基于matlab無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的仿真本科畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、基于matlab無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的仿真XXX(XXXXXXX 物理與電氣工程學(xué)院 電氣工程及其自動(dòng)化2008年1班)摘 要： 在分析無刷直流電機(jī)(BLDCM)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)之上,提出了一種新型的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)建模仿真方法。在Matlab /Simulink環(huán)境之下,利用無刷直流電機(jī)的電壓方程、電磁轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程構(gòu)建了無刷直流電機(jī)本體的仿真模型。系統(tǒng)采用單閉環(huán)控制:速度環(huán)采用經(jīng)典PI控制,電流控制采用滯環(huán)電流跟蹤型PWM。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:系統(tǒng)具有良好的靜、動(dòng)態(tài)特性,驗(yàn)證了該方法的有效性,為實(shí)際電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)速提供了新的思路。關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)；模型；simulink

2、；仿真；霍爾位置傳感器； 引言電機(jī)在人類社會(huì)中的應(yīng)用已有近100 多年的歷史，電機(jī)的發(fā)展是從永磁電機(jī)開始的。誕生于19 世紀(jì)20 年代的第一臺(tái)電機(jī)便是一臺(tái)永磁發(fā)電機(jī)，但由于材料的制約，在隨后的歲月里，永磁電機(jī)逐漸被電勵(lì)磁電機(jī)所取代，而交流異步電機(jī)的出現(xiàn)并廣泛應(yīng)用，進(jìn)一步壓縮了永磁電機(jī)的應(yīng)用空間。直至上世紀(jì)60 年代稀土永磁材料的出現(xiàn)，影響永磁電機(jī)廣泛使用的材料問題得以基本解決，永磁電機(jī)又開始被廣泛關(guān)注。但由于稀土材料昂貴的價(jià)格，永磁電機(jī)僅應(yīng)用在對(duì)成本要求相對(duì)較低的場(chǎng)合。上世紀(jì)80 年代初，新型永磁材料釹鐵硼的出現(xiàn)，大大降低了永磁體的成本，永磁電機(jī)才在較多的場(chǎng)合得到了應(yīng)用。無刷直流電動(dòng)機(jī)是在有刷

3、直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。現(xiàn)階段，雖然各種交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)在傳動(dòng)應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，但無刷直流電動(dòng)機(jī)正受到自20世紀(jì)90年代以來，隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代化生產(chǎn)、辦公自動(dòng)化的發(fā)展，家用電器、工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備都越來越趨向于高效率化、小型化及高智能化，作為執(zhí)行元件的重要組成部分，電機(jī)必須具有精度高、速度快、效率高等特點(diǎn)，無刷直流電機(jī)的應(yīng)用也因此而迅速增長(zhǎng)。隨著永磁電機(jī)的廣泛應(yīng)用，其本身的缺陷也逐漸體現(xiàn)出來。傳統(tǒng)的永磁電機(jī)往往使用電刷這種機(jī)械部件作為換向器，在運(yùn)行過程中，電刷帶來了換向火花、電磁干擾等問題；同時(shí)，電刷換向器極易磨損，造成了永磁電機(jī)維護(hù)頻率高，維護(hù)過程復(fù)雜；機(jī)械式電刷換向器

4、還限制了電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高和體積的縮小。在這種情況下，伴隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，一種采用電子換向裝置的永磁直流電機(jī)無刷直電機(jī)出現(xiàn)了。無刷直流機(jī)是20 世紀(jì)60 年代出現(xiàn)的一種自整步永磁同步電機(jī)，是近年來得到長(zhǎng)足發(fā)展和廣泛應(yīng)用的一種新型電機(jī)。無刷直流電機(jī)與傳統(tǒng)直流電機(jī)相比，其結(jié)構(gòu)上有較大不同，無刷直流電機(jī)將傳統(tǒng)直流電機(jī)定子上的永磁體轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)子上，而將電樞繞組置于定子上，并采用電子換向裝置取代傳統(tǒng)直流電機(jī)的機(jī)械式電刷換向器，使無刷直流電機(jī)在運(yùn)行時(shí)無換向火花和無線電干擾，長(zhǎng)時(shí)使用無需更換電刷，電機(jī)使用壽命長(zhǎng)。無刷直流電機(jī)緊湊的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使其能夠更容易地實(shí)現(xiàn)小型化。無刷直流電機(jī)相對(duì)于交流異步電機(jī)，具有高能

