宛錚(嘉興學院機電工程學院，浙江 嘉興314001)
摘要：在Proteus仿真環境下結合Mplab開發平臺，設計了以DSPIC33FJ12MC202為主控制器的無刷直流電機仿真控制系統。該系統采用轉速電流雙閉環PID控制策略，實現了對無刷直流電機的調速控制。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，穩定可靠，對實際硬件電路的設計具有很大的輔助作用。
關鍵詞：Proteus；DSPIC33FJ12MC202；無刷直流電機；仿真；控制系統
引言
無刷直流電機具有調速範圍廣、過載能力強、低電壓特性好、啟動轉矩大（堵轉特性）、啟動電流小等優點，已在各個經濟領域和人們的日常生活得到廣泛的應用。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。
與Matlab等仿真工具相比，利用Proteus可以在虛擬環境中完成硬件電路的設計，並通過對微處理器編程，實現各種控制算法，可以直觀觀測到控制效果。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，本文采用Proteus仿真平臺設計了以DSPIC33單片機為控制核心的無刷直流電機仿真控制器，完成了硬件電路設計和程序調試，實現了轉速電流雙閉環PID控制策略，為實際系統的設計提供了有效的理論實踐基礎。
1無刷直流電機的Proteus仿真模型
Proteus軟件的無刷直流電機模型建立在直流電機模型基礎之上，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。模型中帶有三個霍爾位置傳感器，TTL輸出，用於轉子位置檢測。
在設計中，在Proteus的Motors庫裏有三相星型聯接和三相角型聯接兩種無刷直流電機模型可供用戶選擇，兩種模型的輸入輸出引腳壹致，區別僅在於繞組聯接方式。模型的引腳中，a、b、c分別為繞組線圈輸入端，sa、sb、sc分別為霍爾位置傳感器輸出端，load為仿真負載輸入端，omega為轉子角速率輸出端，單位為弧度/秒。
2硬件電路設計
系統的硬件組成框圖如圖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、轉速檢測電路等。
主控制器通過功率驅動電路輸出PWM，控制功率逆變器，實現對電機的驅動。為了實現轉速、電流雙閉環控制，電機的轉速由電機轉子位置傳感器獲得，母線電流通過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位的高性能數字信號控制器，具有8路電機控制PWM輸出通道，1路正交編碼接口QEI，非常適合用於無刷直流電機控制。主控制器電路如圖2所示。
DSPIC33FJ12MC202控制器具有輸入電平變化告知功能，當檢測到壹個特定數字輸入引腳上電平狀態的變化就會產生中斷。系統設計時將霍爾傳感器A，B，C分別接入RB0，RB1，RB2或CN4，CN5，CN6引腳，當發生CNxInterrupt中斷時，會讀取全部3個霍爾輸入引腳，然後可通過查表得到當前需要換相的信息，從而實現對BLDC電機進行換相控制。同時，可以利用控制器的輸入捕獲功能對電機進行比較準確的測速。
2.2功率驅動電路 功率驅動采用三相全橋驅動[2]，使用三片IR2101驅動3個橋臂，由6個N溝道功率MOSFET管SMP60N06構成三相橋式逆變器。采用二二導通六狀態導通方式。圖3所示為壹路橋臂的功率驅動電路。PWMH1和PWML1是由主控制器輸出的PWM脈沖方波，通過功率驅動芯片IR2101驅動相應功率MOSFET管的通斷。D1是快恢復二極管BYT30，C2為自舉電容,選取C2的電容值為2.2u電流采樣電路設定無刷直流電機模型的額定工作電流為10 A,采用霍爾電流傳感器ACS755串入全橋公***端來檢測相電流。由於ACS755額定輸入電流為0~50 A，輸出電壓範圍是0.6V~3.6V，而DSPIC33FJ12MC202的AD轉換參考電壓設置為3.3V和地，因此必須對霍爾傳感器得到的電壓進行調理。為此，使用LM358產生2.4V基準電壓，再通過1%的高精度碳膜電阻分壓獲得0.6V基準電壓。然後將霍爾電流傳感器輸出電壓與0.6V基準電壓通過減法電路，從而獲得0V~3V的電壓範圍。隨後將調理後的電壓送給控制器A/D采集輸入端，經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，在AD輸入端並入3.3V穩壓管。2.4位置檢測電路
Proteus的無刷直流電機模型帶有3個霍爾傳感器，霍爾傳感器的輸出信號兩相間相差120度。與此對應的是電機轉子每旋轉壹周霍爾傳感器就能輸出6種編碼狀態，如圖5所示。從圖可見，霍爾傳感器輸出狀態變化壹次，就意味著電機轉子轉過了60度。據此，可以根據單位時間T內捕獲的霍爾傳感器輸出變化的個數n計算出電機的轉速V=60n/T。根據這壹原理，通過控制器的輸入捕獲功能IC獲取到其中壹相霍爾傳感器輸出信號的周期，就可以比較準精確地測量到控制器控制策略系統采用轉速電流雙閉環增量式PID控制策略[3]，結構原理圖如圖6所示，其中電流內環和速度外環均采用PI控制。考慮到在實際工程應用中對電流和轉速進行調節時希望靜態誤差小並且具有較小的超調量，因此在工程上可以把電流環校正為典型Ⅰ型系統，把速度環校正為典型Ⅱ型系統。實際設計時先按照最佳二階系統整定電流環，然後按最佳整定設計法整定轉速環[4]。4 Proteus仿真結果及分析
在Mplab集成開發環境下使用C語言進行程序設計。Mplab支持與Proteus進行聯合調試。在安裝了vdmmplab.exe文件後，在Mplab的debug工具上會出現Proteus VSM，這樣在完成程序編譯後，即可與Proteus下設計的硬件電路進行聯合仿真調試，開發過程與硬件設計過程類似。
仿真時，設定目標轉速轉度為170r/min，逆時針旋轉。仿真運行結果如圖。從仿真結果可以看到，經過短暫的電機啟動過程，電機轉速能夠穩定在170r/min。圖中左側波形時穩態運行時3路霍爾傳感器輸出信號，右側波形為三路相電壓波形。在設定轉速速度為1000r/min，電機轉速轉度能夠穩定在999r/min。在仿真中電機的轉速與設定的轉速存在壹定誤差，這是由於在PROTEUS仿真軟件環境下造成了系統的實時性降低，從而壹定程度上造成了延時，導致了誤差產生本文利用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。
參考文獻[1]李曉斌,張輝,劉建平.利用DSP實現無刷直流電機的位置控制[J].機電工程, 2005,(03)[2]劉宏.基於DSP的直流無刷電機電子調速器系統設計[J].黑龍江科技信息, 2009,(16)
[3]葉小霞,徐煙紅,郝潔.無刷直流電機的雙閉環控制仿真[J].科技創業月刊, 2010,(12)
[4]張爭爭,任永德,謝寶昌.基於DSP的無刷直流電動機控制系統[J].微特電機, 2001,(02)
基金項目：浙江省大學生科技創新活動計劃（新苗人才計劃）項目資助，項目編號2011R417004”作者簡介：宛錚（1990-），男，漢族，安徽廬江人，嘉興學院2008級本科生，電子信息工程專業