无刷直流电机(论文设计)

1 绪论无刷直流电机l(Brushless DC Mot or ,简称BLDCM)用电子换相取代了直 流电机的机械换相，把永磁材料做成转子，省去了电刷，因而它具有很强的生命 力。无刷直流电机的驱动电路能比较容易的获得方波，反馈装置简单，功率密度 高，输出转矩大，控制结构简单，使得BLDCM的应用比直流电机要广泛得多。1.1 课题研究目的与意义一个世纪以来，电机作为机电能量转换装置，其应用已遍及国民经济的各个 领域以及人们的日常生活中。众所周知，直流电机具有运行效率高和调速性能好 等诸多优点，但是传统的直流电机均采用电刷，以机械方法进行换向，因而存在 机械摩擦，由此带来噪声、电火花、无线电千扰以及寿命短等致命弱点，再加上 制造成本高及维修困难等缺点，从而大大地限制了它的应用范围，致使目前工农 业生产上，大多数采用三相异步电机。无刷直流电机既具备传统直流电机运行效 率高、调速性能好、无励磁损耗的优点，又具有结构简单、运行可靠、维护方便 等独特的优势，特别是与传统直流电机相比，无刷直流电机不采用电刷进行换相， 因而不存在机械换相带来的诸多缺点，故在许多高科技领域中应用越来越广泛。在军事装备领域，使用无刷直流电机能更好地满足快响应、高精度的要求。 对常规武器如雷达的天线控制系统、高射武器的自动跟踪系统等，这些随动系统 必须具备很高的角速度、角加速度和很高的跟踪精度，快速跟踪和准确定位是两 个重要的技术指标，其控制器的好坏直接影响着装备战术技术性能，因此，如何 使随动系统具有稳定性好、可靠性高、响应速度快、跟踪精度高等特点成为研究 随动系统的关键。近十年来，用高新技术武装的各种新型武器如战术导弹、隐形 飞机、武装直升机等空中武器不断涌现，其目标识别能力、隐蔽程度、目标命中 精度均大大提高，这给武器随动系统提出了新的要求。在民用领域，随着现代电 力电子技术、传感器技术、精密机械技术、自动控制技术以及人工智能技术等高 新技术的发展，对电动机的要求从过去简单的提供动力发展到精确控制，从而促 进了电动机与电子产品紧密结合的机电一体化产品的发展，如激光加工、机器人、 数控机床、柔性制造系统等。在这些高科技领域中，无刷直流电机作为当今效率 最高的调速电机之一，得到了非常广泛的应用。无刷直流电机的调速性能优越、体积小、重量轻、效率高、转动惯量小、不 存在励磁损耗问题，不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，而且 结构简单、运行可靠、易于控制。随着无刷直流电机的应用范围日益扩大，其应 用己经从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域 迅速发展。因此，直流无刷电机的应用和研究受到了高度的重视，凭其技术优势 在许多场合取代了其它种类的电动机，越来越多地应用于国民经济生活的各个领 域中，显示出了广泛的应用前景。因此，对无刷直流电动机本体及其控制且在控 制过程中出现的问题进行系统、深入的研究有着非常重要的理论和现实意义无刷直流电机控制策略选择的好坏直接关系到控制系统的性能，对于控制系 统来说有三个基本要求:稳、准、快。其中“稳”是最根本的要求，“准” 是稳 态要求（稳态误差要小），“快”是动态要求（超调量要小，调节时间要短）。目前 在实际生产和应用中，无刷直流电机的调速控制一般都采用传统的PID控制，PID 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高， 被广泛应用于工业控制过程中，但无刷直流电机调速系统是一个多变量、强祸合 的非线性系统，随着对无刷直流电机调速性能要求的提高，采用传统的控制方法 已经很难得到令人满意的结果。因此，研制高性能的无刷直流电机控制器成为一 项普遍关注的课题。1.2 国内外研究概况综述1955年，美国D.哈利森等人首次申请了应用晶体管换向代替电机机械换向 器换向的专利，这就是现代直流无刷电机的雏形2。尔后又经过人们多年的努力， 借助霍尔元件来实现换向的直流无刷电机终于在1962年问世。80年代以来，微 电子技术和电力电子技术在各自发展的基础上相结合产生了高频化全控型器件， 从而使电力电子技术的发展进入了一个新的阶段，新的电力电子器件使电路的控 制性能大为改善，使以前难以实现的功能也得以实现。目前，电力电子装置朝着 集成化的方向发展，把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，便构成了 功率集成电路，这些使得电机的驱动电路体积更小且设计简化。电力电子工业的 发展，使半导体大功率管的价格不断下降而其性能却不断提高，这些都将使无刷 直流电机的应用更加普及3。随着科技的发展，无刷直流电机的控制器经历了模拟控制系统、模拟数字混 合控制电路、数字控制系统等阶段。传统的无刷直流电机控制器一般由模拟器件 以硬接线的方式构成。然而模拟元件的物理特性决定了它们具有一些本质上的缺 陷，例如元器件的老化和温漂问题等，由于采用了硬接线，系统升级困难，使它 很难满足现代电子系统的设计要求。因此，数字控制系统应运而生，最初的数字 控制系统都是以单片机为主控芯片，单片机的种类很多，其中以51 系列、96 系 列单片机最为普遍。