基于proteus的直流无刷电机控制仿真的研究与开发

基于proteus的直流无刷电机控制仿真的研究与开发内容摘要：

子的磁场相互作用，就 会 得到 电功率， 从而实现电机把电能转化为机械能的这一过程。 直流 无刷 电机的转子对电机来讲有比较重要的地位，它 是 产生励磁磁场的 主要 器件 之一。 直流 无刷 电机要 能够 转 动 起来 ，除了电机本体 以 外，还需要 电 子换相电路与转子位置传感器 的共同配合。 这当中 ， 使用转子位置传感器的目的 是 来检测转子磁极的位置，并将 这个 位置信号 及时 传给电机控制器，让它 能够 正确 地 驱动电子 换相电路。 电子换相电路 （如图 22 所示） 由六只晶 体管组成， 它在电机运转当中有着至关重要的作用。 直流 无刷 电 机工作原理 直流 无刷 电机 是 由电 机主体和驱动器 两部分 组成。 由于没有 电刷， 所以要将 转子制 作 成永磁体 ,而将 线圈绕组 放在 定子上去， 这样 修改后的结构正好与 一般 直流电动机 恰恰 相反； 然而， 如果只给 直流 无刷 电机通入固定的直流电流，那么 直流 无刷 电机只可以 产生不变的磁场， 直流 无刷 电机不能转动起来， 为了 能够 使电动机转 动 起来 ，只有实时检测 直流 无刷 电机转子的位置，再根据转子的位置给 直流 无刷 电机的不同相通以对应的电流，使定子 能够 产生方向均匀变化的旋转磁场， 电机 6步通电 顺序如图所示 ， 每步三个绕组中一个绕组流入电流，一个绕组流出电流，一个绕组不导通。 通电顺序如下： +B +B +A +A 5. B+C +C 磁场开始 旋转，吸引转子磁极 跟着旋转。 磁场顺时针旋转 的时候 ，电机顺时针旋转 的顺序 ： 1→ 2→ 3→ 4→ 5→ 6。 磁场逆时针旋转 的时候 ，电机顺时针旋转 的顺序 ： 6→ 5→ 4→ 3→ 2→ 1。 【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。 傻子是会吃亏的人，疯子是会行动的人。 图 23电机 6步通电顺序 [7] 通过 六 只晶体管组成的换相电路 ，来给电机供电。 它的 换相过程 如图 24所示： 图 24换相过程 [7] 【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。 傻子是会吃亏的人，疯子是会行动的人。 霍尔传感器输出的二进制编码控制 6个功 率管的导通，它 由逻辑电路或 软件编程实现。 此外，我们可以 通过 改变定子绕组电压的大小 来 改变电机速度。 最终实现了BLDC 电机的调速控制。 了解清楚电机的工作原理，为下文的硬件设计和软件编译打下了基础 ，为我们的设计提供了很大帮助。 无刷 电 机电机特性 机械特性 在机械特性的表达式上， BLDC 电 机的机械特性和 一般直流电 机 相比 ,并没有 什么差别。 这 说明 它们的 都 具有比较好的 机械特性。 机械特性曲线簇 ， 如图 2－ 4 所示 : 图 24机械特性曲线簇 直 流无刷电机在转矩较低时机械特性最好，在转矩较大、转速较小的情况下 机械特性有所变化。 曲线向下弯曲 的原因是 ,在 转矩 很 大 、转速 较 小的情况下。 电流 会 变得 很大， 造成 管压 降 变化 加快，使 电压 减小。 机械特性曲线 就会偏离 原来的 直线。 调节 特 性 BLDC 电机的调节特性如图 2－ 5所示 【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。 傻子是会吃亏的人，疯子是会行动的人。 图 25调节特性 从图 25 上能够看出 ， BLDC 电机具有较 好的调节特 性。 较 好的机械特性和调节特性为 BLDC 电机良好的调速性能打下了基础。 【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。 傻子是会吃亏的人，疯子是会行动的人。 第三章 硬件设计 Proteus 软件介绍 本 文 设计所用到是 Proteus 软件。 它 是 大家常用的 EDA 工具软件。 这个软件 功能比较强 大， 可 以说 它是 到 当前 最好的单片机 仿真软件。 所以我采用其来绘制直流无刷电机的电路原理图。 虽然国外已经有较长的使用历史，但国内使用还比较少，我相信不久的将来 Proteus 会受到大家的喜爱。 Proteus 软件特点 Proteus 的使用已经有较长的时间了 ， 拥 有非常多 的 使用者。 