直流电机控制器论文参考文献

基于Proteus的无刷直流电机控制器仿真设计宛铮(嘉兴学院机电工程学院，浙江 嘉兴314001)摘要：在Proteus仿真环境下结合Mplab开发平台，设计了以DSPIC33FJ12MC202为主控制器的无刷直流电机仿真控制系统。该系统采用转速电流双闭环PID控制策略，实现了对无刷直流电机的调速控制。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，稳定可靠，对实际硬件电路的设计具有很大的辅助作用。关键词：Proteus；DSPIC33FJ12MC202；无刷直流电机；仿真；控制系统引言 无刷直流电机具有调速范围广、过载能力强、低电压特性好、启动转矩大（堵转特性）、启动电流小等优点，已在各个经济领域和人们的日常生活得到广泛的应用。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。 与Matlab等仿真工具相比，利用Proteus可以在虚拟环境中完成硬件电路的设计，并通过对微处理器编程，实现各种控制算法，可以直观观测到控制效果。在实际应用系统的设计开发中，有助于降低开发成本和开发周期，提高设计效率。基于此，本文采用Proteus仿真平台设计了以DSPIC33单片机为控制核心的无刷直流电机仿真控制器，完成了硬件电路设计和程序调试，实现了转速电流双闭环PID控制策略，为实际系统的设计提供了有效的理论实践基础。1无刷直流电机的Proteus仿真模型Proteus软件的无刷直流电机模型建立在直流电机模型基础之上，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。模型中带有三个霍尔位置传感器，TTL输出，用于转子位置检测。在设计中，在Proteus的Motors库里有三相星型联接和三相角型联接两种无刷直流电机模型可供用户选择，两种模型的输入输出引脚一致，区别仅在于绕组联接方式。模型的引脚中，a、b、c分别为绕组线圈输入端，sa、sb、sc分别为霍尔位置传感器输出端，load为仿真负载输入端，omega为转子角速率输出端，单位为弧度/秒。2硬件电路设计系统的硬件组成框图如图1所示。主要包括主控制器硬件电路、功率驱动电路、功率逆变电路、电流检测电路、转速检测电路等。主控制器通过功率驱动电路输出PWM，控制功率逆变器，实现对电机的驱动。为了实现转速、电流双闭环控制，电机的转速由电机转子位置传感器获得，母线电流通过霍尔电流传感器测量.主控制器电路主控制器采用美国Microchip公司的DSPIC芯片DSPIC33FJ12MC202。该芯片是一款16位的高性能数字信号控制器，具有8路电机控制PWM输出通道，1路正交编码接口QEI，非常适合用于无刷直流电机控制。主控制器电路如图2所示。DSPIC33FJ12MC202控制器具有输入电平变化告知功能，当检测到一个特定数字输入引脚上电平状态的变化就会产生中断。系统设计时将霍尔传感器A，B，C分别接入RB0，RB1，RB2或CN4，CN5，CN6引脚，当发生CNxInterrupt中断时，会读取全部3个霍尔输入引脚，然后可通过查表得到当前需要换相的信息，从而实现对BLDC电机进行换相控制。同时，可以利用控制器的输入捕获功能对电机进行比较准确的测速。功率驱动电路 功率驱动采用三相全桥驱动[2]，使用三片IR2101驱动3个桥臂，由6个N沟道功率MOSFET管SMP60N06构成三相桥式逆变器。采用二二导通六状态导通方式。图3所示为一路桥臂的功率驱动电路。PWMH1和PWML1是由主控制器输出的PWM脉冲方波，通过功率驱动芯片IR2101驱动相应功率MOSFET管的通断。D1是快恢复二极管BYT30，C2为自举电容,选取C2的电容值为电流采样电路设定无刷直流电机模型的额定工作电流为10 A,采用霍尔电流传感器ACS755串入全桥公共端来检测相电流。由于ACS755额定输入电流为0~50 A，输出电压范围是，而DSPIC33FJ12MC202的AD转换参考电压设置为和地，因此必须对霍尔传感器得到的电压进行调理。为此，使用LM358产生基准电压，再通过1%的高精度碳膜电阻分压获得基准电压。然后将霍尔电流传感器输出电压与基准电压通过减法电路，从而获得0V~3V的电压范围。随后将调理后的电压送给控制器A/D采集输入端，经A /D转换完成电流采样。电流采样电路如图4所示。为了保护控制器的AD端口，在AD输入端并入稳压管。位置检测电路Proteus的无刷直流电机模型带有3个霍尔传感器，霍尔传感器的输出信号两相间相差120度。与此对应的是电机转子每旋转一周霍尔传感器就能输出6种编码状态，如图5所示。从图可见，霍尔传感器输出状态变化一次，就意味着电机转子转过了60度。据此，可以根据单位时间T内捕获的霍尔传感器输出变化的个数n计算出电机的转速V=60n/T。根据这一原理，通过控制器的输入捕获功能IC获取到其中一相霍尔传感器输出信号的周期，就可以比较准精确地测量到控制器控制策略系统采用转速电流双闭环增量式PID控制策略[3]，结构原理图如图6所示，其中电流内环和速度外环均采用PI控制。