在单片机控制系统发展的同时，一些厂家开发出了电机控制 专用芯片，如用于无刷直流电机控制的UCC3626、摩托罗拉高性能微控制器中的 智能化外围模块MC33039等。这类芯片价格便宜，执行速度快，但是所能实现的 控制功能简单，难以满足高性能控制场合的需要。从目前的发展趋势来看，以双 闭环控制代表无刷直流电机控制器的发展方向。在过去20多年的时间里，直流 无刷电机在国际上己得到较为充分的发展，控制技术已经比较成熟。由于无刷直 流电机的应用前景广阔，各国都加快对无刷直流电机新产品开发的速度和占领市 场的力度，尤其美国和日本具有较先进的无刷直流电机制造和控制技术。日本在 民用方面比较突出，而美国则在军用方面更加先进。在我国，无刷直流电机的发展时间较短，但随着技术的日益成熟与完善也得 到了迅猛的发展。我国直流无刷电机的研制工作始于二十世纪70年代初期，主 要集中在一些科研院所和高等院校。限于我国元器件水平及相关理论与实践相结 合的程度还比较低，尤其是制造工艺和加工设备距离国际水准差距较大，所以目 前我国无刷电机综合水平仍低于国际水平，有待进一步的研究和开发。我国的无刷直流电机也已在航模、医疗器械、家用电器、电动车等多个领域 得到广泛应用，并在深圳、长沙、上海等地形成初具规模产业链，在技术上不断 推进行业发展。但是，中国在无刷直流电机产业的发展过程中出现了不少问题， 许多情况不容乐观，如产业结构不合理、产业集中于劳动力密集型产品;技术密 集型产品明显落后于发达工业国家 ;生产要素决定性作用正在削弱;产业能源消 耗大、产出率低、环境污染严重、对自然资源破坏力大;企业总体规模偏小、技 术创新能力薄弱、管理水平落后等。当今，世界对无刷直流电机的研究热点主要集中在以下三个方面:(1) 从电机设计和控制策略等方面出发，研究无刷直流电机转矩波动抑制方 法，提高其伺服精度，扩大其应用范围;(2) 设计可靠、小巧、通用性强的集成化无刷直流电机控制器;(3) 研究无位置传感器控制技术以提高系统的可靠性，并进一步缩小电机控 制系统的尺寸与重量。1.3 论文的主要内容本文对无刷直流电机的控制策略和转矩脉动等问题进行研究，内容主要由以 下几部分组成:(1) 论述了本文的研究目的，内容以及研究意义。2）概述了无刷直流电机的基本结构、工作原理和数学模型。3）介绍了无刷直流电机的控制策略的选择。4）在 Matlab/Simulink 中建立无刷直流电机模型。5）通过 Matlab/Simulink 进行仿真，并对实验结果进行详细的分析6）对全文进行总结分析，得出了论文的结论。2 无刷直流电机的数学模型无刷直流电机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部 分组成，不同类型的结构和驱动方式可以有多种组合。电子换相电路一般由控制 部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测可以通过用传感器的方法或无位置传 感器技术进行确定。工作时，控制器根据测得的电机转子位置有序的触发驱动电 路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机运行。2.1 无刷直流电机的基本结构和工作原理2.1.1 无刷直流电机的基本结构无刷直流电机的设计思想来源于有刷直流电机，但无刷直流电机与有刷永磁 直流电机的结构刚好相反，电枢绕组在定子上，而永磁磁钢在转子上。使用位置 检测电路、电子换相电路来共同构成电子换相装置，使得无刷直流电机在运行过 程中定子绕组所产生的电枢磁场与转动中的转子磁钢产生的永磁磁场，在空间上 始终保持在 900 左右的电角度，以输出最大转距，牵引转子及负载旋转。所以， 无刷直流电机的基本结构可以认为由电机本体、电子换相电路以及位置检测电路 共同组成4如 图 2-1。图 2-1 无刷直流电机系统基本结构图电机本体的主要部件有定子和转子。无刷直流电机的转子磁极采用瓦形磁 钢，经专门的磁路设计，可获得梯形的气隙磁场，定子采用集中整距绕组，因而 感应的电动势也是梯形的。无刷直流电机的内转子式，定子电流导通状态是 A 相和C相导通，B相关闭。电枢绕组在定子侧，有利于常用的的内转子无刷直流 电机散热。（1）定子是电机本体的静止部分，由导磁的定子铁心、电枢绕组、及绝缘 材料等部分组成。其中，定子绕组是电机本体的一个重要部分。当电机接上电源后，电流流入 绕组，产生磁动势，与转子产生的磁场相互作用而产生电磁转矩。当电机带着负 载转动起来后，便在绕组中产生反电动势，吸收一定的电功率，并通过转子输出 机械功率，从而实现能量从电功能转换成机械能的过程。（2）转子转子式电机的转动部分，是产生励磁磁场的部件，由一定的极对 数的永磁体嵌在铁心表面或嵌入铁心内部构成。目前，永磁体多采用钱铁硼等高矫顽力、高剩磁感应密度的稀土永磁材料制 作而成。就转子结构看，有凸装式、嵌入式和内埋式三种基本形式，前两种统称 为外装式结构。外装式结构可使转子做得直径小、惯量低，特别是将永磁体直接 贴接在转轴上，还可以获得低电感，有利于改善动态性能。而内埋式结构机械强 度高、磁路气隙小，与外装式结构相比，更适用于弱磁运行。