基于Proteus和AVR單片機的無刷直流電機控制系統(tǒng)仿真

孫曉旭，王勁松，安志勇

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長春 130022）

永磁無刷直流電動機不使用電刷和換向器組成的機械換向機構(gòu)而是使用電子的直流電動機。永磁無刷直流電機首先不會出現(xiàn)諸如電刷引起的摩擦和電火花、因機械換相機構(gòu)而導(dǎo)致的壽命短等問題；其次無刷直流電機在結(jié)構(gòu)上有一定的簡化，轉(zhuǎn)子上安裝永磁體，定子上安裝電樞繞組，因而在導(dǎo)熱方面效果更好。這樣既能保持直流電動機在啟動和調(diào)速方面的出色特性，同時又在運行穩(wěn)定性和能量轉(zhuǎn)換效率等方面保持一定的優(yōu)勢，進而提高電機運行的經(jīng)濟性。單片機盡管在性能上不如DSP芯片，但卻有更低的價格，外部電路設(shè)計簡單，在通常狀況下單片機的控制功能和處理速度也可以達到的需求，所以這里選擇單片機作為直流無刷電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的主控芯片[1]。

Proteus軟件目前在單片機仿真及其他相關(guān)的外圍器件的仿真方面，Proteus是一個非常實用的工具軟件?？梢允褂肞roteus完成硬件電路的設(shè)計，可以對單片機在內(nèi)的一些微處理器進行編程，在微處理器上實現(xiàn)不同的控制算法，并且仿真過程中的控制效果可以直觀觀測。文中采用Proteus仿真平臺設(shè)計了以AVR單片機為控制核心的無刷直流電機仿真控制器，把有效的理論實踐基礎(chǔ)應(yīng)用到實際系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中。

1 Proteus中的無刷直流電機模型

無刷直流電機模型是在直流電機模型基礎(chǔ)之上建立的，根據(jù)應(yīng)用需要可在Proteus軟件中對電機的參數(shù)進行設(shè)定，包括電機的額定使用電壓、空載狀態(tài)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量、定子繞組的阻抗及定子繞組間的互感等參數(shù)。軟件提供定子繞組為星型連接（STAR）和三角形連接（TRIANGLE）兩種模型，在此選用星型連接的無刷直流電機模型，該電機模型中自帶有3個霍爾位置傳感器，用于轉(zhuǎn)子位置的檢測。

2 硬件電路設(shè)計

硬件電路主要包括單片機的硬件電路、電機的驅(qū)動電路、功率逆變電路、運行電流檢測電路、轉(zhuǎn)速檢測電路等[1]。原理框圖如圖1所示。

2.1 主控制電路

圖1 無刷直流電機控制系統(tǒng)硬件框圖Fig.1 Brushless DCmotor control system hardware block diagram

主控芯片選擇ATmega128單片機，電路如圖2所示。ATmega128芯片采用RISC結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性高，應(yīng)用廣泛。其外設(shè)具有 6路分辨率可編程 （2～16位） 的 PWM，8路 10位ADC。其具備的功能可用于無刷直流電機的驅(qū)動控制。ATmega128芯片具有輸入捕獲功能，能檢測到來自的外部中斷信號。將電機模型中自帶的霍爾位置傳感器A，B，C分別接入單片機的PD0，PD1，PD2引腳，隨著電機轉(zhuǎn)子位置的改變，3個霍爾傳感器會輸出不同的電平信號。當(dāng)發(fā)生中斷時，單片機的輸入引腳可讀取來自霍爾傳感器的電平狀態(tài)，在查詢對應(yīng)的霍爾換相真值表后即可得到當(dāng)前的換相信息，進而實現(xiàn)換相控制[2]。

2.2 功率驅(qū)動電路

無刷直流電機的功率驅(qū)動如采用三相半橋方式，其電路部分器件相對較少，電機繞組的任一相只靠一個功率管即可控制電流通斷，每相繞組的通電時間與關(guān)斷時間之比為1:2，這使得每相繞組的利用率不高。三相全橋的電路部分器件的數(shù)量上是半橋式的兩倍，但每相繞組可通電240°電角度，繞組利用率相應(yīng)得到很大提高[2]。三相橋式逆變器是由6個N溝道功率MOSFET管構(gòu)成。IR2101是雙通道、柵極驅(qū)動、高壓高速功率驅(qū)動器[3]，因為IR2101采用了高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，使邏輯電路對功率器件的控制要求得到簡化。功率MOSFET管采用二二導(dǎo)通方式，6個功率管在電機運行過程中的通斷狀態(tài)共有6個。圖3所示的功率驅(qū)動電路是其中一相繞組對應(yīng)的橋臂。主控制器輸出的PWM脈沖方波分別加載到功率驅(qū)動芯片IR2101的HIN和LIN引腳，用于驅(qū)動相應(yīng)功率MOSFET管的通斷。

