基于Proteus的直流无刷电机控制仿真，资料详细，仿真通过
江苏科技人学本科毕业设计(论文) 中文摘要 直流无刷电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的。日前为止,虽然在传 动应用领域当中占据主导的地位是各种交流电动机以及直流电动机,但是直流无刷电 动机正在迅猛发展,日益受到人们广泛的关注。BLDC电机具有直流电机方便调速的优 点,但它没有机械换向的种种问题,同时护大了调速的范围。此外还有很多有优点, 比如噪音比狡低,效率高以及转矩波动较小,具有重要的研究意义。本文在学习 Proteus仿頁软件的基础上,利用 dsPIC33FJl2MC202单片机进行了直流无刷电机的 控制研究,实现了仿真的硬件电路及单片机程序的仿真。通过MLAB软件对代码进行 编写和调试,并且结合 Proteus软件的硬件仿真。最终得到实验结果。以此为基础, 通过程序实巩了开环控制、PID控制、门限值控制等不同方案的设计;通过进行这些 比较,得出开环控制难以获得较好的控制效果,而PID控制与门限值控制相比PID控 制的灵活性及控制精度更高 关键词:直流无刷电机;单片机; Proteus:仿真 江苏科技人学本科毕业设计(论文) Abstract Brushless dc motor is based on the development of the brush dC motor. So far, although the transmission occupy the dominant position of application fields are various ac motor and dc motor, brushless dc motor is growing rapidly, however, is becoming more and more attention by people. BLDC motor has the advantages of convenient dc molor speed control motors, but il has no problerns of mechanical cornmutalion, at the same lime expanding the scope of speed control. There are a lot of advantages, such as low noise, high efficiency and torque ripple is lesser, have important research significance. In this paper, based on the study of Proteus simulation software, using dsPIC33FJ12C202 single-chip microcomputer for the study of brushless dc motor control. Realize th simulation of the hardware circuit and program. Through MPLAB software to write and debug code, and the combination of Proteus software hardware simulation. Finally the experimental results are obtained. On this basis, through the application implements open loop control and PID control, threshold control, different schemes of design; Through the comparison, it is concluded that open loop control is difficult to achieve good control etfect, and compared with the threshold control PID control, PID control more flexibility and higher control precision. Keywords: Brushless DC motor: single-chip microcomputer;Proteus;simulation 江苏科技人学本科毕业设计(论文) 目录 第一章绪论 1.1选题的目的和意义 1.2国内直流无刷电机控制研究现状… 1.3本文主要研究内容… 第二章直流无刷电机的结构和工作原理. 