直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仿真

1、河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書摘要傳統(tǒng)的直流電機(jī)一直在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于其本身固有的機(jī)械換向器和電刷導(dǎo)致電機(jī)容量有限、噪音大和可靠性不高，因而迫使人們探索低噪音、高效率并且大容量的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。隨著電力電子技術(shù)和微控制技術(shù)的迅猛發(fā)展成熟起來的直流無刷電機(jī)具有體積小、重量輕、效率高、噪音低、容量大且可靠性高的特點(diǎn)，從而使其極有希望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流電機(jī)成為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主流。首先，從電機(jī)本體和控制角度出發(fā)，闡述了直流無刷電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中需要解決的關(guān)鍵性問題：電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。詳細(xì)分析了電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的各種原因，特別是分析了相電流換向所產(chǎn)生的紋波轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。其次，本文對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作

2、原理進(jìn)行了詳盡的分析，建立了三相無刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。并利用MATLABSIMULINK軟件建立了三相無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)仿真模型。仿真模型采樣的是電機(jī)控制系統(tǒng)中常用的雙環(huán)系統(tǒng)(轉(zhuǎn)速一電流雙閉環(huán)控制)。為了提高系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)特性，轉(zhuǎn)速外環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，電流內(nèi)環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)子位置通過直流無刷電機(jī)感應(yīng)電勢(shì)檢溺，仿真結(jié)果表明了該仿真模型控制系統(tǒng)與理論分析完全吻合，從而證明了模型的有效性。然后，初步設(shè)計(jì)了伺服系統(tǒng)的原理圖。以PID控制器作為整個(gè)控制電路的核心，一臺(tái)40w的直流無刷電機(jī)作為被控對(duì)象，完成了伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制。最后，對(duì)未來的工作給予了展望，并對(duì)全文的內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)。關(guān)鍵詞：無

3、刷直流電動(dòng)機(jī)；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；PID控制器 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書IAbstractConventional DC motor always takes up dominant position in driving system，butits inherent mechanical commutator and brush bring on limited capability，low reliability and big noiseThese shortcoming necessitate US to develope lower noise，high efficiency and

4、 big capability driving motorWith the development of the power electronicsand microcontrol technique，permanentmagnet brushless DC motor possesses small volume，light weight，high efficiency，low noise，big capability and reliability，so it is hopeful to become main motor in drive systemFuzzy controller h

5、as the advantage of robust trait and strong anti-jamming meritFirst，from the point of view of motor and control，the paper expounds all kinds of cause of brushless dc motors ripple toqueEspecially，analyzes the cause of commutation ripple torqueSecond，mathematical model is presented based on the the o

6、perating principle of BLDCM，which is analyzed in detailThis paper introduces software matlabsimulink and how to use itSimulation model of threephase BLDCM is set up and performedThe control system is virtually a dual closedloop system with current controllers inner loop and speed controller as outer

7、 loopspeed controller adopts fuzzy。PI regulator and current controller adopts PI regultorWe estimate rotationcomplete speed control through a 40wbrushless dc motorKeywords：BLDCM；Torque Ripple；PID controller河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書0目錄1 緒論 .11.1 本課題的研究意義.11.2 直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制的研究現(xiàn)狀.31.3 內(nèi)容安排.42 直流電機(jī)的工作原理和控制系統(tǒng)模型 .52.

8、1 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理.52.2 BLDC 系統(tǒng)模型的建立 .73 PID 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)原理.93.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理.93.2 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法.103.2.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) .123.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) .144 直流電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真分析 .174.1 動(dòng)態(tài)仿真工具 SIMULINK 簡(jiǎn)介.174.2 三相無刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型.194.3 直流電機(jī)控制系統(tǒng)模型的建立.224.3.1 電壓方程 .234.3.2 轉(zhuǎn)矩方程 .244.3.4 等效電路 .244.3.5 BLDCM 本體模塊.254.3.6 電流滯環(huán)控制模塊 .274.3.7 速度控制模塊 .294.

