無刷直流電機控制系統(tǒng)的Proteus仿真

王家豪　潘玉民

【摘 要】基于Proteus軟件仿真平臺，提出了一種對無刷直流電機（BLDCM）控制系統(tǒng)實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的方案。該系統(tǒng)以AT89S52單片機為核心，采用IR2101芯片驅(qū)動及AD1674實現(xiàn)速度，并利用數(shù)碼動態(tài)顯示轉(zhuǎn)速，通過增量式PID調(diào)節(jié)對無刷直流電機實現(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。

【關(guān)鍵詞】無刷直流電機（BLDCM）；Proteus；增量式PID；閉環(huán)控制

0 引言

無刷直流電機（BLDCM）既有直流有刷電機的特性，又有交流電機無刷的優(yōu)點，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)濟性等方面具有明顯的優(yōu)勢，近年來得到迅速推廣[1]。BLDCM是一種用電子換向取代機械換向的新一代電動機，與傳統(tǒng)的直流電動機相比，它具有過載能力強，低電壓特性好，啟動電流小等優(yōu)點。近年來在工業(yè)運用方面大有取代傳統(tǒng)直流電動機的趨勢，所以研究無刷直流電機的驅(qū)動控制技術(shù)具有重要的實際應(yīng)用價值。

本設(shè)計采用增量式PID控制策略控制無刷電動機，并在Proteus平臺上進行轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)仿真。搭建了無刷直流電動機轉(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

控制系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示。采用Atmel公司的AT89S52單片機為系統(tǒng)控制核心、IR2101驅(qū)動的MOSFET三相橋式逆變器、無刷直流電機、A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速檢測、閉環(huán)PID控制、按鍵檢測、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單片機最小系統(tǒng)及按鍵電路如圖2所示。

AT89S52芯片是8位單片機，具有廉價、實用及運算快等優(yōu)點，它有兩個定時器，兩個外部中斷接口，24個I/O口，一個串行口。

單片機首先進行初始化，將顯示部分（轉(zhuǎn)速顯示、檔位顯示）送顯“0”然后通過中斷對按鍵進行檢測當檢測到啟動鍵按下時，系統(tǒng)啟動，控制核心輸出初始控制碼，與此同時通過AD轉(zhuǎn)換器讀取當前的實時轉(zhuǎn)速，一方面用于顯示，另一方面將當前轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速送入PID控制環(huán)節(jié)然后輸出下一時刻的控制碼。

在本次設(shè)計中使用80C51的外部中斷接口0（INT0）作按鍵檢測（見圖3），通過四個與門，當有任何一個按鍵按下去時tap端都會出現(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（P2.0—P2.1檔位顯示，P2.2pwm輸出地址，P2.3轉(zhuǎn)速檢測地址，P2.4—P2.8轉(zhuǎn)速輸出顯示地址）。

由于所需按鍵比較少，所以采用獨立按鍵，使用點動開關(guān)分別實現(xiàn)啟動（OPEN）、加速（UP）減速（DOWN）、反轉(zhuǎn)（CPL）、停止（CLOSE）。

3 無刷電機、逆變器及驅(qū)動模型

Proteus軟件中無刷電機模型如圖4所示。它是建立在直流電機模型基礎(chǔ)上，可以根據(jù)應(yīng)用需要設(shè)定額定電壓、空載轉(zhuǎn)速、負載阻抗、轉(zhuǎn)動慣量、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)為三個霍爾（HALL）傳感器，用于實時監(jiān)測轉(zhuǎn)子的位置。

在Proteus的元件庫中，直流無刷電機有兩種，bldcm-star與bldcm-triangle，即三相星型聯(lián)接和三相角型聯(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。該模型共有8個引腳：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HALL傳感器的輸出端。下端：load為模擬負載輸入端，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N溝道功率MOSFET管，型號為SMP60N06，構(gòu)成三相橋式逆變器。

4 閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗

首先進行電機開環(huán)控制，再引入PID控制策略實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)。同時在系統(tǒng)中加入了按鍵檢測以及轉(zhuǎn)速顯示，最后實現(xiàn)了對電動機的加速、減速、正反轉(zhuǎn)等控制功能，以及在消除速度誤差及穩(wěn)速方面進行各種實驗。為實際系統(tǒng)的設(shè)計制作提供了基礎(chǔ)。

4.1 轉(zhuǎn)速檢測電路

轉(zhuǎn)速檢測電路采用逐次比較型12位A/D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所以在無刷電機的omega輸出端接滑動變阻器分壓。

雙極性輸入時，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

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，由于對無刷電動機需要嚴格的時間控制，雖然動態(tài)顯示的硬件連接簡單而且功耗低，但是由于其需要一定的延時消除“殘影”故不采用。

5 軟件設(shè)計

在本系統(tǒng)的設(shè)計中，采用80C51的定時器0定時產(chǎn)生驅(qū)動電路所需的控制脈沖，P1口的P1.0～P1.4分別接受OPEN、UP、DOWN、CPL、CLOSE五個按鍵信號；P1.5～P1.7用于接受無刷電動機的霍爾傳感器的信號；外部中斷0用于檢測是否有按鍵按下；P2口用作地址輸出口，其中，P2.0～P2.1檔位顯示，P2.2pwm輸出地址，P2.3轉(zhuǎn)速檢測地址，P2.4～P2.8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）、按鍵檢測函數(shù)（botton.c）、PWM波發(fā)生函數(shù)（pwm.c）、電動機控制邏輯（controlfucntion.c，controlfunction.h）、AD轉(zhuǎn)換部分（feedback.h，feedback.c）。

系統(tǒng)上電后首先進行初始化（檔位送顯“00”，轉(zhuǎn)速送顯“0000”，）由于使用80C51的timer0為發(fā)送控制碼的延時脈沖，所以還要對80C51的定時器設(shè)定初始值和開定時器中斷。INT0作按鍵檢測，需開外部中斷0的中斷允許。然后系統(tǒng)進入等待狀態(tài)，等待OPEN被按下。

當OPEN被按下，檔位記錄r=1同時檔位送顯“01”，然后將timer0的定時器啟動位（TR0）置1即啟動定時器，開始發(fā)送控制脈沖。同時啟動AD轉(zhuǎn)換讀入實際轉(zhuǎn)速，將實際轉(zhuǎn)速和檔位1的目標轉(zhuǎn)速同時傳送給PID函數(shù)得到下一時刻的延時控制。

PID的整定選用Ziegler-Nichols整定法。

6 Proteus仿真結(jié)果及分析

仿真時，設(shè)定目標轉(zhuǎn)速為530r/min。仿真運行結(jié)果如圖，圖6為霍爾傳感器輸出信號，其中Channel A，Channel B，Channel C對應(yīng)BLDC-STAR的sa，sb，sc輸出信號，Channel D為BLDC-STAR A項電壓輸出。

7 結(jié)語

本文利用Proteus仿真軟件設(shè)計了無刷直流電機仿真控制系統(tǒng)，完成了主控制器硬件電路、功率驅(qū)動電路、功率逆變電路、電流檢測電路、轉(zhuǎn)速檢測電路的設(shè)計，通過C語言編程在控制器實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)增量PID控制，實現(xiàn)了對設(shè)定轉(zhuǎn)速的恒速控制。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的系統(tǒng)能夠滿足無刷直流電機轉(zhuǎn)速控制的設(shè)計要求，取得了良好的效果，對實際硬件電路的設(shè)計具有很大的輔助作用。

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[責(zé)任編輯：鄧麗麗]