【直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真分析7800字（論文）】

直流電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與仿真3.1軟件介紹3.1.1LabVIEW概述LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境的簡稱。能夠以其直觀簡便的編程方式、眾多的源代碼級的設(shè)備驅(qū)動程序、多種多樣的分析和表達(dá)功能支持，為用戶快捷地構(gòu)筑自己在實(shí)際工程中所需要的儀器系統(tǒng)創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。LabVIEW采用圖形化編程語言——G語言，產(chǎn)生的程序是框圖的形式，易學(xué)易用，特別適合硬件工程師、實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員、生產(chǎn)線工藝技術(shù)人員的學(xué)習(xí)和使用，可在很短的時間內(nèi)掌握并應(yīng)用到實(shí)踐中去。囊括了DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS232/485在內(nèi)的各種儀器通信總線表針的所有功能函數(shù)，使得不懂總線標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)者也能夠驅(qū)動不同總線標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備與儀器。3.1.2Proteus軟件介紹本文設(shè)計(jì)所用到是Proteus軟件。它是大家常用的EDA工具軟件。這個軟件功能比較強(qiáng)大，可以說它是到當(dāng)前最好的單片機(jī)仿真軟件。Proteus軟件可以對基于微控制器的設(shè)計(jì)連同所有的周圍電子器件一起仿真，用戶甚至可以實(shí)時采用諸如LED/LCD、鍵盤、RS232終端等動態(tài)外設(shè)模型來對設(shè)計(jì)進(jìn)行交互仿真。本系統(tǒng)的調(diào)試主要以軟件為主，其中，系統(tǒng)電路圖的繪制和仿真本文采用的是Proteus軟件，而程序方面，采用的是匯編語言，用Keil軟件將程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)?；赑roteus的這些特點(diǎn)，本文選擇它來繪制直流無刷電機(jī)的硬件電路圖，并對直流無刷電機(jī)進(jìn)行調(diào)速仿真控制。3.2子程序設(shè)計(jì)3.2.1直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)子程序控制直流電機(jī)的運(yùn)動方向是根據(jù)直流電機(jī)的型號和鍵盤輸入的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生相應(yīng)的電脈沖信號，控制直流電機(jī)。直流電機(jī)換向時，一定要在電機(jī)降速停止或降到突跳頻率范圍之內(nèi)再換向以免產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機(jī)。換向信號一定要在前一個方向的最后一個CP脈沖結(jié)束后以及下一個方向的第一個CP脈沖前發(fā)出。對于CP脈沖的設(shè)計(jì)主要要求其有一定的脈沖寬度(一般不小于5μs)、脈沖序列的均勻度及高低電平方式。在某一高速下的正、反向切換實(shí)質(zhì)包含了降速→換向→升速三個過程。脈沖CP脈沖CP前DIR的最后一個CP脈沖

下DIR的第一個CP脈沖

此時DIR換向方向DIR圖3-1換向信號起作用時刻對于兩相四拍這種工作方式而言，正向運(yùn)動只需利用指針把狀態(tài)表中的內(nèi)容按照地址順序依次反復(fù)送出I/O口，直流電機(jī)的各相通電順序?yàn)锳→AB→B→AB，反向運(yùn)動為AB→B→AB→A正反轉(zhuǎn)流程圖如圖3-2所示：開始開始端口初始化按鍵處理是否有鍵按下反轉(zhuǎn)無有無圖3-2正反轉(zhuǎn)流程圖在這種控制方式中，將正向運(yùn)行程序模塊和反向運(yùn)行程序模塊作為中斷服務(wù)程序，需要實(shí)現(xiàn)怎樣的運(yùn)動，主程序便調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)程序，直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)邏輯關(guān)系。3.2.2中斷程序直流電機(jī)的繞組必須在一定的時間間隔內(nèi)連續(xù)不斷的按規(guī)律通人電流，這樣直流電機(jī)才能旋轉(zhuǎn)，時間間隔越短，直流電機(jī)的速度就越高，這個時間間隔是用定時器重復(fù)中斷一定次數(shù)產(chǎn)生的，即調(diào)節(jié)時間間隔就是調(diào)節(jié)定時器的中斷次數(shù)。