9、3.8 參考電流模塊 .304.3.9 轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊 .31河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書14.3.10 轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊 .324.3.11 電壓逆變器模塊 .324.4 仿真結(jié)果.334.5 本章小結(jié).355 結(jié)論與展望 .36致謝 .37參考文獻(xiàn) .38河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書01 緒論1.1 本課題的研究意義直流電動(dòng)機(jī)具有線性機(jī)械特性、調(diào)速范圍廣、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、控制電路簡(jiǎn)單和效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此長期以來一直廣泛地應(yīng)用在各種驅(qū)動(dòng)裝置和飼服系統(tǒng)中。但是直流電動(dòng)機(jī)均采用電刷，用機(jī)械換向器進(jìn)行換向，因?yàn)闄C(jī)械電刷和換向器存在著相對(duì)的機(jī)械摩擦，由此帶來它結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、變化的接觸電阻

10、、噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等致命弱點(diǎn)，再加上制造成本高及維修困難等缺點(diǎn)，影響了直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速精度和性能，從而限制了它的應(yīng)用范圍。因此人們長期以來，一直在尋找一種不用電刷和換向器的直流電機(jī)。隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論以及稀土永磁材料技術(shù)的飛速發(fā)展，這種設(shè)想逐步成為現(xiàn)實(shí)。自1958年美國通用電氣公司研制成功第一個(gè)工業(yè)應(yīng)用的普通晶閘管,主關(guān)斷器件從晶閘管發(fā)展到了有自關(guān)斷能力的大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件(全控性器件)：電力晶體管(GTR)，可關(guān)斷晶閘管(GTO)，電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)，絕緣柵極雙極性晶體管(IGBT)，高頻大功率靜電感應(yīng)晶體管(SIT)，靜電感應(yīng)式晶體管

11、(SITH)，場(chǎng)控晶體管(MCT)等。可以說電力電子技術(shù)在等等的幾十年里飛速發(fā)展，使功率半導(dǎo)體器件的性能得以大大提高，同時(shí)其驅(qū)動(dòng)電路也獲得了迅速發(fā)展。電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展也帶動(dòng)著功率集成電路PC(分為高壓化，高頻化，小型化等創(chuàng)造了有利的條件，這些都為直流無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制電路的提高開辟了新的方向。稀土永磁材料技術(shù)也對(duì)直流無刷電機(jī)本體的發(fā)展起著巨大的推動(dòng)作用。采用稀土永磁材料的直流無刷電機(jī)不僅具有可靠性高i3J、維修方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、特性好、易散熱、轉(zhuǎn)速不受機(jī)械換向限制、噪聲小，而且具有磁能積高、矯頑力Hc高、剩磁Br大等優(yōu)點(diǎn)。伴隨著這些新的電力電子器件，高性能的數(shù)字集成電路以及先進(jìn)

12、的控制理論的應(yīng)用，直流無刷直流電機(jī)調(diào)速控制部件功能日益完善，所需的控制部件數(shù)目愈來愈少，控制器件的體積也越來越小，控制器件的可靠性提高而成本愈來河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書1噪音、重量輕等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而直流無刷電機(jī)的應(yīng)用范圍不再局限于傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域，在當(dāng)令國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。例如在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備(軟驅(qū)、光驅(qū)、硬盤等)、辦公自動(dòng)化設(shè)備(打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、繪圖儀等)、家電(洗衣機(jī)、空調(diào)、風(fēng)扇等)、音像設(shè)備(VCD、攝像機(jī)、錄像機(jī)等)、汽車、電動(dòng)自行車、數(shù)控機(jī)床、雷達(dá)和各種軍用武器隨動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)器人、柔性制造系統(tǒng)、

13、大規(guī)模集成電路制造、激光加工、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。無刷直流電動(dòng)機(jī)因?yàn)橛冒雽?dǎo)體電子開關(guān)換向器替代了機(jī)械式換向器及電刷可靠性高，無需維護(hù)，壽命長，噪聲低，功率密度大。特別是它的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小轉(zhuǎn)子損耗相對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)小得多。當(dāng)輸出功率相同時(shí)，無刷直流電機(jī)所需要的整流器利逆變器容量小，因此自身體積也小，更適合于空間有限的場(chǎng)合。也正是因?yàn)闊o刷直流電機(jī)有如此多的優(yōu)點(diǎn)，所以使它成為了新一代電動(dòng)伺服系統(tǒng)的主角。由于無刷直流電動(dòng)機(jī)在工業(yè)上的應(yīng)用愈來愈廣泛，它的進(jìn)一步推廣將顯著的提高我國的能源利用水平，改變我國高污染，低效率的能源利用狀態(tài)。稀土資源優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)我國在能源利用水平上的差距，將是一件很有意義的工

