無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)的研究與仿真實現(xiàn)（畢業(yè)設(shè)計）

1、無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)建模與仿真摘要無刷直流電機(jī)是隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型直流電機(jī)，它是現(xiàn)代化工業(yè)設(shè)備中的重要運動部件。無刷直流電機(jī)最大的特點是沒有換向器和電刷組成的機(jī)械接觸機(jī)構(gòu)，因而無刷直流電機(jī)沒有換相火花，壽命長，運行可靠，維護(hù)簡便。除此之外，無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速不受機(jī)械換相的限制，可實現(xiàn)每分鐘幾萬到幾十萬轉(zhuǎn)的超高轉(zhuǎn)速運行。建立無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，可以有效的節(jié)省控制系統(tǒng)設(shè)計時間，及時驗證施加于系統(tǒng)的控制算法，觀察系統(tǒng)的控制輸出。關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)，電子換向器，MATLAB仿真，MC33035Modeling and Simulation of BLDCABSTRA

2、CTBLDC,as a new type of DC motor ,which followed by the rapid development of electronic technology ,is becoming the important part in the modern industrial epuipment.The biggest feature of BLDC is no mechanical contact of commutator and brush institutions, and therefore it does not have commutation

3、spark, then it has long life and reliable operation, easy maintenance. In addition, the speed of BLDC without mechanical commutation limit, ultra-high speed operation can be achieved per minute, tens of thousands to hundreds of thousands turn. BLDC control system simulation model can effectively sav

4、e the control system design time, in a timely manner to verify the control algorithm applied to the system to observe the output of the system of control.Key Words: BLDC, Electronic commutator, MATLAB simulation, MC33035目 錄第一章 引言11.1無刷直流電機(jī)的發(fā)展簡介及應(yīng)用前景11.1.1發(fā)展簡介11.1.2應(yīng)用前景21.2本次設(shè)計研究的主要內(nèi)容3第二章 無刷直流電機(jī)的工作原理

5、42.1無刷直流電機(jī)概述42.2無刷直流電動機(jī)本體42.2.1 電動機(jī)定子42.2.2 電動機(jī)轉(zhuǎn)子62.2.3 有關(guān)電機(jī)本體設(shè)計的問題62.3 轉(zhuǎn)子位置檢測72.3.1 位置傳感器檢測法72.3.2 無位置傳感器檢測法82.4無刷直流電機(jī)電子換相器102.4.1三相半控電路102.4.2三相全控電路11第三章 無刷直流電動機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立133.1電壓方程133.2電磁轉(zhuǎn)矩方程143.3轉(zhuǎn)子運動方程15第四章 無刷直流電動機(jī)的MATLAB仿真實現(xiàn)164.1無刷直流電機(jī)本體模塊174.1.1 電壓方程模塊174.1.2轉(zhuǎn)矩方程模塊214.1.3轉(zhuǎn)速方程模塊224.1.4位置計算模塊224.2參考

6、電流模塊234.3電流滯環(huán)控制模塊254.4三相逆變器模塊264.5 仿真結(jié)果及結(jié)論26第五章 基于MC33035的無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)325.1 MC33035引腳功能及參數(shù)介紹345.2 MC33035換相控制技術(shù)355.3 基于MC33035控制的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)37參考文獻(xiàn)38致 謝39天津理工大學(xué)2012屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書第一章 引言1.1無刷直流電機(jī)的發(fā)展簡介及應(yīng)用前景1.1.1發(fā)展簡介電動機(jī)作為能量轉(zhuǎn)換裝置，被應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域。電動機(jī)一般分為交流電機(jī)和直流電機(jī)。多年以來，在高性能的運動控制系統(tǒng)中我們一直都是采用直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，這是因為直流調(diào)速系統(tǒng)具有線性的機(jī)械

7、特性，而且還具有起動力矩大、調(diào)速精度高、調(diào)速范圍寬以及控制結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。但是由于直流電動機(jī)中了有電刷和機(jī)械換向器，所以它也存在著難以克服的弱點，那就是需要經(jīng)常地進(jìn)行維修檢查和更換電刷。這樣就導(dǎo)致它的可靠性差，并且維修困難，也不能在惡劣的環(huán)境中使用；而且直流電機(jī)在換向的時候還會產(chǎn)生電火花，這些對于工作條件較為惡劣的機(jī)載雷達(dá)伺服系統(tǒng)而言，就使其應(yīng)用受到了極大限制。然而，普通交流電動機(jī)雖然不存在這方面的缺點，但是普通交流調(diào)速系統(tǒng)卻又不具備直流調(diào)速系統(tǒng)的上述優(yōu)點。其實早在20世紀(jì)30年代就開始有人針對這種情況研究無刷直流電動機(jī)了。在隨后的二十多年里，無刷直流電動機(jī)的研究進(jìn)展一直在曲折前進(jìn)。一直到19

8、55年，美國D.Harrison等人第一次申請了用晶體管換向線路代替有刷直流電機(jī)機(jī)械電刷的專利，這才真正標(biāo)志著現(xiàn)代無刷直流電機(jī)的誕生。近幾十年來，由于電機(jī)本體（包括定子和轉(zhuǎn)子）及其相關(guān)學(xué)科的迅速發(fā)展，“無刷直流電動機(jī)”的概念早已經(jīng)從最開始的用電子換向線路代替電刷和機(jī)械換向器的直流電機(jī)發(fā)展到泛指具有有刷直流電機(jī)的外部特性的一切電子換向電動機(jī)。無刷直流電機(jī)的發(fā)展同樣使得電機(jī)理論與大功率開關(guān)器件、模擬和數(shù)字專用集成電路、微處理技術(shù)、現(xiàn)代控制理論以及高性能的材料結(jié)合得更為緊密。時至今日的無刷直流電機(jī)已經(jīng)集特種電機(jī)、變速環(huán)節(jié)、檢測元件、控制軟、硬件于一體，形成新一代的電動伺服系統(tǒng)，而且這其中體現(xiàn)著當(dāng)今應(yīng)

