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；控制源哪系统
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缺拿输出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。
2.2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2.2u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0.6V~3.6V，而DSPIC33FJ12MC202的AD转换参考电压设置为3.3V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2.4V基准电压，再通过1%的高精度碳膜电阻分压获得0.6V基准电压。然后将霍尔电流传感器输出电压与0.6V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3.3V稳压管。2.4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vdmmplab.exe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
网上看到一篇文章，主控芯片用tms320lf2407a dsp芯片，IGBT模块用infineon公司的bsm300gb600dlc，IGBT驱动电路用落木源公司的TX-KA101，是05、06年的文章，应用应该比较成熟了，转贴给你供参考。贴不上图，具体内容你再网上再搜搜。
《基于F2407aDSP的全数字混合动力电动汽车驱动系统的设计》
关键字：混合动力电动汽车、驱动、F2407A、bsm300gb600dlc、TX-KA101、bldcm
1 引言
随着城市环境污染问题的日益严重，汽车尾气的控制越来越受到人们的重视，很多国家都开展了电动汽车的研究。但是电动汽车存在续驶里程短、动力性能差等弱点，加之成本太高，目前还无法大批量投入市场。为了兼顾传统燃油汽车和电动汽车的优点，国内外都开始进行混合动力汽车的研究。混合动力电动汽车是目前解决低排放、大幅度地降低污染最有效最现实的一团枣或种环保交通工具，它不仅具有续驶里程长的优点，还能发挥出更好的动力性能。混合动力电动汽车同时拥有电机驱动和内燃机驱动，对电机驱动系统不仅要求具有较高的重量比功率，而且既能作电动机运行，还能作发电机运行。
本文所介绍的混合动力系统采用tms320lf2407a dsp芯片构成主控制器，同时选用infineon公司的bsm300gb600dlc igbt模块作为功率器件，选用北京落木源公司的TX-KA101作为IGBT驱动芯片。实现了基于无刷直流电机(brushless dc motor, bldcm)的控制系统。实验结果表明，该系统设计合理，性能可靠。
2 bldcm的控制原理
bldcm转子采用永磁体激磁，功率密度高，控制简单，调速性能好，既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等特点，又具备直流电机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，故广泛应用于车辆驱动，家用电器等方面。
如图1所示，通常的无刷直流电机具有120°的反电动势波形，在每相反电动势的最大处通入电流，就能产生恒定的电磁转矩，其转矩表达式如下式。
图1 三相反电势和电流波形
(1)
其中td是电机的电磁转矩，ea、eb、ec分别是每相的反电动势，ia、ib、ic分别是每相的电流值，ω是电机的角速度。因此，当电机反电动势纯梯形分布时，其力矩与电流的大小成正比。但是，通常情况下电机的反电动势不是纯梯形分布，另外，由于电机绕组电感的存在使得电流在换相时存在脉动，从而造成较大的转矩脉动。已有大量的文献对bldcm的换相转矩脉动抑制进行了讨论。bldcm调速中另一个必须知道的是电机转子轴位置，一般通过检测电机的霍尔信号来获得，并以此进行电机的换相控制。
3 主电路以及控制策略
图2 驱动系统主电路
图2是整个系统的主电路图，本系统中，bldcm的驱动采用了buck＋full_bridge的电路结构。与常规三相桥的驱动方式不同，通过控制buck电路的输出电流，即电感l1上的电流来使bldcm获得近乎直流的电流，以此来获得尽可能好的力矩控制效果。图3(a)、(b)、(c)分别是电感l1，电容c0以及电机母线端电流波形。
下面来分析该电路的工作原理。
(1) 正向电动模式
此时t1工塌伍作于开关状态，t2不导通，d2作为buck电路的二极管。通过控制电感l1上的电流和电容c0上的电压可以实现电路的恒流、恒压控制。此时，后端的full_bridge电路根据电机的三相霍尔信号进行换相控制，其开关工作在低频条件下。通过对电感l1电流的控制可以减少电机启动时的冲击电流，减少启动转矩的脉动。
图3 恒流控制下各元件电流波形
(2) 反向充电模式