是大家比较常用的硬件仿真软件。 Proteus 软件 可以 和 MPLAB软件 连接调试。 Proteus 可以对 原理图 、电路仿真和 微控制器 仿真 [13]。 基于 Proteus的 这些 特点 ， 本文 选择它来绘制直流无刷电机的硬件电路 图，并对直流无刷电机进行 调速 仿真 控制。 直流 无刷 电机的 Proteus 仿真模型 BLDC电机的 Proteus仿真模型是 在 根据直流电机模型 的基础上 建立 起来 的 ,模型中具 有三个霍尔 ,它们的作用是来 转子位置的检测。 设计的时候我在元器件库中选取BLDCSTAR,这个三相星型连接方式的无刷直流电机有 8 个引脚，下面来一一介绍。 Load 是仿真负载的输入端 ,omega 是转子角速率的输出端 ,a、 b、 c是 线圈的输入端。 sa、 sb、 sc 是霍尔 的 输出端。 Proteus 中 硬件电路 搭建 过程 本文 使用 Proteus 软件来绘制 直流无刷电机的 硬件电路 图， 这是学习软件的基础上，并参考原理图绘制的。 通过不断地 学习和尝试，使得 最终理解该软件的 原理，并完成了电路的简化绘制搭建过程。 首先绘制直流无刷电机，点击 (挑选元件按钮 )按钮 ,业面会 出现挑选元件对话框 ,在对话框的 KEYWORDS 中输入 BLDC,得到如下结果 ，如图 31 所示： 【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。 傻子是会吃亏的人，疯子是会行动的人。 图 31 然后 点击 按钮，关闭对话框，单击左键，这样 BLDCSTAR 就被放到 Root sheet1 原理图编辑窗口中了。 同样的方式选取 BUUTTON、 POTHG、 RES40 等 元件。 点击 ，绘制 输入、输出和 功率 ， 如图 32所示： 图 32 选取元件之后 ,就是电路的连接了 ,直接点击鼠标左键开始连接 ,再点击鼠标左键结束。 最后再进行元件参数设置 ,最终得到的结果如图 33 所示 ： 【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。 傻子是会吃亏的人，疯子是会行动的人。 图 33系统显示电路 在系统显示电路的原理图中， S1是启动按钮， S2 是换向按钮， S3是暂停按钮，RV1（滑动变阻器）用来实现仿真负载大小的调控。 直流无刷电机在转动的 时候会显示速度的大小，我们可以通过它来观察速度调节的状况， 是我们判断代码是否正确地依据， 为我们修改 C 语言的代码程序提供 了 帮助。 驱动电路采用了集成块 元件 ， 从 中选择，点击新建页面（ N），会出现一个新页面 Root sheet2,在 Root sheet2 的 原理图编译窗口，根据以上方法绘制系统驱动主电路如图 34所示 : 图 34系统驱动主电路 【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。 傻子是会吃亏的人，疯子是会行动的人。 驱动的电子换相电路采用了系统所给的 CCT004 元件 ，由于电路比较复杂可以先把它集中到一块，然后 绘制比较复杂的子电路，这样便于系统的运行，不会因为过于复杂而降低系统的可靠性，而会提高系统的效率。 看来设置集成块电路是非常有必要的。 左击鼠标，选取 CCT004 元件，然后鼠标右击，选择“转到子页面”选项，会出现一个空白页面，在原理图编译窗口，根据 BLDC 电路原理图和 上 述绘图 方法绘制驱动电路子图，更具体描述驱动电路连接设置，如图 35 所示 ,由原理图绘制电路图如图 36 所示。 图 35 BLDC换相 电路 原理图 图 36 Proteus自带 驱动子电路 因为 dsPIC33FJ12MC202 单片机输出的电流非常 小 ,所以， 我们 有必要 加一个 驱动电路 对其 进行放大。 接着 ,创建页面 Root sheet3,就根据以上方法绘制系统缓冲器电路 ,如图 37 和38所示。 【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。 傻子是会吃亏的人，疯子是会行动的人。 图 37 图 38系统缓冲器 电路 采用 74HC244 芯片 来对 输 入的数 据 作 较长的时间 的保存。 它 可以 构成三态数据缓冲器 ，用于简单接口 的 扩展。 大家知道， dsPIC33F 系列单片机是使用 并口进行编程 的， 但是 在一些情况下就不行了，比 如电路板没有做好， 就有可能 把计算机并口连带 着 一起 烧坏， 造成很大的损失， 因此 非常有必 要加 74HC244 芯片来缓冲 一下。 