9、用科學(xué)的很多最新的成果，因此無刷直流電機(jī)是機(jī)電一體化的高科技產(chǎn)物。  說到無刷直流電機(jī)真正進(jìn)入實用的階段應(yīng)該是從1978年開始。當(dāng)時原西德曼內(nèi)斯曼公司的Indramat分部在漢諾威的貿(mào)易博覽會上，正式推出了MAC經(jīng)典無刷直流電機(jī)及其驅(qū)動器。從八十年代開始，國際上對無刷直流電動機(jī)展開了深入的研究，并成功地研制出了方波無刷直流電機(jī)和正弦波無刷直流電機(jī)，在隨后的十多年的時間里，無刷直流電機(jī)在國際上得到了比較充分的發(fā)展。這在一些發(fā)達(dá)國家體現(xiàn)得尤為明顯，它們那里無刷直流電動機(jī)正逐步取代其他類型的電機(jī)成為主導(dǎo)電機(jī)。而這也必將成為一種潮流引領(lǐng)世界。  電力電子技術(shù)和集成控制技術(shù)

10、的迅猛發(fā)展是無刷直流電機(jī)在近十幾年來得以廣泛推廣及應(yīng)用的另一個主要原因。上述技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了以往未曾有過的性能優(yōu)良而且價格低廉的電子元器件，這就為制造無刷直流電機(jī)創(chuàng)造了基本條件。據(jù)相關(guān)資料顯示，20世紀(jì)80年代初期，電機(jī)的本體與電子換向電路的價格比大致為1:10，而現(xiàn)如今已降至不超過1:3。電子元器件的快速發(fā)展為大量推廣及應(yīng)用無刷直流電機(jī)創(chuàng)造了先決條件，使其逐步得到普及。  我國無刷直流電機(jī)的研發(fā)工作起步階段要追溯到上世紀(jì)七十年代初期，由于起步較晚，研究主要是集中在一些高等院校及相關(guān)研究所中。經(jīng)過四十多年來科研人員的不懈努力，目前我國已經(jīng)有幾種自主研發(fā)的系列生產(chǎn)，如ASM系列，TS系

11、列，IFTS系列等等。但是與發(fā)達(dá)國家相比，我國的無刷直流電機(jī)的制造工藝與加工設(shè)備與國際水準(zhǔn)仍有著較大差距，其綜合水平低于國際水平，大概只相當(dāng)于國外八十年代的水平，所以要想趕超相關(guān)發(fā)達(dá)國家水平依然需要繼續(xù)努力，需要進(jìn)一步的研究和開發(fā)。1.1.2應(yīng)用前景由于無刷電機(jī)比有刷直流電機(jī)有更多的優(yōu)勢，而且與無電刷結(jié)構(gòu)的交流電機(jī)相比又有著良好的機(jī)械特性和控制特性，因此其具備廣泛的應(yīng)用前景。無刷直流電機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域有，（1）精密電子設(shè)備領(lǐng)域  因為大多數(shù)精密的電子設(shè)備都是由直流電源供電，而且對電機(jī)的調(diào)速、穩(wěn)速、定位控制方面有著較高要求，所以目前的這些設(shè)備中都是采用無刷直流電機(jī)驅(qū)動控制。例

12、如計算機(jī)的硬、軟盤驅(qū)動，激光打字機(jī)棱鏡驅(qū)動，CD機(jī)驅(qū)動，醫(yī)療診斷CT機(jī)，治療用高速牙鉆，衛(wèi)星上太陽能帆板驅(qū)動，儀用通風(fēng)機(jī)等等都是采用無刷直流電機(jī)。而且在這一領(lǐng)域中的應(yīng)用依然在不斷推進(jìn)，將會逐步取代有刷電機(jī)。（2）工業(yè)自動化設(shè)備領(lǐng)域  在目前的工業(yè)自動化設(shè)備領(lǐng)域中，高檔數(shù)控加工設(shè)備已經(jīng)開始逐步取代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的直流和交流電機(jī)。除此之外，如工業(yè)縫紉機(jī)、食品加工機(jī)械、輕印刷機(jī)械等一些工業(yè)加工設(shè)備也已經(jīng)開始推廣。最值得密切關(guān)注的是無刷直流電機(jī)在工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動控制中的應(yīng)用。由于工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用場合對速度、力矩以及定位控制都有較高要求，因而無刷直流電機(jī)是無疑首選。目前全世界已經(jīng)有多達(dá)一百

13、多萬臺的各類機(jī)器人，并且以每年高于百分之二十的速率增長，對無刷直流電機(jī)的需求量很大。（3）汽車和電動車輛領(lǐng)域  現(xiàn)代汽車正朝著豪華型方向發(fā)展，自動化程度很高。汽車中使用了很多類塑電動機(jī)，而無刷直流電機(jī)則應(yīng)用在許多難以維修的部件中。  與此同時，電動車作為無污染的交通工具，受到各國重視，目前正在加大投入，加緊開發(fā)。而在電動車輛中，無刷直流電機(jī)是最理想的動力源。目前主要是在電動摩托車與電動助動車使用，而且已逐步進(jìn)入批量生產(chǎn)；也有部分電動汽車生產(chǎn)，預(yù)計在未來的十來年里將得到廣泛普及。（4）現(xiàn)代家用電器領(lǐng)域  美國通用電氣公司于1984年推出

14、了一種智能電動機(jī)，引起國際的注目。這種電機(jī)是一種以微處理器控制的無刷直流電動機(jī)，它有著具有很寬的調(diào)速范圍(20l0000r/min)，而且低噪、高效，可實現(xiàn)一定的智能操作。這種無刷直流電機(jī)一經(jīng)問世，立即受到家用電器工業(yè)設(shè)計者的青睞。這種電機(jī)最開始應(yīng)用于37. 3W吊扇，可實現(xiàn)無級調(diào)速，后來逐步在洗衣機(jī)、空調(diào)器、冰箱等家電產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，使這些家電產(chǎn)品實現(xiàn)省電、多功能、自動控制，如定時、定溫、自然調(diào)節(jié)等等。無刷直流電機(jī)在各類家電產(chǎn)品中都有著重要應(yīng)用，可以提高家電產(chǎn)品的自動化程度，比如按室溫自動調(diào)溫的空調(diào)，根據(jù)冷藏物種類自動選擇冷凍溫度的電冰箱，可選擇衣物種類的洗衣機(jī)等等。近些年來，無刷直流電