2.1.1 无刷直流电机的的工作原理直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，位置传感器随时检测到转子 所处的位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而有效地控 制哪些绕组通电，哪些绕组断电，实现电子换向。电子换相电路的作用是将位置传感器的输出信号进行解调、预放大、功率放 大，然后去触发末级功率管，使电枢绕组按照一定的逻辑顺序供电，保证电机的 可靠运行。普通直流电动机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的磁场。为了使直流 电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁 场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转。无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子制成永磁体， 这样的结构正好和普通直流电动机相反；然而，即使这样改变还不够，因为定子 上的电枢通过直流电后，只能产生不变的磁场，电动机依然转不起来。为了使电 动机转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，这样才能使定子磁场随 着转子的位置在不断地变化，使定子磁场与转子永磁磁场始终保持左右的空间 角，产生转矩推动转子旋转。2.2 建立无刷直流电机的数学模型无刷直流电机由定子三相绕组、永磁转子、逆变器、转子磁极位置检测器等 组成5。为了便于分析，假定：（1）三相绕组完全对称，气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场分布皆对（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，不计涡流和磁滞损耗。2.2.1 电压方程 三相绕组的电压平衡方程可表示为：ur 00iL M M ieaaaaub=0 r 0ib+M L MP +ib+eb(2-1uc00 ricM M Licec式子（2-1）中：u、u、u为定子相绕组电压（V）；i、i、i为定子相绕组电流（A）；e、e、a b c a b c a be为定子相绕组电动势（V）； L为每相绕组的自感（H）； M为每两相绕组间c的互感（H）； p为微分算子p = d/dt。三相绕组为星形连接，且没有中线，则有 i + L + i = 0 并且 Mi + Mi 二Mia b c b c c可得到电压方程为uar00iaL M00iaeaub=0r0ib+0LM0Pib+ebuc00ric00L Micec2-2)2.3.2 转矩方程无刷直流电机的电磁转矩是由定子绕组中的电流与转子磁钢产生的磁场相互作用而产生的。BLDCM的电磁转矩方程可表示为：Te = p （e i + e,i, + e i）/w（2-3）n a a b b c c由电磁转矩方程可看出，无刷直流电动机的电磁转矩方程与普通直流电动机 相似，其电磁转矩大小与磁通和电流幅值成正比，所以控制逆变器输出方波电流 的幅值即可控制无刷直流电动机的转矩。为产生恒定的电磁转矩，要求定子电流 为方波，反电动势为梯形波，且在每半个周期内，方波电流的持续时间为120 电角度，梯形波反电动势的平顶部分也为120电角度，两者应严格同步。所以 BLDCM 的运动方程可表示为：2-4)Te 二 Tl + B + Jdt / d式子（3-4）中的角速度。p 为极对数； Te 为电磁转矩； T 为负载转矩。其中 为 BLDCM nL3 无刷直流电机控制系统3.1 无刷直流电机的调速控制电机的速度控制系统可分为开环控制和闭坏控制两种。开环控制没有反馈环节，系统的稳定性不高，响应时间相对来说较长，精确 度不高，其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响，没有自动修正 或补偿的能力。只能用于对系统稳态精度要求不高的简单的系统，而在要求比较 高时，开环控制就受到很大的局限。因此，一般都采用闭环控制来解决相应的问 题。闭环控制有反馈环节，通过反馈使系统的精确度提高，响应时间缩短，适合 于对系统的响应时间，稳定性要求较高的系统。闭环控制有助于提高系统的精度 和稳定性，从而提高生产效率和品质6。3.1.1 开环调速控制开环控制系统是指被控对象的输出（被控制量）对控制器的输出没有影响。在 这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。当控制指令发 出后，执行机构按照指令执行，控制对象的响应情况由运行人员自行监视。开环系统结构简单，控制电压直接控制电机触发电路。在开环系统中没有反 馈信号，而电机在带载的一瞬间要有一个做功的过程，也就是建立系统带载状态 下的稳定状态的过程，这部分功需要增大电机的电流来补偿，同时也会牺牲一部 分动能，也就是电机的转速，所以产生了静态速降。开环控制系统静特性差，在 转矩变化的情况下转速变化大，不利于电机平稳地运行。