因而定時器中斷程序中的主要工作是判斷直流電機(jī)的運(yùn)行方向，發(fā)下一個脈沖以及保存當(dāng)前的各種狀態(tài)。定時器TO中斷程序如圖3-3所示。保護(hù)現(xiàn)場保護(hù)現(xiàn)場中斷入口中斷次數(shù)—1=0讀方向指示發(fā)速度脈沖重送相關(guān)狀態(tài)恢復(fù)現(xiàn)場是否中斷返回圖3-3中斷程序流程圖3.2.3PWM脈寬調(diào)制子程序下面圖3-4是電機(jī)的驅(qū)動電路和繞組連接示意圖:圖3-4電機(jī)驅(qū)動電路與繞組連接示意圖為了讓電機(jī)的速度能夠變化，就需要把變化的電壓加在兩相線圈繞組的兩端。從數(shù)字化的的角度而言，加在直流無刷電機(jī)繞組上的PWM信號的不一樣的占空比能夠得到變化的電壓，這樣，可變的電壓就可以得到可變的電機(jī)速度。3.2.4PID算法子程序直流電機(jī)速度的給定是電位計(jì)來確定的。首先用要求的速度值來確定比例（P）誤差和積分（I）誤差。通過它們的值，來重新計(jì)算占空比。PID算法流程如圖3-5所示：圖3-5PID算法子程序流程圖3.2.5開環(huán)控制程序首先是初始化MCPWM、ADC、端口以及變化通知輸入，然后程序要一個激活信號作為開始。具體的流程如圖3-6所示。圖3-6開環(huán)控制流程圖3.2.6閉環(huán)電壓控制程序下面，圖3-7是閉環(huán)電壓控制模式。緊接著圖3-8是閉環(huán)控制流程圖。圖3-7閉環(huán)電壓控制模式圖3-8閉環(huán)控制流程圖3.3仿真和實(shí)驗(yàn)3.3.1Proteus中硬件電路搭建過程本文使用Proteus軟件來繪制直流無刷電機(jī)的硬件電路圖，這是學(xué)習(xí)軟件的基礎(chǔ)上，并參考原理圖繪制的。首先繪制直流無刷電機(jī)，點(diǎn)擊(挑選元件按鈕)按鈕，業(yè)面會出現(xiàn)挑選元件對話框，在對話框的KEYWORDS中輸入BLDC，得到如下結(jié)果，如圖3-9所示：圖3-9添加直流無刷電機(jī)電路然后點(diǎn)擊按鈕，關(guān)閉對話框，單擊左鍵，這樣BLDC-STAR就被放到Rootsheet1原理圖編輯窗口中了。點(diǎn)擊，繪制輸入、輸出和功率，如圖3-10所示：圖3-10Rootsheet1原理圖選取元件之后，就是電路的連接了，直接點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵開始連接，再點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵結(jié)束。最后再進(jìn)行元件參數(shù)設(shè)置，最終得到的結(jié)果如圖3-11所示：圖3-11系統(tǒng)顯示電路在系統(tǒng)顯示電路的原理圖中，S1是啟動按鈕，S2是換向按鈕，S3是暫停按鈕，RV1（滑動變阻器）用來實(shí)現(xiàn)仿真負(fù)載大小的調(diào)控。直流無刷電機(jī)在轉(zhuǎn)動的時候會顯示速度的大小，我們可以通過它來觀察速度調(diào)節(jié)的狀況，是我們判斷代碼是否正確地依據(jù)，為我們修改C語言的代碼程序提供了幫助。:圖3-12系統(tǒng)驅(qū)動主電路驅(qū)動的電子換相電路采用了系統(tǒng)所給的CCT004元件，由于電路比較復(fù)雜可以先把它集中到一塊，然后繪制比較復(fù)雜的子電路，這樣便于系統(tǒng)的運(yùn)行，不會因?yàn)檫^于復(fù)雜而降低系統(tǒng)的可靠性，而會提高系統(tǒng)的效率。由原理圖繪制電路圖如圖3-13所示。圖3-13BLDC換相電路原理圖圖3-14Proteus自帶驅(qū)動子電路因?yàn)閱纹瑱C(jī)輸出的電流非常小，所以，我們有必要加一個驅(qū)動電路對其進(jìn)行放大。接著，創(chuàng)建頁面Rootsheet3，就根據(jù)以上方法繪制系統(tǒng)緩沖器電路，如圖3-15所示。圖3-15系統(tǒng)緩沖器電路最后是AT89C51系統(tǒng)主控制器電路的繪制，單擊“P”按鈕，在KEYWORDS中輸入，得到如下結(jié)果，如圖3-16所示。圖3-16選擇單片機(jī)根據(jù)上面的方法，繪制主控制器原理圖?；魻朢，Y，B分別接入RB5，RB6，RB7引腳。當(dāng)發(fā)生IC中斷時，會讀取三個霍爾值，之后通過查StateTable表獲得換相的狀態(tài)，就這樣完成了對直流無刷電機(jī)進(jìn)行換相任務(wù)。圖3-17系統(tǒng)主控制器電路本文把單片機(jī)AT89C51作為主控制器。它具有最多3個16位定時器，1個定時器可以作為實(shí)時時鐘來使用。所以說，選擇了正確的單片機(jī)為仿真成功奠定了基礎(chǔ)。整個電路圖如圖4-18所示：圖4-18AT89C51控制直流電機(jī)的原理圖3.3.2Proteus代碼寫入方法如果Proteus繪制的原理圖能夠正常運(yùn)行，我們就要要把LabVIEW編譯的代碼寫進(jìn)AT89C51單片機(jī)，下面詳細(xì)介紹一下單片機(jī)代碼寫進(jìn)的過程。