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1、基于matlab无刷直流电机驱动控制系统的仿真XXX(XXXXXXX 物理与电气工程学院 电气工程及其自动化2008年1班)摘 要： 在分析无刷直流电机(BLDCM)数学模型的基础之上,提出了一种新型的无刷直流电机控制系统建模仿真方法。在Matlab /Simulink环境之下,利用无刷直流电机的电压方程、电磁转矩方程和运动方程构建了无刷直流电机本体的仿真模型。系统采用单闭环控制:速度环采用经典PI控制,电流控制采用滞环电流跟踪型PWM。仿真实验结果表明:系统具有良好的静、动态特性,验证了该方法的有效性,为实际电机控制系统的设计和调速提供了新的思路。关键词：无刷直流电机；模型；simulink
2、；仿真；霍尔位置传感器； 引言电机在人类社会中的应用已有近100 多年的历史，电机的发展是从永磁电机开始的。诞生于19 世纪20 年代的第一台电机便是一台永磁发电机，但由于材料的制约，在随后的岁月里，永磁电机逐渐被电励磁电机所取代，而交流异步电机的出现并广泛应用，进一步压缩了永磁电机的应用空间。直至上世纪60 年代稀土永磁材料的出现，影响永磁电机广泛使用的材料问题得以基本解决，永磁电机又开始被广泛关注。但由于稀土材料昂贵的价格，永磁电机仅应用在对成本要求相对较低的场合。上世纪80 年代初，新型永磁材料钕铁硼的出现，大大降低了永磁体的成本，永磁电机才在较多的场合得到了应用。无刷直流电动机是在有刷
3、直流电动机的基础上发展起来的。现阶段，虽然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位，但无刷直流电动机正受到自20世纪90年代以来，随着人们生活水平的提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都越来越趋向于高效率化、小型化及高智能化，作为执行元件的重要组成部分，电机必须具有精度高、速度快、效率高等特点，无刷直流电机的应用也因此而迅速增长。随着永磁电机的广泛应用，其本身的缺陷也逐渐体现出来。传统的永磁电机往往使用电刷这种机械部件作为换向器，在运行过程中，电刷带来了换向火花、电磁干扰等问题；同时，电刷换向器极易磨损，造成了永磁电机维护频率高，维护过程复杂；机械式电刷换向器
4、还限制了电机转速的提高和体积的缩小。在这种情况下，伴随着电力电子技术的发展，一种采用电子换向装置的永磁直流电机无刷直电机出现了。无刷直流机是20 世纪60 年代出现的一种自整步永磁同步电机，是近年来得到长足发展和广泛应用的一种新型电机。无刷直流电机与传统直流电机相比，其结构上有较大不同，无刷直流电机将传统直流电机定子上的永磁体转移到转子上，而将电枢绕组置于定子上，并采用电子换向装置取代传统直流电机的机械式电刷换向器，使无刷直流电机在运行时无换向火花和无线电干扰，长时使用无需更换电刷，电机使用寿命长。无刷直流电机紧凑的机械结构，使其能够更容易地实现小型化。无刷直流电机相对于交流异步电机，具有高能
5、量密度、高效率的特点，同时具有较好的调速性能。由于定子无励磁电流分量，具有较高的效率。无刷直流电机由传统直流电机衍生而来，其自身具有传统直流电机调速方便、性能优异的特点，通过调压调速方式即可实现转速的平滑调节。综上所述，无刷直流电机相对于其它电机，有着其突出的优点。既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便的优点，又具有传统直流电机运行效率高、速性能好的优点，因此，在当今国民经济的各个领域都得到了广泛的应用。1 无刷直流电机的原理无刷直流电机为了实现无电刷换向，首先要把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上。为了能产生单一方向的电磁转矩来驱动电机转子转动，无刷直流电机还要有电
6、子换向器来使定子绕组产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永久磁场在空间上保持90的平均电角度。这样就使得这两个磁场产生最大平均转矩而驱动电机不停地旋转。以三相Y 形绕组电机半控桥电路为例，简要说明无刷直流电机的工作原理。图 为三相无刷直流电机半控桥原理图。此处采用霍尔元件作为位置传感器（P1、P2、P3），Q1、Q2、Q3 为功率逻辑单元。三相无刷直流电机半控桥控制原理图三个霍尔传感器各差 120机械角度安装在端盖上。当转子处于图（a）位置时，霍尔传感器P1 输出导通信号给Q1，此时A 相绕组通电，在绕组产生磁场的推动下，转子向逆时针方向转120；此时P3 输出导通信号，驱动Q3 导通，C 相绕
7、组导电，使转子继续向逆时针方向转120；此时P2 输出导通信号给Q2，B 相绕组导通，转子继续逆时针转120。周而复始，电机转子就不停地以逆时针方向旋转。图2.4 显示了转子的位置和转动的情况。电机正常工作时，每相绕组分别导通120电角度，见图。 图1.2 转子位置及转动示意图 图1.3 各相绕组导通示意图显然，当无刷直流电机采用半桥控制器控制时，工作效率很低，在同一时刻，仅有一相绕组导通工作。为了提高无刷直流电机绕组的利用率，提高无刷直流电机的效率，必须采用全桥式逆变器结构作为无刷直流电机的电子换向器。2 无刷直流电机的数学模型由于BLDCM的特征是反电动势为梯形波,包含有较多的高次谐波,并