无刷直流电机的开环调速系统如图 3-1 所示图 3-1 无刷直流电机开环调速系统3.1.2 双闭环调速控制闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出 （被控制量）会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。无刷直流电机的双闭环控制结构图，如图3-2 所示。BLDCMnnrefiqefUDC位置和速度 传感器三相 逆变器电流 调节器速度调节器PWM图 3-2 无刷直流电机的双闭环控制结构图图3-2中，n为给定速度，n为反馈速度i为速度调节器输出的电流。该ref qef 图所示的双闭环控制系统由电流内环和速度外环组成，转速调节器和电流调节器 在双闭环调速系统的作用如下:（1）转速调节器的作用a 转速调节器是调速系统的主导调节器，它使输出转度能很快的跟随给定速度的变化，稳态时减小稳态误差；b 对负载变化起抗扰作用，抑制速度波动；c 它的输出限幅值决定电机允许的最大电流。（3）电流调节器的作用a 作为内环的调节器，它的作用使电流紧紧跟随外环输出的变化；b 对电网电压的波动起及时抗扰的作用；c 在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态响应速 度；d 当电机过载堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用，一 旦故障消失，系统立即自动恢复正常。一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重 要的动态性能是抗扰性能，主要是抗电网电压扰动和负载扰动的性能。在双闭环 系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流的反馈得到及时调节。另 外，负载扰动是在电流环之后产生，因此可以靠转速调节器对其进行调节。可知， 使用双闭环控制可以使系统的抗扰性能得到很大地改善。3.2无刷直流电机的控制策略在电机的控制中，不仅要求系统能稳定运行，还要对指令信号有很好的跟踪 能力，尽快与指令信号保持一致。即使受到扰动，也能正常运行，及时准确达到 指令值。这就要求电机必须采用较好的控制策略，提高整个系统的鲁棒性。对于控制系统的要求，通常可以用稳定性、精确性、快速性和抗扰性等几个 动态和静态的性能指标来描述。这几个性能指标，在同一系统中有可能相互制约。 不同的控制对象对系统的要求也不一样，因此对系统应有所侧重，才能有效地达 到预期目标。3.2.1 PID控制特点在电机控制中有很多控制方法，比如 PID 调节、卡尔曼滤波和模糊控制等。 PID 控制器成形的时期是在 20 世纪 20 年代一 40 年代，由于当时科学水平的限 制，只能用简单的模拟器件来实现 PID 反馈律。现在，经过几十年的不断更新换 代，PID控制已经得到了飞速的发展，并实现了模拟PID控制向数字PID控制的 转换7。因为PID控制具有应用简单、实现方便等特点，因此在实际生产中这是 一种比较常用的方法。如图3-3所示是一种运用PID控制器设计的直流电机控制图3-3直流电机控制系统根据图3-3可以看出，使用PID控制器的主要目的就是获取到电机内部给定 转速n(t)与电机系统实际转速n (t)的差值即e(t)后进行调节，调节后输出一个 r信号u(t)，输出信号经过相应处理后，就能够控制直流电机执行相应的动作。PID控制原理图如图3-4图3-4 PID控制原理图r(t)是系统设定的给定值，y(t)是给定系统输出的真实值，e(t)是系统给定 值与实际输出值相减得到的偏差值。PID 控制具有以下优点:(1) 控制原理简单，使用方便，并且己经形成了一套完整的参数设计和参数整 定方法，很容易为工程技术人员所掌握;(2) 通过对各参数的适当一调整，可以达到很好的控制效果;(3) 适应性强，广泛应用于各个领域;(4) 可以根据不同的需要，针对自身的缺陷进行改进，形成一系列改进的算法。3.2.2 PID参数的功能下面分析一下PD控制器相应的三个参数各自的主要作用与功能：(1) 首先是比例环节，它的主要作用是对系统运行时产生的控制量偏差做出 反应，并进行快速调节。当有偏差信号产生，比例控制器就会开始进行调节工作， 使该偏差信号逐渐减小。同时比例系数的大小将会直接影响系统的响应时间，虽 然通过调节它能立刻得到纠正的输出值，但是它不能让该输出值在理想的状态下 稳定下来，所以说比例系数过大会导致系统超调，破坏系统的可靠性。(2) 其次是积分环节，它的主要作用是使系统运行时产生的偏差累积成为输 出量，并且进行调节。因为系统运行过程中必然会有偏差的产生，只要偏差信号 出现，该输出量经过积分处理后因其累积作用会出现逐渐增大的趋势。当偏差信 号为零时输出量才能够达到稳定状态不变。在比例调节的基础上积分系数能减小 输出的余差，因此积分调节器能够修整系统工作中的误差，不过积分系数设置太 大会导致该环节累积作用变弱，破坏系统可靠性。(3) 最后是微分环节，它的主要作用是避免系统运行时所产生的偏差信号不 断波动。也就是说它是通过偏差的变化速率进行调节的，偏差变化速率加快的时 候，微分控制器的控制输出随之加大，因此能在偏差变大之前进行调节。