14、作。早在1917年，Boliger就提出了用整流管代替有刷直流電機(jī)的機(jī)械換向器，從而誕生了無刷直流電機(jī)的基本思想。早在1934年，就出現(xiàn)過電子管線路代替機(jī)械滑動(dòng)接觸的無換向器直流電動(dòng)機(jī)。但由于當(dāng)時(shí)電子器件的技術(shù)水平和制造成本的限制，這種電動(dòng)機(jī)并沒有得到發(fā)展。1955年美國D哈里森等人首次申請(qǐng)了應(yīng)用晶體管換向代替電動(dòng)機(jī)機(jī)械換向器換向的專利，這就是現(xiàn)代無刷直流電動(dòng)機(jī)的雛形，它有功率放大部分，信號(hào)檢測(cè)部分，磁極體和開關(guān)電路組成。其工作原理是：當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，在信號(hào)繞組中感應(yīng)出周期性的信號(hào)電勢(shì)，此信號(hào)電勢(shì)分別使晶體管輪流導(dǎo)通，這樣就使功率繞組輪流饋電，即實(shí)現(xiàn)了換流。但是，當(dāng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)，信號(hào)繞組內(nèi)不能產(chǎn)生

15、感應(yīng)電勢(shì)，晶體管無偏置，功率繞組也就無法饋電，所以這種無刷直流電動(dòng)機(jī)沒有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此，沒有產(chǎn)品化。1978年，原聯(lián)邦德國MANNESMANN公司的indramat分布在漢諾威貿(mào)易展河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書2覽會(huì)上正式推出其MAC永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，標(biāo)志著永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)真正進(jìn)入了實(shí)用階段。20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)外對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)展開了深入的研究。隨著大功率半導(dǎo)體器件、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、現(xiàn)代控制理論的發(fā)展以及高性能永磁材料的不斷出現(xiàn)，如今的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)成為直流電動(dòng)機(jī)、功率驅(qū)動(dòng)器、檢測(cè)元件、控制軟件與硬件于一體的典型的機(jī)電一體化

16、產(chǎn)品，體現(xiàn)了當(dāng)今工程科學(xué)領(lǐng)域的許多最新成果。1.2 直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制的研究現(xiàn)狀無刷直流電動(dòng)機(jī)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因而得到廣泛的應(yīng)用，促使人們對(duì)其不斷研究探索。當(dāng)前的無刷直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)不單純是簡(jiǎn)單意義上的電動(dòng)機(jī)，而是電機(jī)理論、電力電子、微電子技術(shù)、現(xiàn)代控制理論以及高性能永磁材料相互結(jié)合，集軟硬件于一體的機(jī)電一體化產(chǎn)品。現(xiàn)在，國內(nèi)直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，仍然主要采用經(jīng)典 PID控制，該控制方法可使系統(tǒng)性能滿足各種靜、動(dòng)態(tài)指標(biāo)，但系統(tǒng)的魯棒性不盡人意。PID 控制具有控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)容易整定的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。在設(shè)計(jì) PID 控制器時(shí)，分析比較 PID 參數(shù) Kp，Ki ，Kd

17、 對(duì)系統(tǒng)的影響，通過參數(shù)的調(diào)整使系統(tǒng)的暫態(tài)特性達(dá)到最優(yōu)。在無刷直流電動(dòng)機(jī)速度閉環(huán)控制方案中， PID 控制器雖然容易使用，但易受干擾，采樣精度和數(shù)字量上、下限的影響易產(chǎn)生積分飽和而失去調(diào)解作用。而采用非線性變速積分 PID 算法時(shí)，可將 PID 控制器輸出限制在有效輸出范圍內(nèi)，避免其超出執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作范圍而發(fā)生飽和。這種算法消除了一般 PID 控制器算法中的飽和現(xiàn)象，使電機(jī)調(diào)速穩(wěn)(2) 國外的研究現(xiàn)狀 在國外，面對(duì)日益復(fù)雜的控制對(duì)象，為進(jìn)一步提高無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性和魯棒性，智能控制方法受到更多關(guān)注。一方面，智能控制是控制理論發(fā)展的高級(jí)階段，智能控制系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組