考虑到在实际工程应用中对电流和转速进行调节时希望静态误差小并且具有较小的超调量，因此在工程上可以把电流环校正为典型Ⅰ型系统，把速度环校正为典型Ⅱ型系统。实际设计时先按照最佳二阶系统整定电流环，然后按最佳整定设计法整定转速环[4]。4 Proteus仿真结果及分析 在Mplab集成开发环境下使用C语言进行程序设计。Mplab支持与Proteus进行联合调试。在安装了文件后，在Mplab的debug工具上会出现Proteus VSM，这样在完成程序编译后，即可与Proteus下设计的硬件电路进行联合仿真调试，开发过程与硬件设计过程类似。仿真时，设定目标转速转度为170r/min，逆时针旋转。仿真运行结果如图。从仿真结果可以看到，经过短暂的电机启动过程，电机转速能够稳定在170r/min。图中左侧波形时稳态运行时3路霍尔传感器输出信号，右侧波形为三路相电压波形。在设定转速速度为1000r/min，电机转速转度能够稳定在999r/min。在仿真中电机的转速与设定的转速存在一定误差，这是由于在PROTEUS仿真软件环境下造成了系统的实时性降低，从而一定程度上造成了延时，导致了误差产生本文利用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]李晓斌,张辉,刘建平.利用DSP实现无刷直流电机的位置控制[J].机电工程, 2005,(03)[2]刘宏.基于DSP的直流无刷电机电子调速器系统设计[J].黑龙江科技信息, 2009,(16)[3]叶小霞,徐烟红,郝洁.无刷直流电机的双闭环控制仿真[J].科技创业月刊, 2010,(12)[4]张争争,任永德,谢宝昌.基于DSP的无刷直流电动机控制系统[J].微特电机, 2001,(02)基金项目：浙江省大学生科技创新活动计划（新苗人才计划）项目资助，项目编号2011R417004”作者简介：宛铮（1990-），男，汉族，安徽庐江人，嘉兴学院2008级本科生，电子信息工程专业

论文题目：直流电动机调速器硬件设计专业：自动化本科生：刘小煜 （签名）＿＿＿＿指导教师：胡晓东 （签名）＿＿＿＿直流电动机调速器硬件设计摘 要直流电动机广泛应用于各种场合,为使机械设备以合理速度进行工作则需要对直流电机进行调速。该实验中搭建了基于C8051F020单片机的转速单闭环调速系统，利用PWM信号改变电动机电枢电压，并由软件完成转速单闭环PI控制，旨在实现直流电动机的平滑调速，并对PI控制原理及其参数的确定进行更深的理解。实验结果显示，控制8位PWM信号输出可平滑改变电动机电枢电压，实现电动机升速、降速及反转等功能。实验中使用霍尔元件进行电动机转速的检测、反馈。期望转速则可通过功能按键给定。当选择比例参数为、积分参数为时，电机转速可以在3秒左右达到稳定。由实验结果知，该单闭环调速系统可对直流电机进行调速，达到预期效果。关键字：直流电机， C8051F020，PWM，调速，数字式Subject: Hardware Design of Speed Regulator for DC motorMajor: AutomationName: Xiao yu Liu (Signature)＿＿＿＿Instructor:Xiao dong Hu (Signature) ＿＿＿＿Hardware Design of Speed Regulator for DC motorAbstractThe dc motor is a widely used machine in various speed regulaiting systerm is used to satisfy the requirement that the speed of dc motor be controlled over a range in some applications. In this experiment,the digital Close-loop control systerm is based on C8051F020 used PI regulator and PWM to regulate the speed of dc motor. The method of speed regulating of dc motor is discussed in this paper and, make a deep understanding about PI to experiment ,the armature voltage can be controlled linearnized with regulating the 8 bit the dc motor can accelerate or decelerate or experiment, hall component is used as a detector and feed back the speed .The expecting speed can be given by using the PI regulator,the dc motor will have a