5、量密度、高效率的特點(diǎn)，同時(shí)具有較好的調(diào)速性能。由于定子無勵(lì)磁電流分量，具有較高的效率。無刷直流電機(jī)由傳統(tǒng)直流電機(jī)衍生而來，其自身具有傳統(tǒng)直流電機(jī)調(diào)速方便、性能優(yōu)異的特點(diǎn)，通過調(diào)壓調(diào)速方式即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的平滑調(diào)節(jié)。綜上所述，無刷直流電機(jī)相對(duì)于其它電機(jī)，有著其突出的優(yōu)點(diǎn)。既具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，又具有傳統(tǒng)直流電機(jī)運(yùn)行效率高、速性能好的優(yōu)點(diǎn)，因此，在當(dāng)今國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。1 無刷直流電機(jī)的原理無刷直流電機(jī)為了實(shí)現(xiàn)無電刷換向，首先要把一般直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組放在定子上，把永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上。為了能產(chǎn)生單一方向的電磁轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，無刷直流電機(jī)還要有電

6、子換向器來使定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永久磁場(chǎng)在空間上保持90°的平均電角度。這樣就使得這兩個(gè)磁場(chǎng)產(chǎn)生最大平均轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動(dòng)電機(jī)不停地旋轉(zhuǎn)。以三相Y 形繞組電機(jī)半控橋電路為例，簡(jiǎn)要說明無刷直流電機(jī)的工作原理。圖 為三相無刷直流電機(jī)半控橋原理圖。此處采用霍爾元件作為位置傳感器（P1、P2、P3），Q1、Q2、Q3 為功率邏輯單元。三相無刷直流電機(jī)半控橋控制原理圖三個(gè)霍爾傳感器各差 120°機(jī)械角度安裝在端蓋上。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于圖（a）位置時(shí)，霍爾傳感器P1 輸出導(dǎo)通信號(hào)給Q1，此時(shí)A 相繞組通電，在繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)的推動(dòng)下，轉(zhuǎn)子向逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)120°；此時(shí)P3 輸

7、出導(dǎo)通信號(hào)，驅(qū)動(dòng)Q3 導(dǎo)通，C 相繞組導(dǎo)電，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)向逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)120°；此時(shí)P2 輸出導(dǎo)通信號(hào)給Q2，B 相繞組導(dǎo)通，轉(zhuǎn)子繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)120°。周而復(fù)始，電機(jī)轉(zhuǎn)子就不停地以逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。圖2.4 顯示了轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)動(dòng)的情況。電機(jī)正常工作時(shí)，每相繞組分別導(dǎo)通120°電角度，見圖。 圖1.2 轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖 圖1.3 各相繞組導(dǎo)通示意圖顯然，當(dāng)無刷直流電機(jī)采用半橋控制器控制時(shí)，工作效率很低，在同一時(shí)刻，僅有一相繞組導(dǎo)通工作。為了提高無刷直流電機(jī)繞組的利用率，提高無刷直流電機(jī)的效率，必須采用全橋式逆變器結(jié)構(gòu)作為無刷直流電機(jī)的電子換向器。2 無刷直流電機(jī)的

8、數(shù)學(xué)模型由于BLDCM的特征是反電動(dòng)勢(shì)為梯形波,包含有較多的高次諧波,并且直流無刷電動(dòng)機(jī)的電感為非線性,因此,在這里采用dq變換理論已不是有效的分析方法。而直接利用電動(dòng)機(jī)原有的相變量(即a2b2c坐標(biāo)系)來建立數(shù)字模型卻比較方便。以兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)為例, 分析無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及電磁轉(zhuǎn)矩等特性。為簡(jiǎn)化分析,作如下假設(shè)：(1) 相繞組完全對(duì)稱，氣隙磁場(chǎng)為方波，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)分布皆對(duì)稱；(2)忽略齒槽、換相過程和電樞反應(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(jì)渦流和磁帶損耗；電機(jī)的電壓方程由電機(jī)學(xué)可知，定子三相繞組的電壓方程可表示為=+p+un （1