15、機(jī)已經(jīng)開始取代交流電動機(jī)在家電產(chǎn)品中的主導(dǎo)地位。目前我國已有這類產(chǎn)品開發(fā)，也已投放市場。無刷直流電機(jī)在家電產(chǎn)品中的應(yīng)用前景極大刺激了無刷直流電機(jī)的開發(fā)研究。根據(jù)美國通用電氣公司的預(yù)測，如果用無刷直流電機(jī)取代傳統(tǒng)的異步電動機(jī)在制冷器具中的應(yīng)用，其效率可提高20%，全美國一年可省電220萬kW。1.2本次設(shè)計研究的主要內(nèi)容通過建立無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，我們可以有效地節(jié)省控制系統(tǒng)的設(shè)計時間，并及時驗證施加于系統(tǒng)的控制算法，觀察系統(tǒng)的控制輸出；同時也可以充分地利用計算機(jī)仿真的優(yōu)越性，人為地改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、加入不同的擾動和參數(shù)變化，來考察系統(tǒng)在不同結(jié)構(gòu)和不同工況下的動、靜態(tài)特性。本次設(shè)計研究的

16、主要內(nèi)容有：（1）掌握無刷直流電機(jī)的工作原理；（2）掌握無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)建模方法；（3）完成MATLAB中simulink環(huán)境下無刷直流電機(jī)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真；（4）完成無刷直流電機(jī)的實際選型，設(shè)計出一個能實際工作的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。第二章 無刷直流電機(jī)的工作原理2.1無刷直流電機(jī)概述無刷直流電動機(jī)是一種用電子換向的直流電動機(jī)，又稱無換向器電動機(jī)、無整流子直流電動機(jī)。它是用半導(dǎo)體逆變器取代一般直流電動機(jī)的機(jī)械換向器，構(gòu)成沒有換向器的直流電動機(jī)。這種電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，沒有火花，電磁噪聲低，廣泛用于現(xiàn)代生產(chǎn)設(shè)備、儀器儀表、計算機(jī)外圍設(shè)備和高級家用電器。永磁無刷直流電動機(jī)由電動機(jī)本體

17、、轉(zhuǎn)子位置傳感器和驅(qū)動器3部分構(gòu)成。電動機(jī)本體是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的裝置，它由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。轉(zhuǎn)子軛上裝有永磁體，用來提供主磁通；定子鐵芯上裝有多相繞組用來輸入電能。位置傳感器與轉(zhuǎn)子同軸，用來檢測磁極位置。驅(qū)動器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是根據(jù)位置傳感器信號依次向繞組供電，來實現(xiàn)電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)、調(diào)速等等。無刷直流電機(jī)的工作原理框圖如圖2.1所示，圖2.1 無刷直流電機(jī)工作原理框圖Fig2.1 working principle of BLDC下面將在隨后的幾節(jié)里著重介紹這三個部分。 2.2無刷直流電動機(jī)本體無刷直流電動機(jī)的本體由兩個部分組成，分別是定子和轉(zhuǎn)子。2.2.1 電動機(jī)定子無

18、刷直流電動機(jī)的定子是由許多硅鋼片經(jīng)過疊壓和軸向沖壓而成，選用硅鋼片的目的是為了減少主定子的鐵耗，在每個沖槽內(nèi)都有一定的線圈組成了繞組。從傳統(tǒng)意義上講，無刷直流電機(jī)的定子和感應(yīng)電機(jī)的定子有些類似，但是在定子繞組的分布上卻有著一定的差別。大多數(shù)的無刷直流電動機(jī)的定子有三個呈星形排列的繞組，每個繞組又由許多內(nèi)部結(jié)合的鋼片按照一定的方式組成，偶數(shù)個繞組分布在定子周圍組成了偶數(shù)個磁極。與傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)相比，無刷直流電機(jī)的繞組分布在定子側(cè)，更有利于散熱。電樞繞組可以是星形連接或是三角形連接，但是從系統(tǒng)的性能和成本方面考慮就多采用星形連接、三相對稱且無中性點引出的無刷直流電動機(jī)。其電樞繞組接線形式如圖2.

19、2所示， 圖2.2 繞組形式Fig.2.2 Windings無刷直流電機(jī)的定子繞組可以分為梯形繞組和正弦繞組兩種，它們的根本區(qū)別在于繞組的連接方式不同，從而使它們產(chǎn)生了不同的反電動勢（BACK EMF），分別為梯形和正弦波形，因而以此來命名。梯形和正弦繞組產(chǎn)生的反電動勢波形圖如圖 2.3所示。嚴(yán)格說來，只有具有直流電機(jī)特性的電機(jī)才能稱為無刷直流電機(jī)，故本文認(rèn)為正弦繞組的無刷電機(jī)為永磁同步電機(jī)，梯形繞組的無刷電機(jī)才是所要討論的無刷直流電機(jī)。 圖2.3.1 梯形繞組的反電勢波形圖 圖2.3.2正弦繞組的反電勢波形圖圖2.3 反電勢波形圖Fig.2.3 Back-EMF waveform顯而易見，由

20、于正弦繞組波形平滑，因此運行起來相對梯形繞組來說也就要更平穩(wěn)一些。但是，正弦型繞組與梯形繞組相比有更多的繞組，因而在銅線的使用上也就更多，而且控制方法也比梯形波電動機(jī)更加復(fù)雜。所以在對電機(jī)運行精度要求不是非常高的場合，梯形波電機(jī)也就是無刷直流電機(jī)是非常合適的選擇。2.2.2 電動機(jī)轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由2到8對永磁體材料按照N極和S極交替排列在轉(zhuǎn)子周圍或是在貼在轉(zhuǎn)子內(nèi)壁上構(gòu)成。前者稱為內(nèi)轉(zhuǎn)子型，后者稱為外轉(zhuǎn)子型。目前轉(zhuǎn)子的永磁體材料大多是采用釹鐵硼等高矯頑力、高剩磁感應(yīng)密度的稀土永磁材料制作而成。無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的永久磁鋼與有刷直流電機(jī)所用的磁鋼相似，都是在電機(jī)氣隙中建立足夠的磁場，區(qū)別是

