.        8李曉斌，張輝，劉建平，