微分系 数的大小具有控制超前的作用，当微分系数设置得当的时候，系统的动态特性能 够得到明显改变。需要注意的是积分环节对于那些输入信号存在噪声的对象是比 较敏感，当系统存在较大的干扰和噪声时通常不使用微分控制。以上是PID控制器三个参数的设定方法，在调节无刷直流电机控制系统时， 还要对控制器的输出进行一些限定，如电源的额定电压、额定电流、占空比等， 因此三个参数的设定需要大量实验，防止其超出承受范围。在实际的控制系统中，PID控制器不一定都要同时包括比例、积分和微分三 个环节，而是根据实际被控对象的特性、负载变化、主要扰动及系统控制要求等 具体情况做出选择，可以是比例、比例一积分、比例一微分或比例一积分一微分 等多种结合形式的控制器。一般在电机的控制系统中，比较常用的是比例一积分 这种控制方式。通过 MATLAB/Simulink 软件对系统进行仿真，来验证 PI 控制器 对无刷直流电机进行控制的可行性。4基于MATLAB的无刷直流电机模型的建立4.1 MATLAB/Simuli nk 的介绍4.1.1 MATLAB 的简介MATLAB8是矩阵实验室(Matrix Laboratory)的简称，是美国MathWorks 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算 的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB特点如下：(1) 友好的工作平台编程环境(2) 简单易用的程序语言(3) 强大的科学计算机数据处理能力(4) 出色的图形处理功能(5) 应用广泛的模块集合工具箱(6) 实用的程序接口和发布平台(7) 应用软件开发4.1.2 Simuli nk的功能与特点Simulink是The MathWorks公司开发的用于动态系统和嵌入式系统的 多领域仿真和基于模型的设计工具，常集成于 MathWorks 公司的另一产品 MATLAB中与之配合使用。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛 应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。 Simulink 可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行 建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速 率。为了创建动态系统模型， Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形 用户接口(GUI)，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提 供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结 果。Simulink 是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设 计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像 处理系统， Simulink 提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行 设计、仿真、执行和测试。构架在 Simulink 基础之上的其他产品扩展了 Simulink 多领域建模功 能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。 Simulink 与 MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真 的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测 试数据的定义。Simulink 有如下特点(1) 丰富的可扩充的预定义模块库。(2) 交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图 。(3) 以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理 。(4) 通过 Model Explorer 导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、 参数、属性，生成模型代码。(5) 提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成。(6) 使用 Embedded MATLAB 模块在 Simulink 和嵌入式系统执行中调用 MATLAB 算法。(7) 使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式(Normal,Accelera tor,Rapid Accelera tor)来决定以解释性的方式运行或以编 译C代码的形式来运行模型。