鄭萬(嘉興學院機電工程學院，浙江嘉興314001)
摘要:基於Proteus仿真環境和Mplab開發平臺，設計了以DSPIC33FJ12MC202為主控制器的無刷DC電機仿真控制系統。系統采用速度和電流雙閉環PID控制策略，實現無刷DC電機的速度控制。實驗結果表明，所設計的系統能夠滿足無刷DC電機速度控制的設計要求，穩定可靠，對實際硬件電路的設計有很大的幫助。
關鍵詞:Proteus；dspic 33 FJ 12mc 202；無刷DC電機；模擬；控制系統
介紹
無刷DC電機具有調速範圍寬、過載能力強、低壓特性好、起動轉矩大(堵轉特性)和起動電流小等優點，已廣泛應用於各種經濟領域和人們的日常生活中。研究無刷DC電機的驅動控制技術具有重要的實用價值。
與Matlab等仿真工具相比，Proteus可以在虛擬環境中完成硬件電路的設計，通過對微處理器編程實現各種控制算法，從而可以直觀地觀察控制效果。在實際應用系統的設計開發中，有助於降低開發成本和開發周期，提高設計效率。基於此，本文利用Proteus仿真平臺設計了以DSPIC33為控制核心的無刷DC電機仿真控制器，完成了硬件電路設計和程序調試，實現了速度和電流雙閉環PID控制策略，為實際系統的設計提供了有效的理論和實踐依據。
1無刷DC電機的Proteus仿真模型
Proteus軟件的無刷DC電機模型基於DC電機模型，可以根據應用需要設置額定電壓、空載轉速、負載阻抗、轉動慣量、繞組阻抗、繞組間互感等參數。該型號有三個帶TTL輸出的霍爾位置傳感器，用於轉子位置檢測。
在設計中，Proteus的電機庫中有兩種無刷DC電機型號，三相星形連接和三相角連接，可供用戶選擇。兩個型號的輸入輸出引腳是壹樣的，唯壹的區別就是繞組連接方式。模型的引腳中，A、B、C為繞組線圈的輸入端，sa、sb、sc為霍爾位置傳感器的輸出端，load為模擬負載的輸入端，ω為以弧度/秒為單位的轉子角速度的輸出端。
2硬件電路設計
系統的硬件框圖如圖1所示。主要包括主控制器硬件電路、功率驅動電路、功率逆變電路、電流檢測電路、速度檢測電路等。
主控制器通過功率驅動電路輸出PWM，控制功率逆變器，驅動電機。為了實現速度和電流的雙閉環控制，電機的轉速由電機轉子位置傳感器獲得，母線電流由霍爾電流傳感器測量。主控制器電路
主控制器采用美國Microchip公司的DSPIC芯片DSPIC33FJ12MC202。該芯片是壹款16位高性能數字信號控制器，具有8路PWM輸出通道用於電機控制，1 QEI正交編碼接口，非常適合無刷DC電機控制。主控制器電路如圖2所示。
DSPIC33FJ12MC202控制器具有告知輸入電平變化的功能，當檢測到特定數字輸入管腳上的電平狀態變化時，會產生中斷。在系統設計中，霍爾傳感器A、B和C分別連接到引腳rb0、RB1、RB2或CN4、CN5和CN6。當CNxInterrupt發生時，三個霍爾輸入引腳都會被讀取，然後通過查表得到當前需要換相的信息，從而實現BLDC電機的換相控制。同時，控制器的輸入捕捉功能可以用來精確測量電機的速度。