21、無刷直流電機(jī)采用了反裝的形式。常見無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有三種形式：（1）表面粘貼式磁極，又稱為瓦形磁極。這種結(jié)構(gòu)是在鐵心外面粘貼徑向充磁的瓦片形稀土永磁體。在電機(jī)設(shè)計過程中采用瓦片形永磁體徑向勵磁，且取其磁弧寬度大于120電角度，就可以產(chǎn)生方波形式的氣隙磁通密度，這會減小轉(zhuǎn)矩波動。多數(shù)的無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子都采用這種結(jié)構(gòu)。（2）嵌入式磁極，又稱為矩形磁極。這種結(jié)構(gòu)是在鐵心內(nèi)嵌入矩形永磁體，它的優(yōu)點是一個極距下的磁通由相鄰的兩個磁極并聯(lián)提供，由于聚磁作用可以提供較大的磁通；但這種結(jié)構(gòu)也有一個缺點，就是需要做隔磁處理，采用不銹鋼軸。(3)環(huán)形磁極。這種結(jié)構(gòu)是在鐵心外套上一個整體稀土永磁環(huán)，并且通過特

22、殊方法將環(huán)形磁體徑向充磁為多極。該種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是轉(zhuǎn)子制造工藝相對簡單，適用于功率和體積都比較小的電機(jī)。2.2.3 有關(guān)電機(jī)本體設(shè)計的問題無刷直流電機(jī)的定子轉(zhuǎn)子合稱為電機(jī)本體。本體結(jié)構(gòu)上與永磁同步電機(jī)相似，但沒有籠形繞組和其他起動裝置，其定子繞組一般制成多相，三相、四相、無相應(yīng)用居多、無相以上的電機(jī)比較少見；轉(zhuǎn)子由永磁體以一定的極對數(shù)組成。電機(jī)本體的設(shè)計是一個很復(fù)雜的過程，其基本任務(wù)是根據(jù)給定的額定值和基本技術(shù)性能要求，選用合適的材料，確定電動機(jī)格部分的尺寸，并計算其性能，以滿足節(jié)省材料、制造方便、性能良好的要求，獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。本體要設(shè)計的內(nèi)容很多，其中包括電磁設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工設(shè)計以及

23、工藝設(shè)計等。本文僅對極對數(shù)的選擇進(jìn)行簡要的討論，這對后面的仿真有較大影響。選擇極對數(shù)應(yīng)綜合考慮運行性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。圖2.4為兩極、四極和八極（p=1,2,4）內(nèi)轉(zhuǎn)子型無刷直流電機(jī)本體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2.4 本體機(jī)構(gòu)示意Fig.2.4 Body structure一般來說增加極對數(shù)p，可以減少每極磁通，定子軛及機(jī)座截面積可相應(yīng)減小，從而減少電動機(jī)的用鐵量；定子繞組的端接部分將隨極數(shù)的增加而縮短，所以在同樣的電流密度下，繞組的用銅量也減少了；極數(shù)增加后定子繞組電感相應(yīng)減少，這有利于電子器件換相。同時，當(dāng)極數(shù)增加后，制造工藝也變復(fù)雜；極對數(shù)增加，考慮到極漏磁不能太大，極弧系數(shù)要減小，從而使電動機(jī)原材料

24、利用率變差；增加極數(shù)，在同樣的轉(zhuǎn)速下，電子器件的換相次數(shù)增多，從而增加了換相損耗。當(dāng)電流密度不變時，定子繞組中的銅耗歲極數(shù)的增加而降低。一般來說電動機(jī)效率隨極數(shù)的增加而有所下降。所以要根據(jù)需要合理的選擇電動機(jī)的極對數(shù)。2.3 轉(zhuǎn)子位置檢測由于無刷直流電機(jī)利用永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)代替了傳統(tǒng)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)，所以需要逆變裝置和轉(zhuǎn)子位置檢測結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)“換相”過程。轉(zhuǎn)子位置檢測的方法分為以下兩大類：位置傳感器檢測法和無位置傳感器檢測法。2.3.1 位置傳感器檢測法位置傳感器在無刷直流電機(jī)中起著檢測轉(zhuǎn)子磁極位置、為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息的作用，即將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后去控制定子繞組換

25、相。繞組換相。位置傳感器種類很多，目前在無刷直流電動機(jī)常用的有電磁式位置傳感器、光電式傳感器、磁敏式位置傳感器和旋轉(zhuǎn)變壓器等。電磁式位置傳感器是利用電磁效應(yīng)來測量轉(zhuǎn)子位置，有開口變壓器、鐵磁諧振電路、接近開關(guān)電路等多種類型。它具有輸出信號大、工作可靠、壽命長、對環(huán)境要求小等優(yōu)點，但這種傳感器體積較大，信噪比較低，同時其輸出波形為交流，一般需要經(jīng)整流、濾波方可使用。光電式位置傳感器是利用光電效應(yīng)，由跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的遮光部分和固定不動的光源等部件組成，有絕對式編碼器和增量式編碼器之分。它具有定位精度高、價格便宜、易加工等特點，但對惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力較差，輸出信號需加整形電路處理。磁敏式位置傳

26、感器是利用某些半導(dǎo)體敏感元件的電參數(shù)按一定規(guī)律隨周圍磁場變化而變化的原理制成。常見的類型有霍爾元件、磁敏電阻和磁敏二極管等。一般說來，它對環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)，輸出信號好，成本低廉，但精度不高?；魻杺鞲衅鞯膽?yīng)用比較廣泛。旋轉(zhuǎn)變壓器一般用在多相電機(jī)的控制中，它可以輸出多路位置信號，滿足多相電機(jī)控制的要求，但安裝不易，價格較昂貴，普通的三相無刷直流電動機(jī)很少用旋轉(zhuǎn)變壓器。2.3.2 無位置傳感器檢測法無位置傳感器控制技術(shù)是無刷直流電機(jī)研究的熱點之一，國內(nèi)外眾多學(xué)者已經(jīng)對此展開了相關(guān)研究，并取得了階段性成果。無位置傳感器控制方式下的無刷直流電機(jī)具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，同時在一定程度上克服了位置

