基于Proteus和AVR单片机的无刷直流电机控制系统仿真

摘要：文中设计的无刷直流电机控制系统选择ATmega128单片机作为主控芯片，使用了EDA工具软件Proteus设计了无刷直流电机的控制系统，并进行了仿真实验。在仿真实验中利用Proteus软件的仿真功能，进行了电机转速控制的实验，控制系统的可行性以及转速控制效果得到了验证。实验过程中能直观地看到实验结果，所设计的系统满足了无刷直流电机转速控制的要求，电机运行稳定，在硬件电路和软件设计都有一定的辅助作用。

关键词：Proteus;AVR单片机;无刷直流电机;仿真;控制系统

永磁无刷直流电动机不使用电刷和换向器组成的机械换向机构而是使用电子的直流电动机。永磁无刷直流电机首先不会出现诸如电刷引起的摩擦和电火花、因机械换相机构而导致的寿命短等问题;其次无刷直流电机在结构上有一定的简化，转子上安装永磁体，定子上安装电枢绕组，因而在导热方面效果更好。这样既能保持直流电动机在启动和调速方面的出色特性，同时又在运行稳定性和能量转换效率等方面保持一定的优势，进而提高电机运行的经济性。单片机尽管在性能上不如DSP芯片，但却有更低的价格，外部电路设计简单，在通常状况下单片机的控制功能和处理速度也可以达到的需求，所以这里选择单片机作为直流无刷电机驱动控制系统的主控芯片。

Proteus软件目前在单片机仿真及其他相关的外围器件的仿真方面，Proteus是一个非常实用的工具软件。可以使用Proteus完成硬件电路的设计，可以对单片机在内的一些微处理器进行编程，在微处理器上实现不同的控制算法，并且仿真过程中的控制效果可以直观观测。文中采用Proteus仿真平台设计了以AVR单片机为控制核心的无刷直流电机仿真控制器，把有效的理论实践基础应用到实际系统的设计当中。

1 Proteus中的无刷直流电机模型

无刷直流电机模型是在直流电机模型基础之上建立的，根据应用需要可在Proteus软件中对电机的参数进行设定，包括电机的额定使用电压、空载状态转速、转子的转动惯量、定子绕组的阻抗及定子绕组间的互感等参数。软件提供定子绕组为星型连接(STAR)和三角形连接(TRIANGIE)两种模型，在此选用星型连接的无刷直流电机模型，该电机模型中自带有3个霍尔位置传感器，用于转子位置的检测。

2 硬件电路设计

硬件电路主要包括单片机的硬件电路、电机的驱动电路、功率逆变电路、运行电流检测电路、转速检测电路等。原理框图如图1所示。

2.1 主控制电路

主控芯片选择ATmega128单片机，电路如图2所示。ATmega128芯片采用RISC结构，稳定性高，应用广泛。其外设具有6路分辨率可编程 (2～16位)的PWM，8路10位ADC。其具备的功能可用于无刷直流电机的驱动控制。ATmega128芯片具有输入捕获功能，能检测到来自的外部中断信号。将电机模型中自带的霍尔位置传感器A.B，C分别接入单片机的PD0，PD1，PD2引脚，随着电机转子位置的改变，3个霍尔传感器会输出不同的电平信号。当发生中断时，单片机的输入引脚可读取来自霍尔传感器的电平状态，在查询对应的霍尔换相真值表后即可得到当前的换相信息，进而实现换相控制。

2.2 功率驱动电路

无刷直流电机的功率驱动如采用三相半桥方式，其电路部分器件相对较少，电机绕组的任一相只靠一个功率管即可控制电流通断，每相绕组的通电时间与关断时间之比为1：2，这使得每相绕组的利用率不高。三相全桥的电路部分器件的数量上是半桥式的两倍，但每相绕组可通电240°电角度，绕组利用率相应得到很大提高。三相桥式逆变器是由6个N沟道功率MOSFET管构成。IR2101是双通道、栅极驱动、高压高速功率驱动器，因为IR2101采用了高度集成的电平转换技术，使逻辑电路对功率器件的控制要求得到简化。功率MOSFET管采用二二导通方式，6个功率管在电机运行过程中的通断状态共有6个。图3所示的功率驱动电路是其中一相绕组对应的桥臂。主控制器输出的PWM脉冲方波分别加载到功率驱动芯片IR2101的HIN和LIN引脚，用于驱动相应功率 MOSFET管的通断。

2.3 相电流检测电路

为了检测相电流，选择ACS712ELCTR-30A-T串入全桥公共端，然后将VIOUT端与主控芯片的A/D输入端口PF0连接。 ACS712是线性电流传感器，该器件内置有精确的低偏置的线性霍尔传感器电路，其输出电压与被检测电流成比例。ACS712ELCTR-30A-T霍尔电流传感器输出范围是0.5～4.5 V，而主控芯片ATmega128的A/D转换参考电压选为VCC，即5 V，电流传感器输出不超过A/D转换参考电压，如图4所示。

2.4 速度检测电路

Proteus的无刷直流电机模型自带3个霍尔传感器，霍尔传感器在空间上呈120°分布，用于确定电机转子位