2.2功率驅動電路功率驅動采用三相全橋驅動[2]，三個橋臂由三片IR2101驅動，六個N溝道功率MOSFET管SMP60N06組成三相橋式逆變器。采用二二導通和六態導通模式。圖3示出了橋臂的功率驅動電路。PWMH1和PWML1是主控制器輸出的PWM脈沖方波，功率驅動芯片IR2101驅動相應功率MOSFET管的開關。D1為快恢復二極管BYT30，C2為自舉電容，選用C2電容為2.2u的電流采樣電路，將無刷DC電機模型的額定工作電流設定為10 A，霍爾電流傳感器ACS755串聯在全橋公共端檢測相電流。由於ACS755的額定輸入電流為0~50 A，輸出電壓範圍為0.6V~3.6V，而DSPIC33FJ12MC202的AD轉換參考電壓設置為3.3V和地，因此需要對霍爾傳感器得到的電壓進行調整。所以用LM358產生2.4V的參考電壓，然後通過1%的高精度碳膜電阻分壓得到0.6V的參考電壓。然後霍爾電流傳感器的輸出電壓和0.6V的參考電壓經過減法電路，從而得到0V~3V的電壓範圍。然後將調理後的電壓送到控制器的A /D采集輸入端，通過A/D轉換完成電流采樣。電流采樣電路如圖4所示。為了保護控制器的AD端口，AD輸入端集成了壹個3.3V穩壓器。2.4位置檢測電路
Proteus的無刷DC電機模型有三個霍爾傳感器，霍爾傳感器的輸出信號相差120度。相應地，電機轉子每轉壹圈，霍爾傳感器可以輸出六種編碼狀態，如圖5所示。從圖中可以看出，霍爾傳感器的輸出狀態壹旦發生變化，就意味著電機轉子轉動60度。因此，可以根據在單位時間T內捕獲的霍爾傳感器的輸出變化的數量n來計算電機速度V=60n/T..根據這壹原理，通過控制器的輸入捕捉功能IC可以得到壹相霍爾傳感器輸出信號的周期，可以精確測出控制器控制策略系統采用速度和電流雙閉環增量式PID控制策略[3]，結構示意圖如圖6所示，其中電流內環和速度外環均采用PI控制。考慮到實際工程應用中調節電流和速度時期望靜態誤差和超調量較小，在工程中可以將電流環校正為典型的I型系統，將速度環校正為典型的II型系統。在實際設計中，先按最優二階系統設定電流環，再按最優設定設計方法設定速度環[4]。4 Proteus仿真結果及分析
在Mplab集成開發環境下用C語言編程。Mplab支持與Proteus聯合調試。安裝vdmmplab.exe文件後，Mplab的調試工具上會出現Proteus VSM，這樣編譯好程序後就可以和Proteus下設計的硬件電路聯合仿真調試，開發過程和硬件設計過程類似。
在模擬中，目標速度設置為170轉/分，逆時針旋轉。仿真結果如圖所示。從仿真結果可以看出，經過短暫的啟動過程，電機轉速可以穩定在170r/min。圖中左邊的波形是三個霍爾傳感器穩定工作時的輸出信號，右邊的波形是三相電壓波形。當設定轉速為1000轉/分鐘時，電機轉速可穩定在999轉/分鐘。仿真中電機速度與設定速度存在壹定誤差。這是因為在PROTEUS仿真軟件環境下，系統的實時性降低，導致延時和誤差。本文利用Proteus仿真軟件設計了無刷DC電機的仿真控制系統，設計了主控制器的硬件電路、功率驅動電路、功率逆變電路、電流檢測電路和速度檢測電路。通過C語言編程在控制器中實現了速度和電流的雙閉環增量式PID控制，實現了設定速度。實驗結果表明，所設計的系統能夠滿足無刷DC電機速度控制的設計要求，取得了良好的效果，對實際硬件電路的設計有很大的幫助。
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鄭、、任永德、謝。基於DSP的無刷DC電機控制系統[J].微型馬達，2001，(02)
基金項目:浙江大學學生科技創新活動計劃(繆欣人才計劃)資助，項目編號:20117004。作者簡介:鄭萬(1990-)，男，漢族，安徽廬江人，2008級本科電子信息工程專業。