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1、无刷直流电机控制系统的Proteus仿真作者：王家豪，潘玉民来源：科技视界2015年第27期王家豪潘玉民(华北科技学院电子信息工程学院，河北三河101601)【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)； Pro teus；增量式PID；闭环控制0引言无刷直流电机(BLDCM)
2、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keil C51 软件编写C程序。1系统
3、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M0SFET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。AT35Atl2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。朗E 单片机虽小乐统及捋诚电時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
4、统启动，控制核心输出初始控制码，与此同时通过AD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（P2.0P2.1档位显示，P2.2pwm输出地址，P2.3转速检测地址，P2.4P2.8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
5、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。lil i *剧电聆肌佰直啊問PL0C STAH?卜J . ”3*気七”异*wJ- KU1Frn吕 三彳口逹变电单至在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
6、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
7、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。4.2转速显示部分及档位显示部分显示部分均采用7段共阴极二极管配合74LS373的led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
8、 P1.0P1.4分别接受OPEN、UP、DOWN、CPL、CLOSE五个按键信号；P1.5P1.7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, P2.0P2.1档位显示，P2.2pwm输出地址，P2.3转速检测地址，P2.4P2.8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, feedbac
9、k.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 timerO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
10、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 Channel A， Channel B， Channel C 对应 BLDC-STAR 的 sa, sb， sc 输出信号，Channel D 为 BLDC-STAR A项电压输出。国& HaTtt昭器魅出怙吕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，所设 计的系统能够满足无刷直流电机
11、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一运动控制系统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.2O12.8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