8、且直流无刷电动机的电感为非线性,因此,在这里采用dq变换理论已不是有效的分析方法。而直接利用电动机原有的相变量(即a2b2c坐标系)来建立数字模型却比较方便。以两相导通星形三相六状态为例, 分析无刷直流电机的数学模型及电磁转矩等特性。为简化分析,作如下假设：(1) 相绕组完全对称，气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场分布皆对称；(2)忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响；(3) 电枢绕组在定子内表面均匀连续分布；(4)磁路不饱和，不计涡流和磁带损耗；电机的电压方程由电机学可知，定子三相绕组的电压方程可表示为=+p+un （1）式中，ua，ub，uc定子相绕组端电压，ia、ib、ic定子相绕组电流
9、；ea、eb、ec定子绕组电动势；Ra、Rb、Rc三相绕组的电阻；Laa、Lbb、Lcc三相绕组的自感；LabA相和B相绕组的互感(其他的类推)；un中性点电压；p微分算子，P=。 由于定子三相绕组为三相星型连接，且无中线，则有ia + ib + ic = 0Mia + Mib + Mic=0由此电压方程变为=+P+un (2) 因此，等效电路图可以表示为图2.1.L-M 图2 BLDCM的等效电路图2.2 电磁转矩方程：Te=（eaia+ebib+ecic） (3)式中，转子机械角速度；Te电磁转矩。2.3 运动方程 Te TL B = jd/dt (4)式中，TL负载转矩；B阻尼系数；J电
10、机的转动惯量。3 基于matlab的BLDCM的系统仿真模型的建立 在matlab的simulink环境下，利用sim power-system toolbox提供的丰富模块库，在分析BLDCM数学模型的基础上，提出了建立BLDCM控制系统仿真模型的方法，仿真系统的设计框图如图3所示。本控制系统采用三闭环控制方案；转速环由自整定PD调节器构成，电流滞环由实际电流和参考电流构成，位置环通过位置计算给出三相绕组的各相电流的控制信号。根据模块化建模的思想，将图3所示的控制系统分割为各个功能独立的子模块，其中主要包括：直流无刷电机本体模块、位置检测模块、转速PD模块和逆变器模块等。通过这些功能模块的有
11、机整合，就可以在matlab中搭建出无刷直流电机控制系统的仿真整体框图。如图4. 图3无刷直流电机控制系统的仿真图图4 matlab中的无刷直流电机的仿真图2. 1无刷直流电机本体模块由电压方程式( 1)可得,要获得三相相电流信号ia、ib、ic , 必需首先求得三相反电动势信号ea、eb、ec。而无刷直流电机建模过程中,梯形波反电动势的求取方法一直是较难解决的问题,反电动势波形不理想会造成转矩脉动增大、相电流波形不理想等问题,严重时会导致换向失败,电机失控。因此,获得理想的反电动势波形是无刷直流电机仿真建模的关键问题之一。本文采用分段线性法建立梯形波反电动势波形。分段线性法:将一个运行周期0
12、360分为6个阶段,每60为一个换向阶段,每一相的每一个运行阶段都可用一段直线表示,根据某一刻的转子位置和转速信号,确定该时刻各相所处的运行状态,通过直线方程即可求得反电动势波形。分段线性法简单易行,且精度较高,能够较好的满足建模仿真的设计要求。三相无刷直流电机的电压、电流和反电动势的关系可由式(5)表示Uab=RLLi1+(L-M)di1/dt+eabUbc=RLLi2+(L-M)di2/dt +ebc Uca=RLLi3+(L-M)di3/d t+eca (5)由式(1)和式( 5)可以得到无刷直流电机三相绕组模块结构,如图5所示。图5 无刷直流电机三相绕组模块结构图根据BLDCM电磁转矩
13、方程Te=（eaia+ebib+ecic）/和运动方程Te- TL-B=Jd/dt可以得到无刷直流电机转矩模块。如图6所示。图6 无刷直流电机转矩模块结构图2.2 速度和电流控制模块 本单元主要完成两个功能：完成转速、电流的负反馈，检测电机运行状态信息，以便触发逻辑单元进行操作。速度和电流调节器都采用带饱和限制的PI调节器。速度调节器的输出同时输入到状态检测环节，每当转速调节器输出过零时，就检测出一个状态变化信号。如图7和图8所示。图7 无刷直流电机速度控制模块结构图图8 无刷直流电机直流滞环控制模块结构图2.3 位置检测模块无刷直流电机位置检测模块结构图如图9所示。位置检测模块设置一个状态标
14、志，在每次换流时，将首先检测该标志，当该标志为“1”时，触发控制单元进行非正常换流过程，完毕后清除状态标志；当该标志为“0”时直接进入正常换流过程。检测信号转为触发脉冲信号模块，以及触发脉冲波形如图10所示。 图8无刷直流电机位置检测模块结构图图9检测信号转为触发脉冲信号模块3 仿真结果仿真时P ID参数的选取是难点,其对系统的影响至关重要。在选择P ID 参数时应综合考虑KP、KI、KD 的变化给系统带来的影响,具体可以按照先比例后积分再微分的顺序反复调试参数。无刷直流电机参数设置为: 定子相绕组电阻R =0. 5,定子相绕组自感与互感之差L - M =1. 72mH,转动惯量J = 0.