在Proteus中編譯窗口中，單擊AT89C51單片機(jī)，會跳出下面的窗口，如圖3-19所示:圖3-19讀入程序仿真這樣，直流無刷電機(jī)的C語言程序代碼就被加載到了AT89C51單片機(jī)當(dāng)中，如果程序和電路連接沒問題，電機(jī)就會按照預(yù)想的情況運(yùn)行?？偨Y(jié)在單片機(jī)控制直流電機(jī)的控制系統(tǒng)中，以直流電機(jī)為控制對象，用AT89C51單片機(jī)為核心控制器，設(shè)計(jì)了對直流電機(jī)系統(tǒng)控制的硬件，用軟件代替硬件控制，不僅減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作量、大大縮短開發(fā)研制周期和節(jié)約了開發(fā)費(fèi)用，而且提高了控制系統(tǒng)的柔性和可靠性，有較高的推廣和實(shí)用價值。本文是在大量查閱國內(nèi)外諸多資料的基礎(chǔ)和研究國內(nèi)外直流電機(jī)速度控制現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，研究直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)后完成的。因此，本文研究的控制系統(tǒng)具有一定的技術(shù)先進(jìn)性，通過仿真軟件Proteus來設(shè)計(jì)完善電機(jī)控制，用虛擬的系統(tǒng)來仿真模擬真實(shí)的硬件和軟件，不僅達(dá)到了目的，而且節(jié)約成本，同時，有錯誤可以方便修改。致謝參考文獻(xiàn)劉恩濤,潘宏俠.高精度無刷直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真[J].電子元器件應(yīng)用.2012(04)劉嚴(yán).基于LabVIEW匹配濾波器最佳接收機(jī)的仿真[J].國外電子測量技術(shù).2013(05)趙弘,趙毅鑫.基于虛擬儀器的工業(yè)CT無線自動加載測試系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào).2012(08)柳艷,馬俊,董雪冬.基于LabVIEW的生態(tài)環(huán)境信息檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù).2012(06)文娟,林清華.節(jié)能空調(diào)用無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制方法[J].機(jī)電工程技術(shù).2012(07)王安.直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].數(shù)碼世界.2016(12)齊利民,劉國海,賈洪平.電動車用無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制[J].微電機(jī).2011(11)趙雷,王培光,宗曉萍.無刷直流電機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的丟包研究[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)(專業(yè)版).2011(28)李珍香,李全福.Proteus仿真軟件在微機(jī)原理與接口技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)教育.2015(09)邊璐.Proteus在計(jì)算機(jī)電路課程中的應(yīng)用[J].信息系統(tǒng)工程.2013(10)蔡秋花,馬菲,張文英.一種無刷直流電機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].控制工程.2008(S1)夏長亮,劉丹,王迎發(fā).無刷直流電機(jī)免疫反饋?zhàn)赃m應(yīng)學(xué)習(xí)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào).2007(10)岳學(xué)磊,白鵬.關(guān)于無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)化控制研究[J].計(jì)算機(jī)仿真.2015(10)YangyangLi,HongzhuShi,LichengJiao,RuochenLiu.QuantumevolutionaryclusteringalgorithmbasedonwatershedappliedtoSARimagesegmentation[J].Neurocomputing.2012JunSun,XiaojunWu,VasilePalade,WeiFang,Choi-HongLai,WenboXu.Convergenceanalysisandimprovementsofquantum-behavedparticleswarmoptimization[J].I