无刷直流电机控制系统的Proteus仿真

王家豪　潘玉民

【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）；Proteus；增量式PID；闭环控制

0 引言

无刷直流电机（BLDCM）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MOSFET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。

2 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。

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（P2.0—P2.1档位显示，P2.2pwm输出地址，P2.3转速检测地址，P2.4—P2.8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。

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P1.0～P1.4分别接受OPEN、UP、DOWN、CPL、CLOSE五个按键信号；P1.5～P1.7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，P2.0～P2.1档位显示，P2.2pwm输出地址，P2.3转速检测地址，P2.4～P2.8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，feedback.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timer0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。

6 Proteus仿真结果及分析

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。

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.

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[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]