15、00292kgm3 ,额定转速ne = 1 500 r/min,极对数p = 4, 200V 直流电源供电。无刷直流电机的通电方式为三相Y联结全控电路两两通电方式,每隔60电角度换相一次,每个功率管通电120,每个绕组通电240,其中正向通电和反向通电各120。为了验证所设计的BLDCM控制系统的仿真模型的静、动态性能,系统空载起动,待进入稳态后,在2 s时突然加负载,在3 s突然撤去负载。得到的系统转矩、转速、A相电流和三相反电动势仿真曲线如图10图13所示。 由仿真波形可以看出,在n = 1 500 r/min的参考转速下,系统响应快速且平稳,相电流和反电动势波形较为理想。仿真波形表明:起
16、动阶段系统保持转矩恒定,因而没有造成较大的转矩和相电流冲击,参考电流的限幅十分有效;空载稳速运行时,忽略系统的摩擦转矩,因而此时的电磁转矩均为零;在t = 2 s时突加负载,转速发生突降,但又能迅速恢复到平衡状态,稳态运行时无静差。仿真波形图11中,突加负载后,负载转矩有较大的脉动,这主要是由电流换向和电流滞环控制器的频繁切换造成的。仿真结果证明了本文所提出的这种新型BLDCM仿真建模方法的有效性及控制系统的合理性。4结语本文在分析无刷直流电机数学模型的基础上,提出了一种新型的基于Matlab的BLDCM控制系统仿真建模的方法,采用了速度、电流和位置环三闭环控制方法对该建模方法进行了测试,仿真
17、实验结果表明:波形符合理论分析,系统能平稳运行,具有较好的静、动态特性。采用该BLDCM仿真模型,可十分便捷地实现、验证控制算法,改换或改进控制策略也十分简单,只需对部分功能模块进行替换或修改;同时,该模型提供的各仿真模块具有通用性。因此,它为分析和设计无刷直流电机控制系统提供了有效手段和工具,也为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。参考文献 1 张琛. 直流无刷电动机原理及应用. 北京:机械工业出版社, 2001. 2 邓兵,潘俊民. 无刷直流电机控制系统仿真 J . 计算机仿真. 2002, 19 (5) : 502100. 3 陶桂林,马志云,周理兵,胡双. 永磁无刷电机的建模与
18、仿真分析 J . 华中科技大学学报. 2003, 1: 83285.4 王益全.电动机原理与实用技术.北京:科学出版社，20055 李钟明,刘卫国.稀土永磁电机.第一版.北京:国防工业出版社，19996 许大中,贺益康.电机控制.浙江大学出版社，2002Based on matlab brushless dc motor driving control system simulationWang jia ni(Weinan normal college physical and electrical engineering electrical engineering and automati
19、on class one grade 2008)Abstract：Brushless DC motor in a brushless DC motor developed on the basis of. At this stage, although a variety of AC motor and DC motor drive in the application of the dominant, but brushless DC motor is under since nineteen ninties since, along with the people living stand
20、ard enhancement and modernization of production, the development of office automation, household appliances, industrial robots and other equipment are increasingly tend to be high efficiency, small size and high intelligence, as the implementation of components important component , the motor must h
21、ave a high precision, fast speed, high efficiency， brushless motor and therefore the application is also growing rapidly。In the analysis of the brushless DC motor ( BLDCM ) on the basis of the mathematical model, put forward a kind of novel brushless DC motor control system modeling and simulation m
22、ethod. In Matlab / Simulink environment, using brushless DC motor voltage equation, electromagnetic torque equation and the equation of motion of the body building of Brushless DC motor simulation model. The system uses a single closed loop control is adopted in the speed loop: classic P I control,
23、current control using hysteresis current tracking PWM. The simulation results show that: the system has good static and dynamic performance, verify the validity of the proposed method, for the actual motor control。Keyword：Brushless motor simulation model致谢通过这一阶段的努力，我的毕业论文基于AT89S52单片机的数字电压表的设计终于完成了，这意味着大学生活即将结束。在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。在本论文的写作过程中，我的指导老师陈炜倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。写作毕业论文是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新的学习生活的开始。我将铭记我曾是一名渭南师范学院物理与电气工程学院学子，在今后的工作中把刻苦钻研的优良传统发扬光大。