18、織功河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書3能等，能夠解決模型不確定性問題、非線性控制問題以及其他較復(fù)雜的問題。無刷直流電動(dòng)機(jī)是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合的研究對(duì)象，利用智能控制可以取得較滿意的控制效果。所以，智能控制已經(jīng)成為國外研究的重要方向。另一方面，從控制系統(tǒng)的成本、維護(hù)性、可靠性等方面考慮，無傳感器的傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)提高系統(tǒng)的可靠性具有更重要的意義，成為近年的研究熱點(diǎn)。無傳感器控制技術(shù)的關(guān)鍵在于速度/位置的觀測(cè)與估計(jì)。由于無刷直流電動(dòng)機(jī)在任意時(shí)刻，定子的三相繞組只有兩相繞組同時(shí)有勵(lì)磁電流，而另外一相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值較小，雜波較多，因此更適于無傳感器控制。由于取消了霍爾元件等位置傳感器，保證此

19、類電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行成了關(guān)鍵問題。電機(jī)在不同的工作頻率、啟動(dòng)及過流狀態(tài)下需要滿足一定的穩(wěn)定運(yùn)行條件， PLL鎖相環(huán)以及PWM速度反饋網(wǎng)絡(luò)也會(huì)影響電機(jī)工作的穩(wěn)定性。因此，無傳感器控制也是國外現(xiàn)今研究的另一個(gè)重要方向。河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書42 直流電機(jī)的工作原理和控制系統(tǒng)模型2.1 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理一般永磁直流電動(dòng)機(jī)的定子由永久磁鋼組成，其主要作用是在電動(dòng)機(jī)氣隙磁場(chǎng)中產(chǎn)生磁場(chǎng)，其轉(zhuǎn)子電樞繞組通電后產(chǎn)生反應(yīng)磁場(chǎng)，由于電刷的換向作用，使得這兩個(gè)磁場(chǎng)的方向在直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過程中始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不停地運(yùn)轉(zhuǎn)。直流無刷電動(dòng)機(jī)為了實(shí)現(xiàn)無刷換相，首先要求把一般直流電動(dòng)機(jī)

20、的電樞繞組放在定子上，把永久磁鋼放在轉(zhuǎn)子上，這與傳統(tǒng)直流永磁電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)正好相反，而且還要由位置傳感器、控制電路以及功率邏輯開關(guān)共同組成換相裝置，使得直流無刷電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中由定子繞組所產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生永久磁場(chǎng)，在空間中始終保持在90左右的電角度，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。圖2-1是三相無刷直流電動(dòng)機(jī)星形連接全橋驅(qū)動(dòng)時(shí)的電路原理圖，采用兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)工作方式，在電機(jī)運(yùn)行過程中，霍爾位置傳感器不斷檢測(cè)電機(jī)以ANB為例表示電機(jī)A相到B相的正導(dǎo)通，其它以此類推。假設(shè)正轉(zhuǎn)(逆時(shí)針)過程中，在060期間，功率開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)為ANB，此時(shí)V1、V4導(dǎo)通，在60120期間，功率開關(guān)管導(dǎo)

21、通狀態(tài)為ANC，此時(shí)Vl、V6導(dǎo)通，其余時(shí)間類似，按照?qǐng)D2-2所示順序依次導(dǎo)通不同的開關(guān)管對(duì)。電子換相器的控制關(guān)鍵在于在檢測(cè)到當(dāng)前位置的同時(shí)開通下一個(gè)位置導(dǎo)通狀態(tài)的電子開關(guān)，經(jīng)分析各當(dāng)前位置與下一位置電子開關(guān)導(dǎo)通相的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2-1所示，結(jié)合圖2-1，還可以得到相應(yīng)的三三相電機(jī)星形連接全橋驅(qū)動(dòng)的各開關(guān)管通電規(guī)律如表2-2所示(“+”表示此相端點(diǎn)是電流流入，“-”表示此相端點(diǎn)是電流流出)。河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書5圖圖2-l 三相直流電機(jī)星形連接全橋驅(qū)動(dòng)電路AvuBCXZH1H2ANCBNCBNACNACNBANB旋轉(zhuǎn)方向WyH3圖2-2 電子換向器的工作原理表2-1 霍爾位置信號(hào)與