圖2 主控芯片電路Fig.2 Master control chip circuit

2.3 相電流檢測電路

為了檢測相電流，選擇ACS712ELCTR-30A-T串入全橋公共端，然后將VIOUT端與主控芯片的A/D輸入端口PF0連接。ACS712是線性電流傳感器，該器件內(nèi)置有精確的低偏置的線性霍爾傳感器電路，其輸出電壓與被檢測電流成比例。ACS 712ELCTR-30A-T霍爾電流傳感器輸出范圍是0.5～4.5 V，而主控芯片ATmega128的A/D轉(zhuǎn)換參考電壓選為VCC，即5 V，電流傳感器輸出不超過A/D轉(zhuǎn)換參考電壓，如圖4所示。

2.4 速度檢測電路

Proteus的無刷直流電機模型自帶3個霍爾傳感器，霍爾傳感器在空間上呈120°分布，用于確定電機轉(zhuǎn)子位置，而且3個霍爾傳感器在電機運行時其中兩相輸出信號相差120°，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過360°電角度時，3個霍爾傳感器的輸出信號組合在一起對應(yīng)換相的6種編碼狀態(tài)[4]。每當(dāng)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過了60°角，3個霍爾傳感器的輸出狀態(tài)就會相應(yīng)變化一次。于是，電機的轉(zhuǎn)速就可以通過計算單位時間T內(nèi)捕獲的霍爾傳感器輸出變化的次數(shù)n換算出來，轉(zhuǎn)速換算公式為V=60 n/T。由此，要測量到電機的轉(zhuǎn)速，就通過主控芯片的輸入捕獲功能獲取到3個霍爾傳感器中的一路輸出信號的周期，然后由轉(zhuǎn)速換算公式計算出電機轉(zhuǎn)速即可。

圖3 功率驅(qū)動電路Fig.3 Power driving circuit

圖4 電流檢測電路Fig.4 Current sensing circuit

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用開環(huán)控制和轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)PID控制，進行對比仿真實驗。開環(huán)控制無論硬件電路還是控制程序都較閉環(huán)PID控制簡單且易實現(xiàn)，一般在恒定負載應(yīng)用中采用。在變化負載應(yīng)用中，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)時，負載會發(fā)生變化。需要轉(zhuǎn)速控制精度和良好的動態(tài)響應(yīng)，因而使用高級控制算法，但也增加了控制器的復(fù)雜性[5]。閉環(huán)控制采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)增量式PID控制策略，兩種控制方式的程序框圖如圖5所示，其中（a）為開環(huán)控制程序框圖，（b）為閉環(huán)控制程序。

圖5 控制程序框圖Fig.5 Control program block diagram

4 Proteus仿真結(jié)果及分析

在AVR Studio開發(fā)環(huán)境下，用C語言進行程序設(shè)計。然后在Proteus仿真環(huán)境下，向ATmega 128單片機導(dǎo)入編譯生成的hex文件，運行仿真即可直觀地觀察無刷直流電機的運行情況。

Proteus中的無刷直流電機模型可以直接顯示轉(zhuǎn)速，設(shè)定期望轉(zhuǎn)速為200 r/min，并先后導(dǎo)入開環(huán)控制程序和閉環(huán)控制程序，進行對比觀察，無刷直流電機的運行情況見圖6。圖6中（a）為開環(huán)控制的仿真結(jié)果，開環(huán)控制不能得到穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，這里只是截取了過程中的一個狀態(tài)；圖6中（b）為閉環(huán)控制仿真結(jié)果，通過以上的對比，閉環(huán)控制中因有PID（比例和積分）控制直流無刷電機的速度能穩(wěn)定在期望轉(zhuǎn)速值。顯然閉環(huán)PID控制在電機運行轉(zhuǎn)速上具有更好的控制效果。但軟件的實時性在仿真環(huán)境下有所降低，出現(xiàn)了一定程度的延時，在仿真實驗中電機的轉(zhuǎn)速與設(shè)定的轉(zhuǎn)速仍然有少量偏差。

圖6 系統(tǒng)仿真結(jié)果Fig.6 System simulation results

5 結(jié)束語

文中在Proteus仿真軟件中設(shè)計了無刷直流電機仿真控制系統(tǒng)，完成了包含主控制器電路、功率驅(qū)動電路、功率逆變電路、電流檢測電路等硬件電路的設(shè)計，使用C語言編程并導(dǎo)入單片機，在Proteus仿真環(huán)境下進行了仿真實驗。通過實驗的直接觀察，實現(xiàn)了電機轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定控制，并且通過兩種控制策略的對比，表明閉環(huán)控制在電機轉(zhuǎn)速控制方面更加穩(wěn)定。該系統(tǒng)能夠滿足無刷直流電機轉(zhuǎn)速控制的設(shè)計要求，達到了預(yù)期的控制效果，對實際硬件電路的設(shè)計和軟件控制策略的選擇都具有一定的參考價值和輔助作用。

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