9、）式中，ua，ub，uc定子相繞組端電壓，ia、ib、ic定子相繞組電流；ea、eb、ec定子繞組電動(dòng)勢(shì)；Ra、Rb、Rc三相繞組的電阻；Laa、Lbb、Lcc三相繞組的自感；LabA相和B相繞組的互感(其他的類推)；un中性點(diǎn)電壓；p微分算子，P=。 由于定子三相繞組為三相星型連接，且無中線，則有ia + ib + ic = 0Mia + Mib + Mic=0由此電壓方程變?yōu)?+P+un (2) 因此，等效電路圖可以表示為圖2.1.L-M 圖2 BLDCM的等效電路圖2.2 電磁轉(zhuǎn)矩方程：Te=（eaia+ebib+ecic） (3)式中，轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；Te電磁轉(zhuǎn)矩。2.3 運(yùn)動(dòng)方程 T

10、e TL B = jd/dt (4)式中，TL負(fù)載轉(zhuǎn)矩；B阻尼系數(shù)；J電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。3 基于matlab的BLDCM的系統(tǒng)仿真模型的建立 在matlab的simulink環(huán)境下，利用sim power-system toolbox提供的豐富模塊庫(kù)，在分析BLDCM數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了建立BLDCM控制系統(tǒng)仿真模型的方法，仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。本控制系統(tǒng)采用三閉環(huán)控制方案；轉(zhuǎn)速環(huán)由自整定PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成，電流滯環(huán)由實(shí)際電流和參考電流構(gòu)成，位置環(huán)通過位置計(jì)算給出三相繞組的各相電流的控制信號(hào)。根據(jù)模塊化建模的思想，將圖3所示的控制系統(tǒng)分割為各個(gè)功能獨(dú)立的子模塊，其中主要包括：直流無刷電機(jī)

11、本體模塊、位置檢測(cè)模塊、轉(zhuǎn)速PD模塊和逆變器模塊等。通過這些功能模塊的有機(jī)整合，就可以在matlab中搭建出無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真整體框圖。如圖4. 圖3無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真圖圖4 matlab中的無刷直流電機(jī)的仿真圖2. 1無刷直流電機(jī)本體模塊由電壓方程式( 1)可得,要獲得三相相電流信號(hào)ia、ib、ic , 必需首先求得三相反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)ea、eb、ec。而無刷直流電機(jī)建模過程中,梯形波反電動(dòng)勢(shì)的求取方法一直是較難解決的問題,反電動(dòng)勢(shì)波形不理想會(huì)造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大、相電流波形不理想等問題,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致?lián)Q向失敗,電機(jī)失控。因此,獲得理想的反電動(dòng)勢(shì)波形是無刷直流電機(jī)仿真建模的關(guān)鍵問題之一

12、。本文采用分段線性法建立梯形波反電動(dòng)勢(shì)波形。分段線性法:將一個(gè)運(yùn)行周期0360°分為6個(gè)階段,每60°為一個(gè)換向階段,每一相的每一個(gè)運(yùn)行階段都可用一段直線表示,根據(jù)某一刻的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信號(hào),確定該時(shí)刻各相所處的運(yùn)行狀態(tài),通過直線方程即可求得反電動(dòng)勢(shì)波形。分段線性法簡(jiǎn)單易行,且精度較高,能夠較好的滿足建模仿真的設(shè)計(jì)要求。三相無刷直流電機(jī)的電壓、電流和反電動(dòng)勢(shì)的關(guān)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)可以得到無刷

13、直流電機(jī)三相繞組模塊結(jié)構(gòu),如圖5所示。圖5 無刷直流電機(jī)三相繞組模塊結(jié)構(gòu)圖根據(jù)BLDCM電磁轉(zhuǎn)矩方程Te=（eaia+ebib+ecic）/和運(yùn)動(dòng)方程Te- TL-B=Jd/dt可以得到無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩模塊。如圖6所示。圖6 無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩模塊結(jié)構(gòu)圖2.2 速度和電流控制模塊 本單元主要完成兩個(gè)功能：完成轉(zhuǎn)速、電流的負(fù)反饋，檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息，以便觸發(fā)邏輯單元進(jìn)行操作。速度和電流調(diào)節(jié)器都采用帶飽和限制的PI調(diào)節(jié)器。速度調(diào)節(jié)器的輸出同時(shí)輸入到狀態(tài)檢測(cè)環(huán)節(jié)，每當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出過零時(shí)，就檢測(cè)出一個(gè)狀態(tài)變化信號(hào)。如圖7和圖8所示。圖7 無刷直流電機(jī)速度控制模塊結(jié)構(gòu)圖圖8 無刷直流電機(jī)直流滯環(huán)控制模