(8) 图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行 为。(9) 可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信 号参数和测试数据 。(10) 模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。4.3 BLDCM各模块的建立BLDC建模仿真系统采用双闭环控制8方案：转速环由PID调节器构成，电流 环由电流滞环调节器构成。根据模块化建模的思想，将控制系统分割为各个功能 独立的子模块。把这些功能模块和S函数相结合，搭建出BLDC控制系统的仿真 模型，并实现双闭环的控制算法，图中各功能模块的作用与结构简述如下：4.3.1 电机本体模块直流无刷电机本体模块的建立是根据电压方程式( 2-1 )构建的。电机本体 的输入为逆变模块的输出的三相端电压，输出是三相电流。电机绕组反电势波形为梯形波，其形状与电角度有关，其幅值的大小与电机转速成正比，因此电机反电势可表示成函数e = f）。根据这个原理，将三相反电势波形一个运行周期分为6个阶段，每一个运行阶段都可用一段直线进行表示，根据某一时刻转子位 置和转速信号，通过直线方程即可求得反电动势波形 从而得到直流无刷电机本 体模块，见图4-1所示。1UaiaR1ProiUboibR2UcicwR3rposProductlIntegra toriProduct2S-FunctionS-FunctioniS-Function2IntegratorsystemsystemsystemGain6GainGain4Integratorec图4-1 BLDCM本体结构模型4.3.2 电流滞环控制模块电流控制模块如图4-2所示。电流滞环控制模块的作用是实现滞环电流控制 方法，输入为三相参考电流和三相实际电流，输出为逆变器控制信号选择适当的 滞环环宽，即可使实际电流不断跟踪参考电流的波形，实现电流闭环控制。图4-2电流控制模块4.3.3 速度控制模块速度控制模块如图4-3所示。速度给定信号与速度反馈信号比较后，送入PI控制器；速度调节器的输出与电流反馈信号比较后，送入电流调节器。Gain1 Integrator图4-3 速度控制模块4.3.4 参考电流模块参考电流模块的作用是根据电流幅值信号 Is 和位置信号给出三相参考电 流，输出的三相参考电流直接输入电流滞环控制模块，用于与实际电流比较进行 电流滞环控制参考电流模块的这一功能可通过S函数编程实现。4.3.5 转矩计算模块 转矩、转速测量模块的输入是电机本体输出的三相电流和反电动势，它的输 出为需要测量的转矩和转速。由式（3-3）的电磁转矩方程式，可建立图 4-4所 示的转矩测量模块。In5图4-4 转矩测量模块以及转速的计算4.3.6 电压逆变器模块电压逆变模块实现的是逆变器功能，输入为位置信号和电流滞环控制模块给 出逆变控制信号，输出为三相端电压。如图 4-5 所示。逆变器根据电流控制模块 所控制 PWM 信号，顺序导通和关断，产生方波电流输出。图4-5 模块库电压逆变模块5 系统仿真及结果的分析无刷直流电机调速系统的仿真模型如图 5-1 所示，系统主电路由模块直流电 源，逆变器和永磁同步电机组成。图5-1 无刷直流电机调速系统仿真模型控制单元 controller 如图 5-2所示，其作用是根据转子磁极位置分配 电动机三相绕组通电，及控制逆变器模块 6个开关器件的开关次序。Scope1图5-2 con troller模块结构仿真中，BLDC电机参数a设置为：定子相绕组电阻R=4.765，定子电感L=0.0085H，转动惯量J=0.008kgm2，励磁磁通0.1848Wb，励磁脉冲宽s度120，极对数p=2，比例系数k =10.7,积分系数k =0.15，300V直流电Pi源供电。模型仿真结果如下图5-3转速波形图图5-4电压波形B 13 Q 用湮| A Q 0Tima offset: Q J 图5-5转矩波形图5-6三相定子电流波形给定200r/min带载1.5Nm启动时的转速响应，起动时电机转速略有 超调后进入稳态，稳态转速波动很小。图5-4为定子一相线电压uab的波形, 图5-5为无刷直流电机转矩波形。图5-6为三相定子电流波形，可以看到无 换向器电动机电流呈交流方波，电动机电压和转矩也产生一定脉冲。6 结束语本文仿真和试验结果表明：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。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。本文虽然完成了初步的工作，但是在很多方面尚未深入探索，很多问题尚未 解决。由于系统设计内容繁多、工作量大和时间限制，本文仅对无刷直流电机的 控制系统进行了一些基本的研究。而且个人能力有限、实践经验缺乏，在工作中 也在所难免存在很多不足之处。针对无刷直流电机控制系统的特点以及发展趋 势，为进一步改进和完善工作，本人还将继续研究。参考文献1 张琛直流无刷电动机原理及应用M.