非非着君着非非非非非非非非日着息非非非非非非 2.1直流无刷电机的结构…5 2.2直流无刷电机工作原理 2.3直流无刷电机电机特性 2.3.1机械特性 2.3.2调速特性… 第三章硬件电路设计 777899 3.1 Proteus软件介绍 3.2 Proteus软件特点… 9 3.3直流无刷电机的 Proteus仿真模型…10 3.4 Proteus中硬件电路搭建过稈… 3.5 Proteus代码写入方法 +“““++“+“+“++4““+ 3.6PCB布线过程.16 3.6.1加载网络表及元件封装 3.6.2规划电路板并布局…… 17 3.6.3布线并调整 18 3.6.4输出及制作PCB 第四章软件设计 ··…····:····…·…*·····*··*··*···············“··““ 2 4.1 MPLAB软件介绍 4.2单片机概述…… ? 4.3直流无刷电机的控制策略 …26 4.3.1控制策略选取考量 27 4.3.2PID控制策略简介……2 江苏科技人学本科毕业设计(论文) 4.4子程序设计及代吗的通读与解举… …27 4.4.1初始化子程序 4.4.2转子位置检测子程序… 4.4.3PWM脉宽调制子程序….130 4.4.4ADC中断服务子程序 32 4.4.5PID算法子程序…… 5 4.4.6延时服务子程序… 4.5主函数代码的通读与解释 38 4.6开环控制与闭环控制的设计 39 4.7门限控制代码的设计与解释 ……………15 第五章调试过程与结果分析… 5.1MLAB/ PROTEUS调试过程及结果分析 5.2PID参数整定过程及结果分析 自自自自自自自自自自日 5.3开环控制与闭环控制结果分析 5.4PID控制与门限值控制与结果分析…… 46 第六章全文总结 6.1论文总结 48 6.2论文中存在的不足之处及改进方法… 单单···丰·· 48 致谢 参考文献 ++++“+++“++++ 附录A系统原理总图及分图 附录B开环控制源代码 ·→·求.·4··:··*······审本市事 58 附录C闭环控制源代码 ::丰:4:::::4::44::::·丰中4:串 江苏科技人学本科毕业设计(论文) 第一章绪论 1.1选题的目的和意义 大家都知道,有刷直流屯机驱动采用机械换向器的方法,方法非常的简单。有刷 直流电机主要由转子、定子、电刷和换向器等构成。换向器和电刷对直流电机来讲 非常重要,但它们自身却存在如下四方面的不足:(1)复杂的结构,带来高昂的制造 成本;②2)换向时非常容易产生电火花,限制了使用的范围;(3)对环境要求比较高, 工作的可靠性较低;(4)还非常容易损抔,增加了维护成本等。 直流无刷电机( BLDCM)的出现,解决了有刷直流电机的很多不足。BLDC电机一 方面有直流电机不错的调速性能等,另一方面还有交流电机结构相对比较简单和运行 相对可靠等优点。BLDC电机与直流电机比较有如下四方面的特点:(1)因为没有电刷 的机械摩擦:使其具有高效率、无噪声和较广的调速范围等优点;(2)从与ASMS电机 比较来看,直流无刷电杌控制比较简单,成本比较低;(3)但力矩波动比直流电机和 ASMS电机都大:(4)适应于对性能要求不是特别高,制造成本较低的场合。 本文的研究采用的是单片机作为控制器,而由单片机作为直流无刷电机的控制器 又具有以下几个优点 1、可以实现复杂的控制,具有实现复杂的控制能力。 2、通过微杌处理后,逻辑电路得到简化,大部分的控制逻辑都能够用软件来实 现 3、它的微处理的控制是由软件来完成的,使用灵活。如果需要修改控倒方法, 般情况下,不需要修改系统的硬件电路,只要修改下程序就行,减少了很多麻烦 除了以上三点之外,还有没有零点漂移,控制精度比较高;可以提供人机界面, 多机联网工作等优点。 通过仿真软件 Proteus来设计完善BDC电机控制,用虚拟的系统来仿真模拟真实 的硬件和软件,不仅达到了目的,而且节约成本,同时,有错误可以方使修改。和 matlab 等仿真软件比较来看,通过 Proteus能够在虚拟的环境中绘制硬件电路,并利用Mlab 软件来编写真实的单片机程序,调试各种控制算法,能够比较容易地观测到控制结果。 对实际的应用系统的设计开发大有裨益。一方面省时省钱,另一方面提高了设计的效 江苏科技人学本科毕业设计(论文) 率。因此,本文米用dsPC33MC202单片机,通过 Proteus结合 MPLAB,完成了BIDC 电机仿真控制。