stable speed in ten seconds when choose P value as and I value as . At last,the experiment shows that the speed regulating systerm can work as words: dc motor,C8051F020,PWM,speed regulating,digital目录第一章 绪论 直流调速系统发展概况 国内外发展概况 国内发展概况 国外发展概况 总结 本课题研究目的及意义 论文主要研究内容 4第二章 直流电动机调速器工作原理 直流电机调速方法及原理 直流电机PWM(脉宽调制)调速工作原理 转速负反馈单闭环直流调速系统原理 单闭环直流调速系统的组成 速度负反馈单闭环系统的静特性 转速负反馈单闭环系统的基本特征 转速负反馈单闭环系统的局限性 采用PI调节器的单闭环无静差调速系统 数字式转速负反馈单闭环系统原理 原理框图 数字式PI调节器设计原理 18第三章 直流电动机调速器硬件设计 系统硬件设计总体方案及框图 系统硬件设计总体方案 总体框图 系统硬件设计 C8051F020单片机 单片机简介 使用可编程定时器/计数器阵列获得8位PWM信号 单片机端口配置 主电路 LED显示电路 按键控制电路 转速检测、反馈电路 12V电源电路 硬件设计总结 31第四章 实验运行结果及讨论 实验条件及运行结果 开环系统运行结果 单闭环系统运行结果 结果分析及讨论 实验中遇到的问题及讨论 33结论 34致谢 35参考文献 36论文小结 38附录1 直流电动机调速器硬件设计电路图 39附录2 直流电动机控制系统程序清单 42附录3 硬件实物图 57第一章 绪论直流调速系统发展概况在现代工业中，电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于机械、冶金、石油化学、国防等工业部门中，随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，越来越多的生产机械要求能实现自动调速。在可调速传动系统中，按照传动电动机的类型来分，可分为两大类：直流调速系统和交流调速系统。交流电动机直流具有结构简单、价格低廉、维修简便、转动惯量小等优点，但主要缺点为调速较为困难。相比之下，直流电动机虽然存在结构复杂、价格较高、维修麻烦等缺点，但由于具有较大的起动转矩和良好的起、制动性能以及易于在宽范围内实现平滑调速，因此直流调速系统至今仍是自动调速系统的主要形式。直流调速系统的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使直流调速系统发生翻天覆地的变化。其中电机的控制部分已经由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统，并正向全数字控制方向快速发展。电动机的驱动部分所用的功率器件亦经历了几次更新换代。目前开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。脉宽调制控制方法在直流调速中获得了广泛的应用。1964年和首先提出把PWM技术应用到电机传动中从此为电机传动的推广应用开辟了新的局面。进入70年代以来，体积小、耗电少、成本低、速度快、功能强、可靠性高的大规模集成电路微处理器已经商品化，把电机控制推上了一个崭新的阶段，以微处理器为核心的数字控制（简称微机数字控制）成为现代电气传动系统控制器的主要形式。PWM常取代数模转换器（DAC）用于功率输出控制，其中，直流电机的速度控制是最常见的应用。通常PWM配合桥式驱动电路实现直流电机调速，非常简单，且调速范围大。在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。目前，电机调速控制模块主要有以下三种：（1）、采用电阻网络或数字电位器调整直流电机的分压，从而达到调速的目的；（2）、采用继电器对直流电机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整；（3）、采用由IGBT管组成的H型PWM电路。用单片机控制IGBT管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。 国内外发展概况 国内发展概况我国从六十年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统开始得到迅速的发展和广泛的应用。用于中、小功率的 ～200KW晶闸管直流调速装置已作为标准化、系列化通用产品批量生产。目前，全国各大专院校、科研单位和厂家都在进行数字式直流调速系统的开发，提出了许多关于直流调速系统的控制算法：（1）、直流电动机及直流调速系统的参数辩识的方法。该方法据系统或环节的输入输出特性，应用最小二乘法，即可获得系统环节的内部参数。所获得的参数具有较高的精度，方法简便易行。（2）、直流电动机调速系统的内模控制方法。