无刷电机的proteaus仿真.docx

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无刷电机的proteaus仿真

目录

设计总说明1

Generaldescriptionofthedesign3

1绪论5

1.1课题研究的背景和意义5

1.2本课题的研究现状6

1.2.1本课题研究的国外现状6

1.2.2本课题研究的国内现状7

1.3课题研究主要内容7

2永磁无刷直流电动机的工作原理9

2.1倒直流无刷电动机的结构9

2.2直流无刷电动机工作原理10

2.3直流无刷电动机的电动机特性13

2.3.1机械特性13

2.3.2调节特性14

2.4永磁无刷电动机的数学模型14

2.5本章小结15

3BLDC控制系统的硬件设计16

3.1控制核心及按键电路16

3.2转速显示部分及档位显示部分17

3.3驱动电路19

3.4转速检测电路20

3.5直流无刷电动机的Proteus仿真模型21

3.6本章小结22

4BLDC控制系统的软件设计23

4.1软件部分综述23

4.2主函数.25

4.3显示函数.26

4.4按键检测函数.27

4.5PWM波发生函数.29

4.6电动机控制逻辑.32

4.7PID控制与实现..33

4.7.1PID控制的基本概念33

4.7.2PID的参数整定34

4.7.3PID算法的程序编写35

4.8本章小结..37

5BLDC转速控制系统的仿真38

5.1仿真环境简介.38

5.2仿真步骤40

5.3波形分析44

5.4本章小结46

总结与展望47

参考文献49

附录A51

附录B61

附录C62

本科期间发表论文63

致谢63

无刷直流电动机的单片机控制与仿真

设计总说明

无刷电动机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，其具有过载能力强，低电压特性好，启动电流小等优点，同时由于采用了电子换向取代了机械换向，使电动机的使用寿命得到很大的提高，所以近年来在工业运用方面大有取代传统直流电动机的趋势，研究无刷直流电动机的驱动控制技术具有重要的实际应用价值。

无刷电动机是一个高阶次、多变量、不稳定、强耦合的非线性系统，对无刷电动机的控制难度要大大高于传统的直流电动机，所以在完善无刷直流电动机硬件的基础上，研究探索无刷电动机的控制算法，并把算法通过与嵌入式微处理器（MCU）结合将算法应用到实际的控制系统中，这已成为当今电动机控制领域的一大热点。

本设计硬件部分通过Proteus进行仿真，通过Proteus搭建无刷直流电动机转速控制系统的仿真平台。

软件部分则以keilC51为开发环境，基于80C51的控制核心，主要用C语言进行编程。

在实现了直流无刷电动机开环速度调节的基础上，引入闭环转速调节和PID控制策略，同时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、正反转等控制以及在消除速度误差及稳速方面做了积极地探索。

最后为实际系统的设计提供了有效的理论实践基础。

在本次设计的核心是在以80C51芯片为控制单元的硬件基础同时采用位置式PID算法。

每隔一定的周期对无刷电动机的转速进行检测，然后利用AD转换器将采集到的转速信号经转换后变成实际的转速，利用静态LED显示单元将转速显示出来同时将此转速信号与设定目标作差，将差值输入PID控制器，经过PID控制算法的运算得到的结果作为控制信号，根据控制信号改变驱动无刷电机的逆变器的场效应管的导通时间和换向方式，从而使转速逐渐接近目标转速。

本次设计的硬件基础是基于Proteus仿真平台搭建的。

Proteus是著名的EDA工具，是目前唯一能将电路仿真软件，PCB设计软件和虚拟模型仿真三合一的实验平台，其不仅可以在虚拟环境中完成硬件电路的设计，还实现了从概念到产品的完整设计。

其处理器模型支持51系列、AVR系列、ARM系列等主流嵌入式处理器，在编译方面也支持keilC51、MATLAB等众多编译器。

在进行进行仿真时支持实时调试，实现各种控制算法并观测输出结果，有助于降低开发成本和开发周期，提高设计效率。

本次设计利用Proteus元件库所提供的硬件模型（主要有80C51、IR2101、74ls373、AD1674、MOSFET等）搭建了直流无刷电动机的驱动电路、转速检测电路、按键检测电路、以及转速显示电路。

