基于Proteus的直流電機控制教學探索

陳新兵 胡維 龍曉莉 張方櫻

摘? 要 分析新工科對跨學科融合創(chuàng)新要素的需求，提出在電工電子實習教學中引入電機控制的方法。采用成果轉化的方式為實習教學提供直流電機控制實例，使用Proteus軟件完成硬件設計、軟件編程與協(xié)同仿真，驗證Proteus仿真設計的正確性與高效率。教學應用表明，通過實習向低年級學生普及電機控制的目標已實現，新工科人才培養(yǎng)質量顯著提升。

關鍵詞 新工科;電工電子實習;電機控制;Proteus;協(xié)同仿真

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）10-0031-04

Abstract In order to promote the construction of new engineering course， how to lead DC motor controller into electrical & electronic?practice is suggested. Based on demand analysis， specific measures are taken to carry out reforms such as transfer of technology， tea-ching method and virtual test platform. Furthermore， how to design the system and finish cooperative simulation by proteus is presented in details. The simulation and application indicate that proteus designis correct and effective， which popularizes motor control in lower-classmen， and the quality of new engineering talents training is pro-moted.

Key words new engineering; electrical & electronic practice; motor controller; Proteus; co-simulation

1 引言

2017年，國務院辦公廳印發(fā)《關于深化產教融合的若干意見》，強調學科專業(yè)的實用性、交叉性與綜合性，注重信息通信、電子控制、軟件設計等新技術與傳統(tǒng)工業(yè)技術的緊密結合，為新工科建設提供了思路[1]。電機控制作為電子控制技術的關鍵內容，現在已廣泛應用于各行業(yè)，特別是機器人等新興行業(yè)，成為傳統(tǒng)工科專業(yè)推進新工科建設的重要元素。

電工電子實習是多數工科專業(yè)低年級學生必修的學科基礎課程[2]，培養(yǎng)學生的實踐動手能力與工程素養(yǎng)，支撐綜合實踐，促進課外創(chuàng)新。鑒于新工科建設與課外跨學科融合創(chuàng)新對電子控制技術的需求，實習課程組將原屬于電氣專業(yè)高年級的直流電機控制，納入電工電子實習新工科示范課程建設計劃，以實例方式普及到其他工科尤其電類專業(yè)。

Proteus是一款高效的單片機及其外圍電路仿真開發(fā)工具。相對于其他軟件[3-5]，Proteus提供了更強大的電機驅動模型庫，在軟硬件協(xié)同設計仿真領域具有明顯優(yōu)勢，可顯著提高電機驅動開發(fā)效率。在電工電子實習中探索引入Proteus仿真設計技術，簡化電機控制教學，降低課外跨學科融合創(chuàng)新門檻，已成為當前實習教學改革的重要任務。

2 設計仿真

直流電機廣泛應用于各類智能設備，根據控制系統(tǒng)指令執(zhí)行動作，如啟停、進退與加減速等，是大學生科技創(chuàng)新活動的重要元素。實習課程組利用長期指導實習教學與課外創(chuàng)新的優(yōu)勢，采用成果轉化的方式，將全國智能車/機器人競賽成果轉化為實習教學內容，開發(fā)了專門的工程實訓車及其電機控制系統(tǒng)。采用Proteus仿真工具開發(fā)電機控制系統(tǒng)流程為：建立工程→原理圖繪制→軟件編程→代碼加載→協(xié)同仿真→優(yōu)化。大體分為系統(tǒng)設計、硬件電路、軟件編程與協(xié)同仿真四個階段。

系統(tǒng)設計? 電機控制系統(tǒng)采用預驅動芯片+外置H橋方案設計，H橋由四個N溝道MOSFET搭建，相比集成H橋的驅動芯片，具有導通內阻小、驅動電流大、發(fā)熱小等優(yōu)勢，滿足競速對加減速、爬坡、轉彎、響應速度與發(fā)熱控制等方面的性能需求;但電路復雜度較高，通過Proteus可解決開發(fā)效率問題。采用H橋設計的電機控制系統(tǒng)結構如圖1所示。

核心電路由隔離電路、預驅動器和H橋電路三部分構成，對PWM調速信號進行功率放大，其中隔離電路用于保護前級主控電路，預驅動器負責H橋的通斷控制，H橋完成功率輸出。系統(tǒng)工作時，微控制器產生占空比可調的PWM信號，經由設計的電機控制模塊，控制電機的啟停、轉速與轉向，通過旋轉編碼器檢測電機實時狀態(tài)，構成閉環(huán)控制回路，確保智能車/機器人等智能設備沿規(guī)劃路徑平穩(wěn)運行。

硬件電路? 以7.2 V直流電機為被控對象，根據系統(tǒng)框圖設計單電機控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)采用7.2 V鎳氫電池供電。Proteus繪制硬件原理圖時，先在Proteus中添加核心IC及其周邊分立元件，然后布局元器件，最后進行電氣連線，繞線處改以網絡標號連接，要求圖紙層次分明、簡潔易讀。整個原理圖采用模塊化設計，由H橋驅動電路與外圍電路構成。

1）H橋驅動電路。選用全橋芯片HIP4081作為H橋預驅動，采用LR7843型MOSFET搭建H橋，內部集成反向恢復二極管，為瞬時反向電流提供快速泄放通道。該方案確保了驅動性能，簡化了電路設計，避免了共態(tài)導通問題。圖2是Proteus繪制的H橋驅動，其工作原理是：HIP4081接入PWM調速信號，輸出H橋MOSFET通斷信號，控制電機工作。