完成了硬件仿真电路的设计和程序尤其是控制代码的编写和调试,实 现了转速开环控制、闭环PID控制以及门狠控制,给实际系统的设计提供了很大的帮 助。所以说,基于 Proteus进行直流无刷电机控制仿真,既可以节约资金成本,又方便 快捷而且效率比较高。具有重要意义 1.2国内直流无刷电机控制研究现状 近年来,国内和国外都对直流无刷电动机的研究的产生了浓厚的兴趣。随着科学 技术的不断发展,人们不断钻研发明,出现了很多新事物。比如微电子技术和现代控 制理论等等。现在的直流无刷电机系统已经发展成为集软件与硬件于一体的产品,非 常的高效可靠,它包含了许许多多的最新研究成果,越来越受到大家的关注。 在功率逆变电路方面:由于现代科技的发展,对BLDC电机控制技术的发展影响非 常的大。电力电子功率器件从半控发展为全控的变化,控制方法也从相控电流转变为 PWM。在较长时问里,半控型功率器件在电机控制市场一直占有很大份额。普通的晶 闸管开始被淘汰,这种全控型功率器件开始崭露头角。以前的相控变流器有功率因数 比较差等缺点,所以逐渐地被斩波器或Pw变流器取代,使电机的调速范围显著变大。 紧接着第三代的功率器件丌始岀现,比如功率场效炆管以及绝缘棚双极晶体管等,是 那个年代研究最多的功率器件。现在大家在经常使月的是第四代功率集成电路。它把 很多电路集成在了一块心片上,并不断地被智能化。半导体功率器件也奔着智能化的 方向发展,它的伾积越来越小,功能越来越强大。它把多个电路集成,做成混合模块。 所有的这些功率器件的发展都带动了直流无刷电机控制技术的发展。 在转子位置检测方面:在电机换相时,转子的位置信号通过位置传感器获待。位 旨传感器有很多类型,其中包括磁敏式、光电式以及谐族式等等。由于位置传感器的 使用有以下四方面缺点:(1)会增大电机的尺寸:(2)因为传感器信号传输线过多,所 以容易造成干扰信号的产生;(3)在恶劣的工作环境下(比如空气中灰尘要少),传 感器的可靠性会降低;(4)直流无刷电杌的运行性能还受传感器安装精度的影响等等, 因为有的时候电机根木没办法安装位置传感器。它的转子位置信号的取得有很多方 法,也是现在研究的热门。 在换向控制电路方面:数字信号传感器对直流无刷电机的发展要很大的促进。过 去的直流无刷电机大部分是单片机连接很多种接口设备构成,结构上比较复杂,而且 江苏科技人学本科毕业设计(论文) 限制处理速度,同时也不容易扩展。在实时性上,DSP比普通的微处理器的效果都好, 能够实现用软件代替模拟器件进行比较可靠的控制,能够容易地修改控制方法,控制 参数的修改也很容易,除此之外,还能够实现自诊断、故障监测以及上位机管理与通 讯等功能。使用DSP来控制直流无刷电机比较可靠。 存在问题: 实验台的研制耗费较多的资金且修改不易; 2、如果我们要用 matlab的来进行直流无刷电机的仿真,很难实现真实单片机的 控制过程。 1.3本文主要研究内容 在 Proteus硬件仿真环境下结合 MPLAB软件开发平台,在学习BLDC控制原理的 基础上,投入较多的精力学习了 Proteus这一工具软件,并结合以上两方面,在其平 台上设计以dsPC33F2MC202单片机为主控制器的直流无刷电机仿真控制系统,完 成了软件的调试,并由此进行了较为简单的BLDC开闭环控制的对比实验研究。本文 要对开环控制和闭环控制作比较,得出了开环控制下的直流无刷电机的调速性能是怎 么样的,闭环控制下的直流无刷电机的调速性能是怎么样的,这两者之间的差别是怎 样的。闭环掉制就是采用PID搾制策略,实现对直流无刷电机进行调速。同时,我又 采用了门限控制策略,通过比较PI冂控制策略与门限控制策略,看哪种控制策略对直 流无刷电机的调速更好。通过实验结果表明,所设计的系统能够满足直流无刷电机转 遮控制的设计要求,将会对实际的直流无刷电机的生产制造起到很大的帮助。 江苏科技人学本科毕业设计(论文) 第二章直流无刷电机的结构和工作原理 2.1直流无刷电机的结构 与有刷直流电机个同,BLDC电机具有固定的电枢与旋转的磁场。因此,BLDC电 机无需像有刷直流电动机那样使用换向器和电刷来使电机转动。它的主要组成:电机 本体、转子位置传感器以及电子换相电路∽。直流无刷电机的实物图如图2-1 品品品 图21直流无刷电机 V5 位置检测 归ˇ,归“归 图22直流无刷电机的逆变器(电子换相路)结构图⑤ 电机本体的主要部件是定子和转子。首先来讲一下定子部分。与有刷电机不同, 直流无刷电机的定子最主要的部件就是线圈绕组了。它的工作原理,电机要把电能转 化为机械能,就要把转子动起来,转子转起来就可得到相互作用的磁场,当直流无刷