27、傳感器安裝不準(zhǔn)確引起的換相轉(zhuǎn)矩波動。發(fā)展無位置傳感器控制技術(shù)是因為位置傳感器的存在限制了無刷直流電機(jī)在某些特定場合下的應(yīng)用，這主要體現(xiàn)在：置傳感器可能使電機(jī)尺寸增大；位置傳感器使電機(jī)與控制系統(tǒng)之間導(dǎo)線增多，使系統(tǒng)容易受外界干擾影響；位置傳感器在高溫、高壓和濕度較大等惡劣工況下運行時靈敏度變差，系統(tǒng)運行可靠性降低；位置傳感器對安裝精度要求高，機(jī)械安裝偏差引起的換相不準(zhǔn)確直接影響電機(jī)的運行性能。因此無位置傳感器控制技術(shù)越來越受到重視，同時，隨著檢測手段、控制技術(shù)的發(fā)展以及微控制器性能的提高，無位置傳感器控制技術(shù)得到了迅速發(fā)展，部分技術(shù)已經(jīng)實用化。依據(jù)檢測原理的不同，無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制方法

28、主要包括反電勢法、磁鏈法、電感法以及人工智能發(fā)等。在無刷直流電動機(jī)的控制中取消了位置傳感器之后，就必須借助于對與電機(jī)轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的各種量的檢測和計算來獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息。由此產(chǎn)生了許多不同的控制方案： (1)反電動勢法反電動勢檢測法是日前較成熟的一種檢測手段。由于它實現(xiàn)比較簡單，已應(yīng)用于許多領(lǐng)域。這種檢測方法主要用于繞組星型連接、120°兩兩通電方式的三相六狀態(tài)無刷直流電機(jī)中。其檢測依據(jù)是：無刷直流電機(jī)在忽略電樞反應(yīng)的前提下，穩(wěn)態(tài)運行時通過檢測電機(jī)未導(dǎo)通相的反電勢過零點以獲得轉(zhuǎn)子位置信號，從而控制電流的切換，實現(xiàn)電機(jī)的正常運行。因為電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)或低速運行時，繞組反電動勢為零或

29、極小，無法利用反電勢法進(jìn)行檢測，故采用反電勢法進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置檢測時必須用其他方式解決電機(jī)的起動問題。(2)定子三次諧波法由于無刷直流電動機(jī)具有梯形波反電動勢，而梯形波可分解為基波、三次諧波和更高次諧波之和。定子三次諧波法就是通過檢測反電勢波形中的三次諧波分量，其過零點即對應(yīng)著反電動勢的過零點，獲此分量后對其積分， 當(dāng)積分值為零時就可以得到相應(yīng)的換相信號。此方法在低速時也可以獲得， 故其起動及低速性能優(yōu)于反電動勢法。(3)續(xù)流二極管檢測法無刷直流電機(jī)中的電力電子逆變器功率器件上反并聯(lián)有二極管，由于功率管在關(guān)斷過程中要通過二極管續(xù)流。因此續(xù)流二極管檢測法即通過檢測非導(dǎo)電相續(xù)流：極管的導(dǎo)通和截止情況來

30、判斷轉(zhuǎn)子的位置。這種方法在電機(jī)靜止時無法檢測到位置信號，且需在二極管上并聯(lián)檢測電路，這對于集成的功率器件很難實現(xiàn)，同時二極管的導(dǎo)通時刻并不是繞組的過零時刻，必須另加補(bǔ)償電路，使得硬件電路相當(dāng)復(fù)雜。(4)電感檢測法電感法是通過檢測繞組相電感的變化來判斷轉(zhuǎn)子的位置角，當(dāng)兩相電感的大小相等時，對應(yīng)于反電勢過零點，此時繞組中性點的電位為直流側(cè)的中點電壓。這種方法需要對繞組進(jìn)行實時檢測，難度較大。(5)卡爾曼濾波法卡爾曼濾波法是在得到反電勢的基礎(chǔ)上，用卡爾曼算法在線遞推轉(zhuǎn)子位置，以確定定子繞組換流時刻。由于這種方法算法復(fù)雜，對硬件要求高，且需大量調(diào)試才能確定合適的模型參數(shù)，故不宜推廣。(6)渦流效應(yīng)法渦

31、流效應(yīng)法是在永磁轉(zhuǎn)子表面粘貼一些非磁性的導(dǎo)電材料，利用定子繞組高頻開關(guān)工作時非磁性材料上的渦流效應(yīng)，使開路相電壓的大小隨轉(zhuǎn)子位置角而變化，從而通過檢測開路相電壓來判斷轉(zhuǎn)子位置。這種方法不依靠反電勢，能保證電機(jī)的順利起動和可靠運行，但對電機(jī)的制造工藝有很大要求。除了上述幾種位置檢測方法之外，近年來還出現(xiàn)了基于狀態(tài)觀測器的估算方法一一將電機(jī)三相電壓、電流經(jīng)過坐標(biāo)變換，在派克方程的基礎(chǔ)上估算出電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。這種方法有穩(wěn)定性好、魯棒性好、適用面廣的特點，但它的算法復(fù)雜，計算量大：人工智能控制檢測法一一利用模糊控制策略建立相電壓、相電流和轉(zhuǎn)子位置角之間的關(guān)系，用檢測到的電壓和電流信號來估計轉(zhuǎn)子位置信息，

32、這種方法是隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的，目前還只是用于一些特殊的場合。本實驗采用反電動勢過零點的檢測方法。一般的永磁無刷直流電動機(jī)是由三相逆變橋來驅(qū)動的，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置的不同，為了產(chǎn)生最大的平均轉(zhuǎn)矩，在一個電角度周期中，具有6個換相狀態(tài)。在任意一個時間段中，電動機(jī)三相中都只有兩相導(dǎo)通，每相的導(dǎo)通時間間隔為120°電角度。例如，當(dāng)U相和V相已經(jīng)持續(xù)60°電角度時，W相不導(dǎo)通。這個換相狀態(tài)將持續(xù)60°電角度，從而V相不導(dǎo)通，到W相開始導(dǎo)通的過程，稱為換相。換相的時刻取決于轉(zhuǎn)子的位置，也可以通過判斷不導(dǎo)通相過零點的時刻來決定。通過判斷不導(dǎo)通相反電動勢過零點，是最為常用也