该方法依据内模控制原理，针对双闭环直流电动机调速系统设计了一种内模控制器，取代常规的PI调节器，成功解决了转速超调问题，能使系统获得优良的动态和静态性能，而且设计方法简单，控制器容易实现。（3）、单神经元自适应智能控制的方法。该方法针对直流传动系统的特点，提出了单神经元自适应智能控制策略。这种单神经元自适应智能控制系统不仅具有良好的静、动态性能，而且还具有令人满意的鲁棒性与自适应性。（4）、模糊控制方法。该方法对模糊控制理论在小惯性系统上对其应用进行了尝试。经电机实验证明，模糊控制理论可以用于直流并励电动机的限流起动和恒速运行控制，并能获得理想的控制曲线。上诉的控制方法仅是直流电机调速系统应用和研究的一个侧面，国内外还有许多学者对此进行了不同程度的研究。 国外发展概况随着各种微处理器的出现和发展，国外对直流电机的数字控制调速系统的研究也在不断发展和完善，尤其80年代在这方面的研究达到空前的繁荣。大型直流电机的调速系统一般采用晶闸管整流来实现，为了提高调速系统的性能，研究工作者对晶闸管触发脉冲的控制算法作了大量研究，提出了内模控制算法、I-P控制器取代PI调节器的方法、自适应和模糊PID算法等等。目前，国外主要的电气公司，如瑞典ABB公司，德国西门子公司、AEG公司，日本三菱公司、东芝公司、美国GE公司等，均已开发出数字式直流调装置，有成熟的系列化、标准化、模版化的应用产品供选用。如西门子公司生产的SIMOREG-K 6RA24 系列整流装置为三相交流电源直接供电的全数字控制装置，其结构紧凑，用于直流电机电枢和励磁供电，完成调速任务。设计电流范围为15A至1200A，并可通过并联SITOR可控硅单元进行扩展。根据不同的应用场合，可选择单象限或四象限运行的装置，装置本身带有参数设定单元，不需要其它任何附加设备便可以完成参数设定。所有控制调节监控及附加功能都由微处理器来实现，可选择给定值和反馈值为数字量或模拟量。 总结随着生产技术的发展，对直流电气传动在起制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面都提出了更高的要求，这就要求大量使用直流调速系统。因此人们对直流调速系统的研究将会更深一步。 本课题研究目的及意义直流电动机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。随着单片机的发展，数字化直流PWM调速系统在工业上得到了广泛的应用，控制方法也日益成熟。它对单片机的要求是：具有足够快的速度；有PWM口，用于自动产生PWM波；有捕捉功能，用于测频；有A/D转换器、用来对电动机的输出转速、输出电压和电流的模拟量进行模/数转换；有各种同步串行接口、足够的内部ROM和RAM，以减小控制系统的无力尺寸；有看门狗、电源管理功能等。因此该实验中选用Cygnal公司的单片机C8051F020。通过设计基于C8051F020单片机的直流PWM调速系统并调试得出结论，在掌握C8051F020的同时进一步加深对直流电动机调速方法、PI控制器的理解，对运动控制的相关知识进行巩固。 论文主要研究内容本课题的研究对象为直流电动机，对其转速进行控制。基本思想是利用C8051F020自带的PWM口，通过调整PWM的占空比，控制电机的电枢电压，进而控制转速。系统硬件设计为：以C8051F020为核心，由转速环、显示、按键控制等电路组成。具体内容如下：（1）、介绍直流电动机工作原理及PWM调速方法。（2）、完成以C8051F020为控制核心的直流电机数字控制系统硬件设计。（3）、以该系统的特点为基础进行分析，使用PWM控制电机调速，并由实验得到合适的PI控制及相关参数。（4）、对该数字式直流电动机调速系统的性能做出总结。第二章 直流电动机调速器工作原理 直流电机调速方法及原理直流电动机的转速和各参量的关系可用下式表示：由上式可以看出，要想改变直流电机的转速，即调速，可有三种不同的方式：调节电枢供电电压U，改变电枢回路电阻R，调节励磁磁通Φ。3种调速方式的比较表2-1所示.表2-1 3种电动机调速方式对比调速方式和方法 控制装置 调速范围 转速变化率 平滑性 动态性能 恒转矩或恒功 率 效率改变电枢电阻 串电枢电阻 变阻器或接触器、电阻器 2:1 低速时大 用变阻器较好用接触器、电阻器较差 无自动调节能力 恒转矩 低改变电枢电压 电动机-发电机组 发电机组或电机扩大机（磁放大器） 10:1～20:1 小 好 较好 恒转矩 60%～70%静止变流器 晶闸管变流器 50:1～100:1 小 好 好 恒转矩 80%～90%直流脉冲调宽 晶体管或晶闸管直流开关电路 50:1～100:1 小 好 好 恒转矩 80%～90%改变磁通 串联电阻或可变直流电源 直流电源变阻器 3:1～5:1 较大 差 差 恒功率 80%～90%电机扩大机或磁放大器 好 较好晶闸管变流器 好由表2-1知，对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最佳，而变电枢电压调速方法亦是应用最广的调速方法。直流电机PWM(脉宽调制)调速工作原理在直流调速系统中，开关放大器提供驱动电机所需要的电压和电流，通过改变加在电动机上的电压的平均值来控制电机的运转。