在结合Keil进行软件系统的开发，成功地实现了无刷直流电动机转速控制系统的仿真，同时利用Proteus提供的虚拟仪表观测了单片机输出的控制脉冲的波形、电动机各项的实际电压、转速输出的波形等直流无刷电机的控制参数。

Keil是51系列兼容单片机C语言的开发系统，C51在功能上，结构性，可读性，可维护性都远超汇编语言（ASM），由于ASM的编程需要过多的考虑到芯片内部的结构，所以缺乏可移植性，而且程序往往会变得很复杂。

使用C51就能避免这些问题，借助丰富的库函数，C51能利用较少的代码实现诸如求正切这样复杂的函数，甚至能较轻松地编出复杂的嵌入式系统，而且易学易用。

但是Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过集成开发环境，将这些部分组合在了一起。

本次设计是在搭建出基本的硬件电路后，针对80C51进行软件模块化设计，依次完成了按键检测模块、显示模块、电动机控制模块等，为了获得准确的延时时间，本系统的延时模块采用汇编语言编写，通过汇编语言与C语言的接口（API）实现对汇编语言函数的调用。

关键词：

无刷直流电动机；单片机；Proteus；C51；PID；仿真；

MCU controlandsimulationofbrushlessDC motor

Generaldescriptionofthedesign

Brushlessmotorisakindofelectroniccommutationinsteadofanewgenerationofmechanicalcommutationmotor.ComparedwiththetraditionalDCmotor,whichhasstrongoverloadcapacity,lowvoltagecharacteristics,startingcurrent,etc.,alsotheelectroniccommutationisusedtoreplacethemechanicalcommutation,theservicelifeofthemotorhasbeengreatlyimproved,soinrecentyearsinindustrialutilizationisthetrendtoreplacethetraditionalDCmotor,thenobrushDCmotordriveandcontroltechnologyhasimportantpracticalapplicationvalue.

However,brushlessmotorisahigh-order,multivariableandunstable,nonlinearsystemwithstrongcoupling,mustnothavethecontroldifficultyofthebrushlessmotorismuchhigherthanthatofthetraditionalDCmotor,sointheperfecthardwareofBrushlessDCmotorbasedon,studyandexplorethebrushlesselectricmachinecontrolalgorithmandthealgorithmbybindtoandembeddedmicrocontrollerunit（MCU）algorithmisappliedtoactualcontrolsystem,ithasbecomeahotspotinthecurrentmotorcontrolfield.

ThedesignofthehardwarepartoftheProteussimulationbyProteusbuildnobrushDCmotorspeedcontrolsystemsimulationplatform. Thesoftwareuses keil C51asdevelopmentenvironment, controlcore basedon80C51, themainuseofC languageprogramming. IntherealizationoftheofDCbrushlessmotorspeedregulationbased,andjoinedtheclosed-loopspeedcontrol,positiontypePIDcontrolstrategyisintroduced,alsojoinedthekeydetectionandspeeddisplay,andfinallytoachievethemotoracceleration,deceleration,positiveandnegativerotationcontrolandintheeliminationofspeederrorandsteadyspeeddoactiveexploration. Finally, providesa theoreticalandpracticalfoundation forthedesignoftheactualsystem effectively.

PIDreferstothe proportionalintegral differentialcontrol, isalinearcombinationofproportional, integralanddifferential control. Inthe singleloopcontrolsystem, thedisturbance makesthecontrolled parametersdeviatefrom thegivenvalue, resultingindeviation. Automaticcontrolsystemofregulatingunitwillcomefromvalue,measurementofthetransducer,andthegivenvaluecomparisonofdeviationratio,integralandderivative（PID）algorithmandoutputstandardsignal,tocontroltheactionoftheimplementingagencies,inordertorealizetheautomaticcontroloftemperature,pressure,flow,andotherprocessparameters. ThePIDcontrollerissimpleandeasytounderstand,withouttheuseofaccurategraspsystemmodelandotherprerequisites,thusithasbecomethemostwidelyusedcontroller. Inthisdesign, the positiontypePID algorithmbasedon80C51. UsingADconverterwillbecollectedthespeedsignalafterconversionintoactualspeedsignalandspeedsignalandsetagoalforthepoor,thedifferentialinputPIDcontroller,throughthePIDcontrolalgorithmtoobtainthecontrolsignal.