33、最為適合的無位置傳感器控制方法。2.4無刷直流電機(jī)電子換相器在一般的直流電動機(jī)中，電樞繞組元件有某一支路進(jìn)入另一支路式，元件中的電流和電動勢都要改變方向。繞組元件中電動勢方向的改變，是由繞組元件的元件邊在電樞旋轉(zhuǎn)過程中，輪流切割定子的N極和S極磁通直接產(chǎn)生，而繞組而繞組元件中電流方向的改變，是由換向器和電刷所組成的機(jī)械整流裝置來完成。為消除一般直流電動機(jī)所存在的一些弊病，人們研發(fā)出的以電子換相代替機(jī)械換向的直流無刷電動機(jī)，實質(zhì)上是一個由電動機(jī)本體、功率開關(guān)主電路及轉(zhuǎn)子磁極位置傳感器等三部分組成的閉環(huán)系統(tǒng)。這里我們暫且稱為無刷直流電機(jī)的基本系統(tǒng)。把基本系統(tǒng)中的功率開關(guān)電路、轉(zhuǎn)子磁極位置傳感器及相

34、關(guān)的電子電路合并在一起稱為電機(jī)換向器。其主要功能是確保直流無刷電動機(jī)在運行過程中，定子、轉(zhuǎn)子兩磁場始終基本上保持正交，以提高運行效能。2.4.1三相半控電路常見的三相半橋式驅(qū)動電路如圖2.5所示。圖中，LA、LB、LC分別是電機(jī)定子A、B、C三相繞組，T1、T2、T3為功率器件，分別于電機(jī)三相繞組相連。來自轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號Ha、Hb、Hc經(jīng)放大后啟動功率器件進(jìn)而控制電機(jī)換相。在換相過程中，定子各相繞組在氣隙中所形成的旋轉(zhuǎn)磁場是跳躍的，在一個周期內(nèi)每相通電120°電角度。由此可見，采用三相半橋式驅(qū)動方式的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)驅(qū)動元件少、成本較低、控制簡單，但是其轉(zhuǎn)矩波動較大、電機(jī)繞

35、組利用率低，每個繞組只通電1/3周期時間，在運行過程中其轉(zhuǎn)矩的波動較大，Tm/2到Tm而且直流無刷電動機(jī)的電源線需要引出中性線，而且反轉(zhuǎn)控制相對困難。因此這種驅(qū)動在實際應(yīng)用中較少采用。圖2.5 三相半橋式驅(qū)動電路Fig.2.5 Three-phase half-bridge driver circuit2.4.2三相全控電路圖2.6 三相全控驅(qū)動電路Fig.2.6 Three-phase full-controlled drive circuit圖2.6給出了一種全控橋電路，電動機(jī)繞組為Y聯(lián)接。功率器件為6只MOSFET管，起繞組開關(guān)之用。他們的導(dǎo)通方式又可分為兩兩導(dǎo)通和三三導(dǎo)通兩種方式。(1

36、)兩兩通電方式是指每一瞬間有兩只功率器件導(dǎo)通，每隔1/6周期換相一次，每次換相一個功率管，每次有一個功率器件換相，每個功率管導(dǎo)通120°電角度。功率管T1和T2導(dǎo)通時，電流從T1管流入A相繞組，再從C相繞組流出經(jīng)T2回到電源。如設(shè)流入繞組的電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為正，則從繞組流出的電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為負(fù)，它們的合成轉(zhuǎn)矩，其大小為Ta。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)過60°電角度后，由T1，T2通電換成T2，T3通電，這時電流從T3流入B相繞組再從C相繞組流出，經(jīng)T2回到電源，此時合成的轉(zhuǎn)矩，其大小同樣為Ta，但合成轉(zhuǎn)矩Tbc的方向轉(zhuǎn)過了60°電角度。而后每次換相一個功率管，合成轉(zhuǎn)矩矢量方向就

37、隨著轉(zhuǎn)過60°電角度，但大小始終保持Ta不變。 所以，同樣一臺直流無刷電動機(jī)，每相繞組通過與三相半控電路同樣的電流時，采用三相Y連接全控電路，在兩兩換向的情況下，其合成轉(zhuǎn)矩增加了Ta倍。每隔60°電角度換向一次，每個功率管通電120°，每個繞組通電240°，其中正相通電和反向通電各120°。采用三相全控電路時的轉(zhuǎn)矩波動比用三相半控時小得多，僅從0. 87Tm到Tm。(2)三三通電是指每一瞬間均有三只功率管同時導(dǎo)通，每隔60°換向一次，每個功率管通電180°。它們的導(dǎo)通次序是T1T2T3, T2T3T4, T3T4T5, T4

38、T5T6, T6T1T2, T1T2T3。當(dāng)T6T1T2導(dǎo)通時，電流從T1管流入A相繞組，經(jīng)B相和C相繞組(這時B和C兩相繞組為并聯(lián))分別從T6和T2流出。這時流過B相和C相繞組的電流分別為流過A相繞組的一半，其合成轉(zhuǎn)矩大小為1.5。經(jīng)過60°電角度后，換向到T1T2T3通電，即先關(guān)斷T6而后導(dǎo)通T3(注意，一定要先關(guān)T6而后通T3，否則就會出現(xiàn)T6和T3同時通電，則電源被T3和T6短路，這是絕對不允許的)。這時電流分別從T1和T3流入，經(jīng)A相和B相繞組(相當(dāng)于A相和B相并聯(lián))再流入C相繞組，經(jīng)T2流出。其方向與-C相同，轉(zhuǎn)過了60°，大小仍然是1.5 Ta。再經(jīng)過60&#