在开关放大器中，常采用晶体管作为开关器件，晶体管如同开关一样，总是处在接通和断开的状态。在晶体管处在接通时，其上的压降可以略去；当晶体管处在断开时，其上的压降很大，但是电流为零，所以不论晶体管导通还是关断，输出晶体管中的功耗都是很小的。一种比较简单的开关放大器是按照一个固定的频率去接通和断开放大器，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”的相位宽窄，这样的放大器被称为脉冲调制放大器。PWM脉冲宽度调制技术就是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得获得所需要波形（含形状和幅值）的技术。根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有八类方法：相电压控制PWM、线电压控制PWM、电流控制PWM、非线性控制PWM，谐振软开关PWM、矢量控制PWM、直接转矩控制PWM、空间电压矢量控制PWM。利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制原理图及输入输出电压波形如图2-1、图2-2所示。当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端由电压。秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图2-2所示。电动机的电枢绕组两端的电压平均值为：式2-1式中 ——占空比，占空比表示了在一个周期里，开关管导通的时间与周期的比值。的变化范围为0≤≤1。由式2-1可知，当电源电压不变的情况下，电枢的端电压的平均值取决于占空比的大小，改变值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。在PWM调速时，占空比是一个重要参数。以下是三种可改变占空比的方法：（1）、定宽调频法:保持不变，改变，从而改变周期（或频率）。（2）、调宽调频法：保持不变，改变，从而改变周期（或频率）。（3）、定频调宽法：保持周期（或频率）不变，同时改变、。前2种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此应用较少。目前，在直流电动机的控制中，主要使用第3种方法。图2-1 PWM调速控制原理图2-2 输入输出电压波形产生PWM控制信号的方法有4种，分别为：（1）、分立电子元件组成的PWM信号发生器这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PWM信号电路。它是最早期的方式，现在已经被淘汰了。（2）、软件模拟法利用单片机的一个I/O引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现PWM信号输出。这种方法要占用CPU大量时间，需要很高的单片机性能，易于实现，目前也逐渐被淘汰。（3）、专用PWM集成电路从PWM控制技术出现之日起，就有芯片制造商生产专用的PWM集成电路芯片，现在市场上已有许多种。这些芯片除了由PWM信号发生功能外，还有“死区”调节功能、保护功能等。在单片机控制直流电动机系统中，使用专用PWM集成电路可以减轻单片机负担，工作也更可靠。（4）、单片机PWM口新一代的单片机增加了许多功能，其中包括PWM功能。单片机通过初始化设置，使其能自动地发出PWM脉冲波，只能在改变占空比时CPU才进行干预。其中常用后两中方法获得PWM信号。实验中使用方法（4）获得PWM信号。 转速负反馈单闭环直流调速系统原理 单闭环直流调速系统的组成只通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路的输出平均电压，达到调节电动机转速的目的，称为开环调速系统。但开环直流调速系统具有局限性：（1）、通过控制可调直流电源的输入信号，可以连续调节直流电动机的电枢电压，实现直流电动机的平滑无极调速，但是，在启动或大范围阶跃升速时，电枢电流可能远远超过电机额定电流，可能会损坏电动机，也会使直流可调电源因过流而烧毁。因此必须设法限制电枢动态电流的幅值。（2）、开环系统的额定速降一般都比较大，使得开环系统的调速范围D都很小，对于大部分需要调速的生产机械都无法满足要求。因此必须采用闭环反馈控制的方法减小额定动态速降，以增大调速范围。（3）、开环系统对于负载扰动是有静差的。必须采用闭环反馈控制消除扰动静差为克服其缺点，提高系统的控制质量，必须采用带有负反馈的闭环系统，方框图如图2-3所示。在闭环系统中，把系统输出量通过检测装置（传感器）引向系统的输入端，与系统的输入量进行比较，从而得到反馈量与输入量之间的偏差信号。利用此偏差信号通过控制器（调节器）产生控制作用，自动纠正偏差。因此，带输出量负反馈的闭环控制系统能提高系统抗扰性，改善控制精度的性能，广泛用于各类自动调节系统中。

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