ProteusisfamousEDAtools,istheonlywaytocircuitsimulationsoftware,PCBdesignsoftwareandvirtualmodeltosimulatetheexperimentalplatform.Itcannotonlycompletethehardwarecircuitdesigninvirtualenvironment,butalsotoachieveacompletedesignfromconcepttoproduct. Theprocessormodelsupportseriesof51,AVR,armseriesmainstreamembeddedprocessor,inthecompilationalsosupportsmanycompilerKeilC51,MATLAB,etc.. Inthesimulationsupportreal-timedebuggingandachieveavarietyofcontrolalgorithmandobservetheoutputresults,toreducethedevelopmentcostandcycle,improvethedesignefficiency. ADCbrushlessmotorcontrolparametersstudiedthedesignusingProteuscomponentlibraryprovidedbythehardwaremodel（mainly80C51,ir2101,74ls373,AD1674,MOSFET）stepstobuildaDCbrushlessmotordrivecircuit,speeddetectioncircuit,akeydetectioncircuit,andthespeeddisplaycircuitandsuccessfullyrealizedthesimulationofthebrushlessDCmotorspeedcontrolsystem,andprovidedbyProteusvirtualinstrument.

Keilis51seriescompatiblemicrocontrollerClanguagedevelopmentsystem,C51infunction,structure,readability,maintenanceoffarexceedsthatofassemblylanguage（ASM）,duetotheASMprogrammingneedtoomuchconsideringthechipinternalstructure,sothelackofportabilityandprogramstendtobecomeverycomplex. UsingC51canavoidtheseproblems,withrichlibraryfunction,C51canuselesscodetoachievefunctionssuchascalculatingtangentofsuchacomplexandeveneasiertocompileacomplexembeddedsystems,andiseasytolearnanduse. Keiloffers,includingtheCcompiler,macroassembler,linker,librarymanagementandpowerfulsimulationdebugger,completedevelopmentplan,throughtheintegrateddevelopmentenvironment,thecombinationofthesesectionstogether. Thisdesignisafterbuildthebasichardwarecircuitandisdesignedforthe80C51ofmodularsoftwaredesign.Inordertocompletethekeydetectionmodule,displaymodule,motorcontrolmodule,inordertoobtaintheexactdelaytimeandthesystemtimedelaymoduleusingassemblylanguagetowrite,throughtheassemblylanguageandClanguageinterface（API）implementationcallsthefunctionofassemblylanguage.

Keywords:

brushlessDCmotor; control; simulation; C51;proteus

1绪论

1.1课题研究的背景和意义

无刷直流电动机是上世纪六七十年代发展起来的结合了多学科技术的一种新型电动机，其最大特点就是没有换向器（整流子）和电刷组成的机械接触机构。

它通常采用永磁体为转子，没有激磁损耗；发热的电枢绕组又通常装在外面的定子上，这样，热阻较小，散热容易。

结合机电一体化，具有高速度、高效率、高动态响应、高热容量和高可靠性、无换向火花等优点，同时还具有低噪声和长寿命等特点无刷直流电动机是近年来随着电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型直流电动机，它是现代工业设备、现代科学技术和军事装备中重要的机电元件之一。

与普通直流电动机相比，无刷直流电动机既有相似点，也有其独有的特点。

所谓相似点，在结构上无刷电动机和有刷电动机有相似之处，也有转子和定子，只不过和有刷电动机的结构相反；有刷电动机的转子是线圈绕组，和动力输出轴相连，定子是永磁磁钢；无刷电动机的转子是永磁磁钢，连同外壳一起和输出轴相连，定子是绕组线圈。

去掉了有刷电动机用来交替变换电磁场的换向电刷，故称之为无刷电动机（Brushlessmotor）。

所谓不同点，在工作原理上无刷直流电动机是采用半导体开关器件来实现电子换向的，即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷。

需要三相桥式逆变电路将直流电变成三相电，同时无刷直流电动机一般带有位置传感器位置传感按转子位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流（即检测转子磁极相对定子绕组的位置，并在确定的位置处产生位置传感信号，经信号转换电路处理后去控制功率开关电路，按一定的逻辑关系进行绕组电流切换）。

