無刷直流電機控制系統的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）控制系統實現了轉速閉環控制的方案。該系統以AT89S52單片機為核心，采用IR2101芯片驅動及AD1674實現速度，并利用數碼動態顯示轉速，通過增量式PID調節對無刷直流電機實現轉速閉環穩定控制。仿真結果表明該系統具有可控調速、顯示直觀等特點。

【關鍵詞】無刷直流電機（BLDCM）；Proteus；增量式PID；閉環控制

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點，在快速性、可控性、可靠性、輸出轉矩、結構、耐受環境和經濟性等方面具有明顯的優勢，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，啟動電流小等優點。近年來在工業運用方面大有取代傳統直流電動機的趨勢，所以研究無刷直流電機的驅動控制技術具有重要的實際應用價值。

本設計采用增量式PID控制策略控制無刷電動機，并在Proteus平臺上進行轉速閉環系統仿真。搭建了無刷直流電動機轉速控制系統的仿真模型，基于80C51控制核心，采用keil C51軟件編寫C程序。

1 系統硬件組成

控制系統的硬件組成如圖1所示。采用Atmel公司的AT89S52單片機為系統控制核心、IR2101驅動的MOSFET三相橋式逆變器、無刷直流電機、A/D轉換轉速檢測、閉環PID控制、按鍵檢測、檔位和轉速顯示等部分組成。

2 控制系統核心及外圍電路

系統核心AT89S52單片機最小系統及按鍵電路如圖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，系統啟動，控制核心輸出初始控制碼，與此同時通過AD轉換器讀取當前的實時轉速，一方面用于顯示，另一方面將當前轉速與設定轉速送入PID控制環節然后輸出下一時刻的控制碼。

在本次設計中使用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端都會出現低電平引發中斷。P0口用作數據輸出，P2口用作地址輸出（P2.0—P2.1檔位顯示，P2.2pwm輸出地址，P2.3轉速檢測地址，P2.4—P2.8轉速輸出顯示地址）。

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

3 無刷電機、逆變器及驅動模型

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上，可以根據應用需要設定額定電壓、空載轉速、負載阻抗、轉動慣量、繞組阻抗、繞組間互感等參數。模型的左側是ABC三相電壓輸入，右側為三個霍爾（HALL）傳感器，用于實時監測轉子的位置。

在Proteus的元件庫中，直流無刷電機有兩種，bldcm-star與bldcm-triangle，即三相星型聯接和三相角型聯接。兩者僅區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A、B、C為三相電壓輸入端，最大輸入電壓為12V；右側：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即為實際轉速。

三相全橋電路為二二導通六狀態導通方式，使用了6個N溝道功率MOSFET管，型號為SMP60N06，構成三相橋式逆變器。

4 閉環控制系統實驗

首先進行電機開環控制，再引入PID控制策略實現轉速閉環調節。同時在系統中加入了按鍵檢測以及轉速顯示，最后實現了對電動機的加速、減速、正反轉等控制功能，以及在消除速度誤差及穩速方面進行各種實驗。為實際系統的設計制作提供了基礎。

4.1 轉速檢測電路

轉速檢測電路采用逐次比較型12位A/D轉換器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，輸出的轉換結果D與模擬輸入電壓VIN之間的關系為：

式中VFS為滿量程電壓。

4.2 轉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靜態顯示，由于對無刷電動機需要嚴格的時間控制，雖然動態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 軟件設計

在本系統的設計中，采用80C51的定時器0定時產生驅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轉速檢測地址，P2.4～P2.8轉速輸出顯示地址。

軟件共分七部分：主函數（main.c）、顯示函數（led.c，led.h）、按鍵檢測函數（botton.c）、PWM波發生函數（pwm.c）、電動機控制邏輯（controlfucntion.c，controlfunction.h）、AD轉換部分（feedback.h，feedback.c）。

系統上電后首先進行初始化（檔位送顯“00”，轉速送顯“0000”，）由于使用80C51的timer0為發送控制碼的延時脈沖，所以還要對80C51的定時器設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。然后系統進入等待狀態，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，開始發送控制脈沖。同時啟動AD轉換讀入實際轉速，將實際轉速和檔位1的目標轉速同時傳送給PID函數得到下一時刻的延時控制。

PID的整定選用Ziegler-Nichols整定法。

6 Proteus仿真結果及分析

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

7 結語

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

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[責任編輯：鄧麗麗]