最后是 系统主控制器电路的绘制， 单击“ P” 按钮，在 KEYWORDS 中输入dsPIC33FJ12MC202,得到如下结果，如图 39 所示。 【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。 傻子是会吃亏的人，疯子是会行动的人。 图 39选择单片机 根据 上面的方法，绘制主控制器原理图。 霍尔 R， Y， B分别接入 RB5， RB6， RB7 引脚。 当发生 IC 中断时，会读取三个霍尔值，之后通过查 StateTable 表获得换相的 状态 ，就这样完成 了对 直流无刷电机进行换相任务。 图 310系统主控制器电路 本文把 dsPIC33FJ12MC202 单片机 作为主控制器。 它 具 有 最多 3 个 16 位定时器，1个定时器 可以作为实时时钟来使用。 所以说，选择了正确的单片机为仿真成功奠定了基础。 【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。 傻子是会吃亏的人，疯子是会行动的人。 整个电路图如图 411 所示： 图 411 Proteus 代码写入方法 如果 Proteus 绘制的原理图能够正常运行 ，我们 就要 要把 MPLAB 编译的代码 (在第四章中将会有详细描述 )写进 dsPIC33FJ12MC202 单片机，下面详细介绍一下单片机代码写进的过程。 在 Proteus 中编译窗口中，单击 dsPIC33FJ12MC202 单片机，会跳出下面的窗口 ,如图 312 所示 : 图 312 在 Program File 栏中，点击 图标 ，然后选择 选项 ,点。 【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。 傻子是会吃亏的人，疯子是会行动的人。 具体操作如下面图 313和图 314 所示 : 图 313选择文件 图 314加载代码 这样，直流无刷电机的 C语言程序代码就被加载到了单片机当中，如果程序和电路连接没问题，电机就会按照预想的情况运行。 代码的载入并不难，需要自己慢慢熟练， 掌握软件的每一步操作过程，有助于我们的进度，比较节约时间。 代码的写入会在第五章中用到 ，我先在这介绍了，在第五章就不再赘述。 PCB板的制作过程 【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。 傻子是会吃亏的人，疯子是会行动的人。 电路原理图已经由 Proteus 绘制好 ,在上 文对绘制电路原理图有详细地描述 ,仿真调试也应经成功 ,在本文第五 章对此 也 有详细描述 ,这一步我已经做好。 加载网络表及元件封装 点击 中的 ARES 图标，进入 PCB的 设计界面，会出现 如下窗口，如图 315 所示： 图 315 选择封装时，没有封装库的元器件可以选择替代封装，也可以手工绘制封装，本设计既有手工绘制封装也有替代封装 ,选择手 工绘制封装的有直流无刷电机 M与非门 U3U8 以及开关 SW1SW6,滑动变阻器 RV1 选择替代封装 ,封装类型 PREHMIN。 规划电路板并布局 制作 PCB 的时候 ,首先要设计工作区域 ,选择当前板层为 Board Edge。 然后 单击2DGroaphics， 拉出 PCB 的编辑板层。 点击 （度量模式），可以设置黄色框图的大小。 我设置的黄框 ，宽是 160mm,高是 mm。 接下来我们就可以进行手动布局了 ,点击 (元件模式 ),把所有的元器件放到黄色框图内 ,得到结果如图 316 所示 : 【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。 傻子是会吃亏的人，疯子是会行动的人。 图 316 布线并 调整 紧接上面的步骤， 我们来进行布线并进行调整。 点击 ，查看 原理图，把漏掉的线 连接起来。 点击 （设计规则管理器），来进行设置，选择网路种类为 SIGNAL等，过孔类型选择 V40 ，如图 317所示 ,最 后调整过的结果如图 318所示 : 图 317 【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。 傻子是会吃亏的人，疯子是会行动的人。 图 318 接下来就可以自动布线了 ,点击 (自动布线 ),就会得到下图。