当整个系统的内燃机开始工作后，后端bldcm处于发电状态。此时t2工作于开岩兆关状态，t1不导通，d1作为boost电路的二极管工作。通过控制boost电路的输出电压和电感l1上的电流可以使电路工作于恒压、恒流等模式，从而实现对蓄电池的恒压限流、恒流和浮充三段式充电方式。此时后端的三相桥电路工作于不控整流状态下。
(3) 制动模式
当车辆需要停止或刹车时，通过反向对蓄电池充电来进行制动，其工作方式与反向充电模式类似。此时电机内相反电动势与相电流反相位，其电磁转矩起制动作用，从而可以使电机很快的停下来。
4 系统软硬件设计
4.1 软件设计
f2407a控制程序由3个部分组成:主程序的初始化、pwm定时中断程序和dsp与周边资源的数据交换程序。
(1) 主程序
主程序先完成系统的初始化、i/o口控制信号管理、dsp内各个控制模块寄存器的设置等，然后进入循环程序，并在这里完成系统参数的保存。
(2) pwm定时中断程序
pwm定时中断程序是整个控制程序的核心内容，在这里实现电流环、速度环采样控制以及bldcm的换相控制、pwm信号生成、电感连续、断续控制，工作模式的选择，软件过流、过压的保护，以及与上位控制器的通讯等。中断控制程序周期为50μs，即igbt开关频率为20khz。其中每个开关周期完成电流环的采样和开关信号的输出，每20个开关周期完成一次速度环控制。pwm控制信号采用规则采样pwm调制方法生成。
(3) 数据交换程序
数据交换程序主要包括与上位机的通讯程序、eeprom中参数的存储。其中通讯可以采用rs-232或can总线接口，根据特定的通讯协议接受上位机的指令，并根据要求传送参数。eeprom的数据交换通过dsp的spi口完成。
4.2 硬件设计
(1) dsp以及周边资源
整个系统的控制电路由f2407a+gal组成。其中gal主要用于系统io空间的选通信号以及开关驱动信号的输出控制等。f2407a作为控制核心，接受上位机信息后判断系统的工作模式，并转换成igbt的开关信号输出，该信号经隔离电路后直接驱动igbt模块给电机供电。另外eeprom用于参数的保存和用户信息的存储。
(2) 功率电路
系统的功率器件选用了infineon公司bsm300 gb600dlc igbt模块，其内部集成2个igbt开关管，耐压600v，耐流300a。驱动选用北京落木源公司的TX-KA101 igbt驱动芯片，内含三段式的过流保护电路。系统的辅助电源采用反激式开关电源，主要供电包括系统所有开关管的驱动电源，f2407a和gal以及其他控制芯片的电源和采样lem以及三相霍尔的工作电源。
(3) 采样电路
本系统需要采样电感l1上的电流，另外需要对蓄电池电压和电机端输入电压进行采样，从而完成电路的恒流、恒压等控制功能。采样电路采用霍尔传感器并经模拟电路处理在0~3.3v的电压范围内，再送入f2407a的ad采样口。
(4) 转子位置检测电路
电机位置反馈采用双极性锁存型霍尔元件，在电机的每相绕组处都安放一个元件。霍尔信号根据电机转子磁极的极性来产生方波信号。霍尔元件安放的位置通常有60°和120°之分。f2407a通过判断方波信号跳变的极性来获取换相信息，同时记录方波脉冲的个数来计算电机的转速，从而实现电机速度的闭环控制。
(5) 保护电路
系统的保护分为软硬件保护，由于硬件保护速度较快，通常用于驱动信号的直接封锁。从保护等级来分，可以分系统级保护和驱动级保护，其中，驱动级保护是通过igbt驱动芯片TX-KA101特有的保护功能来实现的。系统级保护包括控制器的过流、过压、欠压，过温以及霍尔元件故障等保护。
5 实验结果
实验中采用了宁波欣达集团乐邦电机厂的bldcm，其额定功率为50kw，最大功率100kw，额定转矩212n·m，额定转速2300r/min，额定电流214a。额定电压336v，通过蓄电池组供电。整个驱动系统采用f2407a dsp芯片控制，其开关频率为20khz,电感l1=75μh，电容c0=100μf。功率模块选用infineon公司的bsm300gb600dlc低损耗igbt模块，其内部是一个半桥电路，具有低引线电感的封装结构。系统散热采用水冷。图4是正向电动时电感l1上的电流，此时电流连续，图5是电流连续时二极管d2两端的电压波形，可以看出几乎没有尖峰电压。图6是电感电流不连续时的波形，图7是电流断续时二极管d2两端电压波形。图8是电机轻载时的相电流波形，其电流较为平稳。图9，图10分别是igbt在导通和关断时的电压波形，其开关时间都在100ns左右，且关断时没有尖峰电压。
图4 正向放电电流连续波形
图5 电流连续时二极管电压结论
图6 正向放电电流断续波形
图7 电流断续时二极管电压
图8 电机相电流波形
图9 igbt导通时的电压波形
图10 igbt关断时的电压波形
6 结束语
本系统控制上采用dsp的数字结构，电路设计简单，紧凑，满足了大功率bldcm的实时控制要求。同时全数字化的控制，使系统在控制精度、功能和抗干扰能力上都有了很大程度的提高。整个系统不仅具有正向电动的功能，同时具有反向充电和制动功能。实验结果表明该系统设计合理，适应混合动力电动汽车的应用要求。
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