39、176;電角度后，換向到T1T2T3通電，而后依此類推。在這種通電方式里，每瞬間均有三個功率管通電。每隔60°換向一次，每次有一個功率管換向，每個功率管通電180°。第三章 無刷直流電動機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁材料，定子三相繞組互差120°，各相反電勢為梯形波。其電壓，電勢和電流為非正弦的，不能用矢量表示，只能用電動機(jī)本身的相變量來建立電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型。以“三相六拍120°方波型”驅(qū)動為例來分析建立無刷直流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型。為簡化分析，假定：（1）三相繞組完全對稱，氣隙磁場為方波，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場分布皆對稱；（2）忽略齒槽、換相過程和

40、電樞反應(yīng)等的影響；（3）電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布；（4）磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗。3.1電壓方程對于凸裝式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，我們可以忽略凸極效應(yīng)，因而定子三相繞組的自感為常數(shù)，三相繞組間的互感也為常數(shù)，且兩者都與轉(zhuǎn)子的位置無關(guān)。設(shè)每相繞組的相電阻均相等記為R，每相繞組的自感數(shù)值也相等記為L，且任意兩相繞組間的互感也相等記為M。則三相繞組的電壓平衡方程可表示為： =+p (3.1)式中：ua,ub,uc分別為三相定子繞組的端電壓； ia,ib,ic分別為三相定子繞組的相電流； ea,eb,ec分別為定子相繞組電動勢；p為微分算子，p=d/dt。由于三相繞組為星形連接且沒有中線，故有ia+

41、ib+ic=0 (3.2)在方程兩邊同乘M，并整理得Mia+Mib=-Mic (3.3)將方程（2），(3)代入式（1），整理得=+p (3.4)永磁無刷直流電機(jī)的電壓方程等效電路如圖3.1所示，圖3.1 永磁無刷直流電動機(jī)的電壓方程等效電路Fig.3.1 Voltage equation equivalent circuit of BLDC3.2電磁轉(zhuǎn)矩方程電磁轉(zhuǎn)矩是有定子繞組中的電流與永磁材料轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生的。其表達(dá)式為：Te=(euiu+eviv+ewiw) (3.5)永磁無刷直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程和普通直流電動機(jī)相似，其電磁轉(zhuǎn)矩大小與磁通以及電流的幅值成正比，因此控制逆變

42、器輸出方波電流的幅值即可控制轉(zhuǎn)矩大小。為產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，要求定子電流為方波，反電動勢波形為梯形波，且在每半個周期內(nèi)，方波電流的持續(xù)時間為120°電角度，兩者應(yīng)該嚴(yán)格同步。由于在任意時刻，定子只有兩相導(dǎo)通，則電磁功率Pe為： Pe=euiu+eviv+ewiw =2EmIm (3.6) 電磁轉(zhuǎn)矩又可以表示為： Te=Pe/w= 2EmIm/w (3.7)式中：Em為定子繞組各相反電動勢的幅值； Im為定子繞組各相電流的幅值； w為電動機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速。3.3轉(zhuǎn)子運動方程轉(zhuǎn)子的運動方程為：Te-TL-Bw=J （3.8）式中：Te為電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩； TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩； J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量；

43、W為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度； B為阻尼系數(shù)。第四章 無刷直流電動機(jī)的MATLAB仿真實現(xiàn)無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行建模，仿真得到系統(tǒng)工作時各種參數(shù)、數(shù)據(jù)變化趨勢和實驗結(jié)果，能夠有效地指導(dǎo)和驗證控制系統(tǒng)的設(shè)計。本設(shè)計采用Mathworks公司的MATLAB作為仿真工具，其中的Simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包。使用其中的S-Function模塊，結(jié)合編寫C MEX S-FUNCTION，結(jié)合Simulink內(nèi)含的豐富的數(shù)學(xué)運算邏輯模塊和電力電子模塊，能夠準(zhǔn)確地構(gòu)造出無刷直流電動機(jī)及其控制模型。在Simulink中對無刷直流電動機(jī)仿真建模，國內(nèi)外已進(jìn)行了廣泛的研究。電動機(jī)繞組反電

44、動勢波形可采用傅里葉變換法和有限元法實現(xiàn)。雖然這種方法得到的反電動勢波形比較準(zhǔn)確，但是結(jié)合控制系統(tǒng)仿真時會極大影響仿真速度。此外，可以根據(jù)能夠反映轉(zhuǎn)子位置變化的繞組電感模塊來獲得反電動勢波形，但如果永磁無刷直流電動機(jī)的相電感很小，轉(zhuǎn)子位置變化引起的電感變化量可忽略，那么該方法對小電樞電感的永磁無刷直流電動機(jī)的建模并不適用；也可以使用分段線性法實現(xiàn)梯形波反電動勢，并采取一些改進(jìn)的仿真辦法實現(xiàn)電動機(jī)控制系統(tǒng)模型。但在這些文獻(xiàn)中，電動機(jī)的換相是基于電流滯環(huán)控制的，需要三個電流互感器測量三相電流，具體實現(xiàn)時成本較高，開關(guān)噪聲較大。在Matlab中進(jìn)行BLDC建模仿真方法的研究已受到廣泛關(guān)注，已有提出采

45、用節(jié)點電流法對電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過列寫m文件，建立BLDC仿真模型，這種方法實質(zhì)上是一種整體分析法，因而這一模型基礎(chǔ)上修改控制算法或添加、刪除閉環(huán)就顯得很不方便；為了克服這一不足，提出在Matlab/Simulink中構(gòu)造獨立的功能模塊，通過模塊組合進(jìn)行BLDC建模，這一方法可觀性好，在原有建模的基礎(chǔ)上添加、刪除閉環(huán)或改變控制策略都十分便捷，但該方法采用快速傅立葉變換(FFT)方法求取反電動勢，使得仿真速度受限制。本文提出了一種新型的BLDC建模方法，將控制單元模塊化，在Matlab/Simulink建立獨立的功能模塊：BLDC本體模塊、電流滯環(huán)控制模塊、參考電流模塊和三相逆變模塊，對這