HIP4081是一款雙極式全橋預驅動芯片，由引腳ALI和BLI輸入一對互補PWM調速信號，引腳ALO、AHO和BLO、BHO輸出兩對半橋控制信號，驅動四個N型MOSFET，其中低邊輸出與相應輸入同相，高邊則反相。PWM信號反相功率放大后傳輸至電機，電樞兩端平均電壓UAB=（1-2Duty）US，其中Us為電源電壓，Duty為PWM占空比。

因此，電機轉向PWM信號占空比高的一側，轉速由占空比之差決定。DIS為HIP4081芯片輸出使能信號，DIS=0時，HIP4081開啟調速功能;DIS=1時，關斷H橋輸入。邏輯控制真值表見表1。

2）外圍電路設計。H橋驅動的工作，須設計相應的隔離電路和升壓電路，Proteus繪制原理圖如圖3所示。

隔離電路選用芯片74HCT245，隔離微控制器與HIP4081，防止H橋高壓流入主控。來自微控制器產生的電機控制信號，經74HCT245緩沖后，控制H橋驅動電路。

升壓電路選用電源芯片MC34063，把外部電池7.2 V提升至12 V后再供電，滿足HIP4081及其外置電荷泵的電壓需求，確保H橋高邊MOSFET完全開啟。此時H橋導通內阻低至6毫歐，發(fā)熱基本可忽略，驅動性能得以充分發(fā)揮。

軟件編程? 微控制器選用ATmega128單片機，通過引腳OC3A和OC3B輸出占空比可調的PWM信號，經由設計的電機控制系統(tǒng)完成啟停、轉向、進退與加減速動作。電機控制軟件流程見圖4。

軟件編程時，先根據系統(tǒng)需求，采用ICCAVR/Applica-tion Builder向導快速初始化硬件，使定時器3工作于快速PWM模式，配置其比較輸出寄存器COM3A1：0=2，COM3B1：0=3，OC3B引腳即可輸出與OC3A互補的PWM波形，滿足電機控制系統(tǒng)測試的信號需求。

利用Application Builder向導生成的C程序框架，根據軟件流程圖編寫控制算法，工作流程包括初始化、數據采集、模式匹配、控制決策四部分。程序執(zhí)行時，ATmega128先初始化硬件，然后進行數據采集與處理，根據信號變化進行模式匹配，進行控制決策，由電機執(zhí)行相應動作;最后結束本次循環(huán)，進行下次數據采集，生成Proteus仿真所需的.cof文件。

協(xié)同仿真? Proteus搭建的功能仿真測試平臺，由主控電路、電機驅動及其外圍電路組成，如圖5所示。為動態(tài)呈現仿真效果，LED、電機須選用帶動畫的元件模型，并添加示波器、電壓探針、數碼管等調試儀器，實時監(jiān)測信號變化，快速定位問題，為完善設計提供依據，借助Proteus提供的單步調試工具，解決硬件問題于設計初期，提高開發(fā)效率。

ATmega128加載之前編譯生成的.cof文件，即可進行Proteus軟硬件協(xié)同仿真。圖5是電機工作于10 kHz時的仿真效果，此時升壓電源輸出11.8 V，電荷泵峰值輸出17.8 V，確保了H橋驅動電路工作正常。在仿真過程中，五個控制按鍵分別模擬正轉、反轉、加速、減速和停車指令，ATmega128接收并識別后，輸出相應PWM信號，經H橋驅動電路放大后，控制電機執(zhí)行相應動作，并通過動畫直觀顯示運行狀態(tài)。仿真表明，電機各項控制功能皆達到設計要求。圖5是電機反轉情形，按下反轉按鍵，主控正確識別后，通過引腳PWMA輸出0.3占空比的PWM信號，PWMB與之互補，控制電機逆時針轉動，LED指示轉向，數碼管顯示占空比，示波器監(jiān)測波形見圖6。

波形反映了H橋驅動的信號跟蹤放大能力。主控產生的一對PWM信號，在傳輸至電機兩端的過程中，實現反相功率放大，控制邏輯符合設計要求，驗證了Proteus協(xié)同仿真的高效率。PWM頻率較高或電路復雜時，Proteus仿真須較長時間到達穩(wěn)態(tài)，仿真動畫會有滯后卡頓現象，上述模塊化設計與分步調試方法，提供了一種科學高效的快速仿真驗證方案。

3 應用效果

廣州大學電子實習中心承擔全校12個專業(yè)的電工電子實習教學與課程建設任務，利用長期指導跨學科賽事的優(yōu)勢，根據新工科需求，成功將科技競賽成果轉化為實習教學內容，開發(fā)了工程實訓車及其電機控制系統(tǒng)，建設了基于Proteus的MOOC在線教學資源，立足課內實踐，面向課外創(chuàng)新，2017年起投入實習教學，形成課賽結合、虛實協(xié)同、持續(xù)培養(yǎng)的教學模式，現已建成校級新工科示范課程，整體提升了學生的跨學科工程實踐能力，成為促進課外科技創(chuàng)新活動的入門范例。

4 結語

利用Proteus軟件實現對電機控制系統(tǒng)的仿真測試，解決了在低年級學生中普及電機控制的難題，成為電工電子實習建設新工科示范課程的重要支撐，對其他集中式實踐教學環(huán)節(jié)建設新工科課程也有一定的借鑒意義。

參考文獻

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