22、換相的關(guān)系+-V1V2V3V4V5V6ABC河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書6當(dāng)前位置（H1，H2，H3）下一位置導(dǎo)通相001BNC011BNA010CNA110CNB100ANB101ANC當(dāng)前位置（H3，H2，H1）下一位置導(dǎo)通相001BNC011BNA010CNA110CNB100ANB101ANC表2-2 三相星形連接全橋驅(qū)動(dòng)的通電規(guī)律河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書72.2 BLDC系統(tǒng)模型的建立設(shè)計(jì)框圖如圖2-3所示。BLDC建模仿真系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制方案：轉(zhuǎn)速環(huán)由PID調(diào)在matlab7.0的simulink環(huán)境下，利用SimPowerSystemToolbox提供的豐富模塊

23、庫，在分析BLDC數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了建立BLDC控制系統(tǒng)仿真模型的方法，系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)成，電流環(huán)由電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器構(gòu)成。根據(jù)模塊化建模的思想，將圖2-3所示的控制系統(tǒng)分割為各個(gè)功能獨(dú)立的子模塊。圖2-3即為BLDC建模的整體控制框圖，其中主要包括：BLDCM本體模塊、速度控制模塊、參考電流模塊、電流滯環(huán)控制模塊、轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊和電壓逆變器模塊。把這些功能模塊和s函數(shù)相結(jié)合，在matlabsimulink中搭建出BLDC控制系統(tǒng)的仿真模型，并實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)的控制算法。速度控制器每項(xiàng)參考電流電流滯環(huán)控制器電壓逆變器無刷直流電機(jī)電流檢測(cè)位置檢測(cè)參考速度I_arI_brI_crI_a I_b I_cPWM控

24、制圖2-3 BLDC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖通電順序正傳（逆時(shí)針）反轉(zhuǎn)（順時(shí)針）轉(zhuǎn)子位置（電角度）0606012012018018024024030030036036030030024024018018012012060600開關(guān)管1.41.63.63.25.25.43.61.61.45.45.23.2A相+-+-B相-+-+-+C相-+-+河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書83 PID調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)原理直流調(diào)速控制系統(tǒng)中最典型一種調(diào)速系統(tǒng)就是速度、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要完成開環(huán)調(diào)速、單閉環(huán)調(diào)速、雙閉環(huán)調(diào)速等過程，需要觀察比較多的性能，再加上計(jì)算參數(shù)較多，往往難以如意。如在設(shè)計(jì)過程中使用

25、 matlab 中的 simuLink 實(shí)用工具來輔助設(shè)計(jì)，由于它可以構(gòu)建被控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，直觀迅速觀察各點(diǎn)波形，因此調(diào)速系統(tǒng)性能的完善可以通過反復(fù)修改其動(dòng)態(tài)模型來完成，而不必對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行反復(fù)拆裝調(diào)試 matlab 中的動(dòng)態(tài)建模、仿真工具 simuLink 具有模塊組態(tài)方便，性能分析直觀等優(yōu)點(diǎn)，可縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，也可以給教學(xué)提供了虛擬的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器, 即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器(ACR), 分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流, 即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。兩者之間實(shí)行嵌套連接，且都帶有輸出限幅電路。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的

26、輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸出限幅電*imU壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。cmUdmU由于調(diào)速系統(tǒng)的主要被控量是轉(zhuǎn)速, 故把轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成的環(huán)作為外環(huán), 以保證電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確跟隨給定電壓, 把由電流負(fù)反饋組成的環(huán)作為內(nèi)環(huán), 把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書9制電力電子變換器 UPE，這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用 PI 調(diào)節(jié)器。這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由給定電壓、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、三相集成觸

27、發(fā)器、三相全控橋、直流電動(dòng)機(jī)及轉(zhuǎn)速、電流檢測(cè)裝置組成，其中主電路中串入平波電抗器，以抑制電流脈動(dòng)，消除因脈動(dòng)電流引起的電機(jī)發(fā)熱以及產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的不利影響。如圖 3-1 所示：給定電壓速速度度調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)器器電電流流調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)器器三三相相集集成成觸觸發(fā)發(fā)器器三三相相全全控控橋橋直直流流電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)電電流流檢檢測(cè)測(cè)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速檢檢測(cè)測(cè)Un*Un+-UnUi*Ui+-UcnUd圖 3-1 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)其原理圖如圖 3-2 所示：河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書10圖 3-2 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，可繪出電流、轉(zhuǎn)速雙閉直流調(diào)速系統(tǒng)