46、些功能模塊進(jìn)行有機(jī)整合，即可搭建出無刷直流電機(jī)系統(tǒng)的仿真模型。在建模過程中，梯形波反電動勢的求取方法一直是較難解決的問題，本文采用分段線性法成功地化解了這一難點，克服了建模方法存在的不足。Matlab針對電氣傳動控制領(lǐng)域所設(shè)計的工具箱SimPowerSystemToolbox2.3已經(jīng)提供了PMSM（永磁同步電機(jī)）的電機(jī)模型，但沒有給出BLDC（無刷直流電機(jī)）的電機(jī)模型。因此，本文在分析無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，借助于Matlab強(qiáng)大的仿真建模能力，在Matlab/Simulink中建立了BLDC控制系統(tǒng)的仿真模型。該BLDC建模仿真系統(tǒng)采用的是雙閉環(huán)控制方案。仿真模型主要包括：BLDC本

47、體模塊、電流滯環(huán)控制模塊、參考電流模塊和三相逆變模塊等。下面逐一介紹各部分的搭建與功能。4.1無刷直流電機(jī)本體模塊在整個控制系統(tǒng)的仿真模型中，BLDC本體模塊無疑是最重要的部分，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4.1所示，圖4.1 無刷直流電機(jī)本體模塊Fig.4.1 Body module of BLDC無刷直流電機(jī)本體模塊由以下幾個模塊搭建而成，它們是電壓方程模塊、電磁轉(zhuǎn)矩方程模塊、轉(zhuǎn)速方程模塊、位置計算模塊。下面依次介紹以下這幾個模塊。4.1.1 電壓方程模塊電壓方程模塊根據(jù)BLDC的電壓方程式(3.4)求取BLDC三相相電流，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4.2所示，圖4.2 BLDC本體模塊電壓方程結(jié)構(gòu)框圖Fig.4.

48、2 The BLDC body module voltage equation在整個控制系統(tǒng)的仿真模型中，BLDC本體模塊是最重要的部分，該模塊根據(jù)BLDC電壓方程式（3.4）求取BLDC三相相電流，而要獲得三相相電流信號ia，ib，ic，必須先求得三相反電動勢信號ea，eb，ec。而在BLDC建模過程中，梯形波反電動勢的求取方法一直是較難解決的問題，反電動勢波形不理想會造成轉(zhuǎn)矩脈動增大、相電流波形不理想等問題，嚴(yán)重時會導(dǎo)致?lián)Q相失敗，最終導(dǎo)致電機(jī)失控。因此，獲得理想的反電動勢波形是BLDC仿真建模的關(guān)鍵問題之一。本文采用了分段線性法，如圖4.3所示，將一個運行周期0°360°

49、;分為6個階段，每60°為一個換相階段，每一相的每一個運行階段都可用一段直線進(jìn)行表示，根據(jù)某一時刻的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信號，確定該時刻各相所處的運行狀態(tài)，通過直線方程即可求得反電動勢波形。分段線性法簡單易行，且精度較高，能夠較好的滿足建模仿真的設(shè)計要求。因而，本文采用分段線性法建立梯形波反電動勢波形。理想情況下，二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的BLDC定子三相反電動勢的波形如圖4.3所示。圖中，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置將運行周期分為6個階段：0/3，/32/3，2/3，4/3，4/35/3，5/32。以第一階段0/3為例，A相反電動勢處于正向最大值Em，B相反電動勢處于負(fù)向最大值-Em，C相反電動勢處于換相

50、階段，由正的最大值Em沿斜線規(guī)律變化到負(fù)的最大值-Em。根據(jù)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信號，就可以求出各相反電動勢變化軌跡的直線方程，其它5個階段，也是如此。據(jù)此規(guī)律，可以推得轉(zhuǎn)子位置和反電動勢之間的線性關(guān)系，如表4.1所示，從而采用分段線性法，解決了在BLDC本體模塊中梯形波反電動勢的求取問題。圖4.3 無刷直流電機(jī)反電勢波形圖Fig.4.3 back EMF waveforms of BLDC表4.1 轉(zhuǎn)子位置和反電動勢之間的線性關(guān)系表Table 4.1 Linear relationship between the rotor position and

51、0;the back-EMF轉(zhuǎn)子位置eaebec0/3K*w- K*wK*w*(per-pos)/(/6)+1)/32/3K*wK*w*(pos-/6-per)/(/6)-1)- K*w2/3K*w*(per+2*/3-pos)/(/6)+1)K*w- K*w4/3- K*wK*wK*w*(pos-per)/(/6)-1)4/35/3- K*wK*w*(per+4*/3-pos)/(/6)+1)K*w5/32K*w*(pos-5*/3-per)/(/6)-1)- K*wK*w表中：K為反電動勢系數(shù)(V/(r/min)，pos為角度信號，w為轉(zhuǎn)速信號，轉(zhuǎn)數(shù)per=fix(pos/(2*

52、pi)*2*pi (4.1)fix函數(shù)是實現(xiàn)取整功能。根據(jù)上式，用M文件編寫反電勢系數(shù)的S函數(shù)如下：反電動勢 S 函數(shù)(emf.m) %=%BLDCM模型中反電動勢函數(shù)%=function sys,x0,str,ts =emf(t,x,u,flag) switch flag case 0, %初始化設(shè)置sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizes; case 3, %輸出量計算 sys = mdlOutputs(t,x,u); case 1,2,4,9 %未定義標(biāo)志 sys = ; otherwise %錯誤處理error('unhandled flag = 

53、9;,num2str(flag); end %=%mdlInitializeSizes 進(jìn)行初始化，設(shè)置系統(tǒng)變量的大小%=function sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizes() sizes = simsizes; %取系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置sizes.NumContStates = 0; sizes.NumDiscStates = 0; sizes.NumOutputs = 3; sizes.NumInputs = 2; sizes.DirFeedthrough = 1; sizes.NumSampleTimes = 1; sys = simsizes(sizes); x

54、0 = ; str = ; ts = -1 0; %=%mdlOutputs 計算系統(tǒng)輸出%=function sys=mdlOutputs(t,x,u) global k; global Pos; global w; k=0.060; % V/(r/min)反電動勢系數(shù) w=u(1); % 轉(zhuǎn)速(rad/s) Pos=u(2); % 角度(rad) if Pos>=0 & Pos<=pi/3 sys=k*w,-k*w,k*w*(-Pos)/(pi/6)+1); elseif Pos>=pi/3 & Pos<=2*pi/3sys=k*w,k*w*(Pos-pi/3)/(pi/6)-1)