14、塊結(jié)構(gòu)圖2.3 位置檢測(cè)模塊無刷直流電機(jī)位置檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。位置檢測(cè)模塊設(shè)置一個(gè)狀態(tài)標(biāo)志，在每次換流時(shí)，將首先檢測(cè)該標(biāo)志，當(dāng)該標(biāo)志為“1”時(shí)，觸發(fā)控制單元進(jìn)行非正常換流過程，完畢后清除狀態(tài)標(biāo)志；當(dāng)該標(biāo)志為“0”時(shí)直接進(jìn)入正常換流過程。檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)為觸發(fā)脈沖信號(hào)模塊，以及觸發(fā)脈沖波形如圖10所示。 圖8無刷直流電機(jī)位置檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)圖圖9檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)為觸發(fā)脈沖信號(hào)模塊3 仿真結(jié)果仿真時(shí)P ID參數(shù)的選取是難點(diǎn),其對(duì)系統(tǒng)的影響至關(guān)重要。在選擇P ID 參數(shù)時(shí)應(yīng)綜合考慮KP、KI、KD 的變化給系統(tǒng)帶來的影響,具體可以按照先比例后積分再微分的順序反復(fù)調(diào)試參數(shù)。無刷直流電機(jī)參數(shù)設(shè)置為: 定子相繞組

15、電阻R =0. 5,定子相繞組自感與互感之差L - M =1. 72mH,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J = 0. 00292kg·m3 ,額定轉(zhuǎn)速ne = 1 500 r/min,極對(duì)數(shù)p = 4, 200V 直流電源供電。無刷直流電機(jī)的通電方式為三相Y聯(lián)結(jié)全控電路兩兩通電方式,每隔60°電角度換相一次,每個(gè)功率管通電120°,每個(gè)繞組通電240°,其中正向通電和反向通電各120°。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的BLDCM控制系統(tǒng)的仿真模型的靜、動(dòng)態(tài)性能,系統(tǒng)空載起動(dòng),待進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后,在2 s時(shí)突然加負(fù)載,在3 s突然撤去負(fù)載。得到的系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、A相電流和三相反電動(dòng)勢(shì)仿真曲

16、線如圖10圖13所示。 由仿真波形可以看出,在n = 1 500 r/min的參考轉(zhuǎn)速下,系統(tǒng)響應(yīng)快速且平穩(wěn),相電流和反電動(dòng)勢(shì)波形較為理想。仿真波形表明:起動(dòng)階段系統(tǒng)保持轉(zhuǎn)矩恒定,因而沒有造成較大的轉(zhuǎn)矩和相電流沖擊,參考電流的限幅十分有效;空載穩(wěn)速運(yùn)行時(shí),忽略系統(tǒng)的摩擦轉(zhuǎn)矩,因而此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩均為零;在t = 2 s時(shí)突加負(fù)載,轉(zhuǎn)速發(fā)生突降,但又能迅速恢復(fù)到平衡狀態(tài),穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)無靜差。仿真波形圖11中,突加負(fù)載后,負(fù)載轉(zhuǎn)矩有較大的脈動(dòng),這主要是由電流換向和電流滯環(huán)控制器的頻繁切換造成的。仿真結(jié)果證明了本文所提出的這種新型BLDCM仿真建模方法的有效性及控制系統(tǒng)的合理性。4結(jié)語本文在分析無刷直流

17、電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,提出了一種新型的基于Matlab的BLDCM控制系統(tǒng)仿真建模的方法,采用了速度、電流和位置環(huán)三閉環(huán)控制方法對(duì)該建模方法進(jìn)行了測(cè)試,仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:波形符合理論分析,系統(tǒng)能平穩(wěn)運(yùn)行,具有較好的靜、動(dòng)態(tài)特性。采用該BLDCM仿真模型,可十分便捷地實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證控制算法,改換或改進(jìn)控制策略也十分簡(jiǎn)單,只需對(duì)部分功能模塊進(jìn)行替換或修改;同時(shí),該模型提供的各仿真模塊具有通用性。因此,它為分析和設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)提供了有效手段和工具,也為實(shí)際電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試提供了新的思路。參考文獻(xiàn) 1 張琛. 直流無刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2001. 2 鄧兵,潘俊

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