而且无刷电动机去除了电刷，没有了有刷电动机运转时产生的电火花，极大减少了电火花对遥控无线电设备的干扰。

同时，运转时摩擦力大大减小，运行顺畅，噪音会低许多，增加了系统的稳定性。

因为少了电刷，无刷电动机的磨损主要是在轴承上，从机械角度看，无刷电动机几乎是一种免维护的电动机了，只需做一些除尘维护即可。

正是由于无刷电动机有如此多的优势，二十一世纪伊始至今掀起了无刷电机替代传统的直流电动机热潮，许多学校和科研机构都投入到无刷电动机的研究当中。

有人说二十一世纪是“无刷电机广泛运用的时代”

目前无刷电动机已广泛应用于各种领域，如宇宙航行、航海、医疗仪器、分析仪器、材料处理、过程控制、机床工业、纺织工业和轻工机械等。

1.2本课题的研究现状

目前永磁无刷电动机的研究热点分为两个方向，一是对无位置传感器的无刷电机转子位置检测及转速估算，二是如何改进永磁无刷电动机的控制算法。

发展较为完善的无位置传感器位置信号检测方法主要有四种：

续流二极管法、反电动势法、电感法以及状态观测法。

其中“反电动势法”是目前最常见和应用最广泛的一种。

但这种方法是以忽略电枢反应影响为前提的，所以存在一定的固有误差。

大功率型永磁无刷直流电动机的电枢反应对气隙合成磁场的影响十分明显，所以大功率永磁无刷电机的反电动势过零点与总的感生电动势过零点电动势不重合，这就使电枢反应的影响扩大，导致检出的转子位置误差增大。

由于电动机静止或转速较低时的反电动势很小几乎为零，所以几乎无法通过反电动势过零点检测来得到正确的位置信号。

这就导致电动机启动困难，且使得严电动机的调速范围变窄。

所以，研究如何在无位置传感器永磁无刷直流电动机中采用何种控制算法使得能更精确的检测转子的位置信号就成为当前一个十分重要的课题。

随着单片机技术的发展以及数字信号处理器（DSP）的应用和推广，使得位置检测可以通过IC芯片配合一定算法实现。

采用MCU以实现无位置传感器的位置检测和估算已成为研究的热点和趋势。

永磁无刷直流电动机转速控制系统设计的一个重要发展方向就是采用数字信号处理器的数字控制电路。

以MCU芯片为核心的控制系统并不是一个单纯依靠硬件控制电路，它还必须与合理的软件控制策略相配合。

这也为控制系统的设计带来更大的灵活性。

软件设计必然涉及控制算法的研究和应用。

永磁无刷电动机的转速、电流控制必须由硬件系统的配合具有正确的控制算法的软件系统才能有良好的闭环控制效果。

而不同的的控制算法能直接影响控制效果的好坏。

1.2.1国外研究现状

美国的科学家早在二十世纪三十年代就开始研制以电子换向来代替电刷机械换向的无刷直流电动机，并取得了一定的科研成果。

但是当时大功率电力电子器件刚刚得到发展，没有理想的电子换向代替机械向的器件，使得无刷电动机只能停留在实验室研究阶段。

美国D.哈里森等人在1955年首次成功实现了应用晶体管换向代替电动机机械换向，这是现代无刷直流电动机的原型，但由于该电动机尚无启动转矩故依然只能停留在研究阶段。

后来又经过人们多年的努力，通过霍尔元件进行转子位置检测来实现换向的无刷电动机终于在1962年问世，从而开创了无刷直流电动机产品化的新纪元。

七十年代以来，随着电力电子工业飞速发展，许多新型的高性能半导体功率器件相继出现，以及高性能永磁材料的问世，均为无刷电动机及其调速系统的广泛应用奠定了坚实的基础。

又经过40多年的发展，目前无刷直流电动机及其调速系统在技术上已经比较成熟，在大量应用中已显示出优良的特性，应用范围几乎覆盖所有电动机的驱动领域，并可以起到其他类电动机所不能达到的功能。

国际上一些专家指出