無刷直流電機(jī)控制

無刷直流電機(jī)（BrushlessDCMotor,以下簡稱BLDCM）是隨著電力電子技術(shù)及新型永磁材料的發(fā)展而迅速成熟起來的一種新型電機(jī)。以其啟動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速性能好、效率高、過載能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定、控制結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，同時還保留了普通直流電機(jī)優(yōu)良的機(jī)械特性，廣泛應(yīng)用于伺服控制、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等領(lǐng)域。隨著BLDCM應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，對控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。為此，建立BLDCM控制系統(tǒng)的可視化仿真模型，可以有效的減少控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時間，同時充分利用Simulink仿真的優(yōu)越性，加入不同的擾動以及變化的參數(shù)，以便考察系統(tǒng)在不同控制條件下的動、靜態(tài)特性。在分析了BLDCM數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，借助MATLAB的Simulink工具，建立了BLDCM控制系統(tǒng)的仿真模型，并利用該模型，進(jìn)行了控制系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明，通過該仿真模型驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的有效性及控制系統(tǒng)的合理性。2.無數(shù)直流電機(jī)的總體設(shè)計(jì)BLDCM由定子三相繞組、永磁轉(zhuǎn)子、逆變器、轉(zhuǎn)子磁極位置檢測器等組成，其轉(zhuǎn)子采用瓦形磁鋼，進(jìn)行特殊的磁路設(shè)計(jì)，可獲得梯形波的氣隙磁場，定子繞組采用集中整距繞組，由逆變器提供給方波電流。BLDCM梯形波反電動勢和方波電流之間的關(guān)系，如圖1所示。BLDCM的反電動勢波形是梯形波，并且定子和轉(zhuǎn)子間的互感是非正弦的，在此，采用感應(yīng)電動機(jī)d-q變換理論的方法進(jìn)行分析效果不理想，而直接利用電動機(jī)原有的相變量法，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置，采用分段線性表示感應(yīng)電動勢。本文以兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)方式下，分析BLDCM的數(shù)學(xué)模型及電磁轉(zhuǎn)矩等特性。為了方便分析，作如下假設(shè)：（1）三相繞組完全對稱，氣隙磁場分布為梯形波，平頂寬為120°電角度；（2）忽略齒槽、換相過程和電樞反應(yīng)的影響；（3）磁路不飽和，不計(jì)渦流和磁滯損耗；（4）電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布。則根據(jù)BLDCM的特性，可建立其電壓平衡方程、電磁轉(zhuǎn)矩方程以及轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程。2.1電壓平衡方程BLDCM三相定子電壓的平衡方程可用以下方程表示：其中，ua、ub、uc為定子相繞組電壓；ia、ib、ic為定子相繞組電流；ea、eb、ec為定子相繞組反電勢；L為每相繞組的自感；r為每相繞組的內(nèi)阻；M為每兩相繞組的互感。由于轉(zhuǎn)子磁阻不隨轉(zhuǎn)子的位置變化，因而定子繞組的自感和互感為常數(shù)。當(dāng)采用Y形聯(lián)結(jié)時，ia+ib+ic=0,因而有：3.無刷直流電機(jī)模型設(shè)計(jì)在MatlabR2012的Simulink環(huán)境下，利用SimPowerSystemToolbox5.6豐富的模塊庫，在分析BLDCM數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立BLDCM控制系統(tǒng)仿真模型，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。滯環(huán)比較器的環(huán)寬進(jìn)行比較，對應(yīng)相導(dǎo)通或關(guān)斷。選擇適當(dāng)?shù)臏h(huán)比較器環(huán)寬，即可使實(shí)際電流波形不斷跟蹤參考電流的波形，實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制。k為系數(shù)，Pos為位置信號，w為轉(zhuǎn)速信號。3.3速度控制模塊速度控制模塊為單輸入：參考轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差；單輸出：三相參考電流的幅值Is.其中，KP為比例參數(shù)，KI為積分參數(shù)，Saturation飽和限幅模塊將輸出的三項(xiàng)參考電流的幅值限定在要求范圍內(nèi)，如圖7所示。3.4參考電流模塊參考電流模塊的作用是根據(jù)電流幅值信號Is和位置信號給出三相參考電流，輸出的三相參考電流直接輸入電流滯環(huán)控制模塊，用于與實(shí)際電流進(jìn)行電流滯環(huán)控制。參考電流模塊采用S-Function編程實(shí)現(xiàn)。3.5電壓逆變模塊電壓逆變模塊實(shí)現(xiàn)的是逆變器的功能，輸入為位置信號和電流滯環(huán)控制模塊給出逆變控制信號，輸出為三相端電壓。該模塊可根據(jù)位置信號判斷電機(jī)所處的運(yùn)行階段，給出相應(yīng)的三相端電壓信號，該模塊采用S-Function編程實(shí)現(xiàn)。4.仿真結(jié)果本文基于Matlab/Simulink建立了BLDCM控制系統(tǒng)的仿真模型，并對該模型進(jìn)行了BLDCM雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真，仿真中BLDCM參數(shù)設(shè)置為：定子相繞組電阻R=1Ω，定子相繞組自感L=0.02H,互感M=-0.0061H,轉(zhuǎn)動慣量J=0.005kg.m2,額定轉(zhuǎn)速n=2400r/min,極對數(shù)p=1,額定電壓220V.為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的BLDCM控制系統(tǒng)仿真模型的靜、動態(tài)性能，系統(tǒng)空載起動，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，在t=0.5s時突加負(fù)載TL=5Nm,在t=0.65s時撤去負(fù)載，可得到系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、三相相電流和三相反電動勢仿真曲線如圖8-11所示。由仿真波形可以看出，在n=2400r/min的參考轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)響應(yīng)快速且平穩(wěn)，相電流和反電動勢波形較理想。圖9、10表明：起動階段系統(tǒng)保持轉(zhuǎn)矩恒定，沒有造成較大的轉(zhuǎn)矩和相電流沖擊，說明參考電流的限幅作用有效；空載穩(wěn)速運(yùn)行時，忽略系統(tǒng)的摩擦轉(zhuǎn)矩，此時的電磁轉(zhuǎn)矩均值為零；在t=0.5s時突加負(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)行時無靜差。仿真結(jié)果表明了本文提出的這種無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案具備有效性及控制系統(tǒng)的合理性。5.結(jié)論本文在分析BLDCM數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，在Matl