北京：机械出版社，1996Zhang Chen. Principle and application of Brushless DC motorM .Beijing: mechanical press,1996 china2 殷云华，郑宾，郑洁鑫一种基于MATLAB的无刷直流电机控制系统建模仿 真方法J.系统仿真学报，2008,20 (2)： 293-298。YinYunhua, Zheng Bin, Zheng Jiexin. A kind of Brushless DC motor based on MATLAB control system modeling and simulation methodj. Journal of system simulation,2008,20(2):293-298. china3 刘刚，王志强，房建成永磁无刷直流电机控制技术与应用M.北京：机械 工业出版社，2008.3Liu Gang, Wang Zhiqiang, Fang jian-cheng. Permanent magnetic brushless DC motor control technology and application M. Beijing: Mechanical Industry Press,2008.3 china4 杨浩东，李榕，刘卫国.无刷直流电机的数学模型及其仿真J.微电机,2003 年.Yang Haodong, Li Rong, Liu Weiguo. The mathematic model of Brushless DC motor and its simulation J. Micro-motor,2003. china5 陈伯时.电力拖动自动控制系统运动控制系统M.北京：机械工业出版 社.2003.7Chenboshi.Electricdriveautomaticcontrolsystem-motioncontrol system based on M. Beijing: mechanical industry press. 2003.7 china6 马建伟，李银讶满意PID控制设计理论与方法M.北京:科学出版社,2007Ma Jianwei, Li Yinya. Satisfactory PID control design theory and method M. Beijing: Science Press,2007 china7 吴晓燕，张双选.MATLAB在自动控制中的应用M.西安：西安电子科技大 学出版社，2006.202203Wu Xiaoyan, a double. The application of MATLAB in automatic control M . Xian: Xian Electronic and Science University press,2006. 202to 203 china8 薛定宇.控制系统仿真与计算机辅助设计M.北京:机械工业出版社,2005。Xue Dingyu. Control system simulation and computer aided design M . Beijing: Mechanical Industry Press,2005. china9 黄永安.MATLAB7.0/Simulink6.0建模仿真开发与高级工程应用M.北京： 清华大学出版社，2005.Huang Yongan. MATLAB7.0/Simulink6.0 modeling and simulation development and senior engineering application M. Beijing: Tsinghua University press,2005 china10 洪乃刚电力电子、电机控制系统的建模和仿真M.北京，机械工业出版 社，2010.Hong Naigang. Power electronics, motor control system modeling and Simulation of M. Beijing, mechanical industry press,2010.china致谢经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，由于经验的匮乏，难 免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们 的支持，想要完成这个设计是难以想象的。感谢我的导师贾雅琼老师她严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习 中的榜样；她循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。感谢大学四年来所有的老师，这些老师知识渊博，阅历丰富，讲课独具风格， 为我们打下自动化专业知识的基础。感谢我的室友们，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情，维系着寝 室那份家的融洽。感谢我的爸爸妈妈，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心 愿。感谢湖南工学院四年来对我的大力培养。