28、的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖 3-3 所示。3.2 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法校正環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方法很多，而且是很靈活的，用經(jīng)典的動(dòng)態(tài)校正方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器須同時(shí)解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾等各方面相互矛盾的靜動(dòng)態(tài)性能要求，需要設(shè)計(jì)者具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和熟練的設(shè)計(jì)技巧。這樣初學(xué)者往往不易掌握，在工程應(yīng)用中也不很方便。于是便產(chǎn)生建立更簡(jiǎn)便實(shí)用的工程設(shè)計(jì)方法。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 3-3 所示：河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書11圖 3-3 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖由于電流檢測(cè)信號(hào)中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其

29、濾波時(shí)間常數(shù)按需要選定，以濾平電流檢測(cè)信號(hào)為準(zhǔn)。然而，在抑制交流分量的同時(shí)，oiT濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號(hào)的作用，為了平衡這個(gè)延遲作用，在給定信號(hào)通道上加入一個(gè)等時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)用表示，根onT據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時(shí)間常數(shù)為的給定濾波onT環(huán)節(jié)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則是：先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。3.2.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)含給定濾波與反饋濾波的 PI 型電流調(diào)節(jié)器如圖 3-4 所示：河南理工大學(xué)畢業(yè)

30、設(shè)計(jì)（論文）說明書12圖 3-4 含給定濾波與反饋濾波的 PI 型電流調(diào)節(jié)器其中為電流給定電壓，為電流負(fù)反饋電壓，為電力電子變換器*iUdIcU的控制電壓。(1)確定時(shí)間常數(shù)三相橋式電路的平均失控時(shí)間為。0.0017sTs電流濾波時(shí)間常數(shù)本設(shè)計(jì)初始條件已給出，即。0.002oiTs電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。0.0037isoiTTTs(2)選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求：穩(wěn)態(tài)無靜差,超調(diào)量，可按典型 I 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路5%i調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用 PI 型電流調(diào)節(jié)器其傳遞函數(shù)為： （3-1）(1)( )iiACRiKsWss電磁時(shí)間常數(shù)。0.060.041.5lLTsR檢查對(duì)

31、電源電壓的抗擾性能：，參照典型 I 型系統(tǒng)動(dòng)0.0410.810.0037liTsTs態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表格，可知各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書13(3)計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：。0.04ilTs電流環(huán)開環(huán)增益：要求時(shí)，應(yīng)取，因此5%i0.5IiK T （3-2）10.50.5135.10.0037IiKsTsACR 的比例系數(shù)為 （3-135.1 0.04 1.51.4125 0.23IiisKRKK3）(4)檢驗(yàn)近似條件電流環(huán)截至頻率：1135.1ciIKs機(jī)電時(shí)間常數(shù) (3-4)223.921.50.36530375375 0.132

32、70.1327memGD RTssC C 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 （3-5）111196.133 0.0017cissTs滿足近似條件。 忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件 （3-6）1113324.830.3650.04cimlsT Tss 滿足近似條件。 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 （3-7）11111180.8330.00170.002cisoisTTss滿足近似條件。(5)計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書14由圖 3-4，按所用運(yùn)算放大器取，各電阻和電容值為040Rk ，取 （3-8）01.41 4056.4iiRK Rkk 56k ，取 （3-9

33、）30.040.71456 10iiiCFuFR0.75uF ，取 （3-10）3044 0.0020.240 10oioiTCFuFR0.2uF按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為，4.3%5%i滿足設(shè)計(jì)要求。3.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)含給定濾波與反饋濾波的 PI 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖 3-5 所示：圖 3-5 含給定濾波與反饋濾波的 PI 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器其中為轉(zhuǎn)速給定電壓，為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，：調(diào)節(jié)器的輸出是*nUn*iU電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。(1)確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)122 0.00370.0074iITssK河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書15轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)本設(shè)計(jì)初

34、始條件已給，即0.0025onTs轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)10.00740.00250.0099nonITTsssK(2)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用 PI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 (3-11)nnnnn2nemnnemn(1)(1)( )(1)(1)RKsKRsW ssC T s TsC T s Ts (3)計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則 ASR 的超前時(shí)間常數(shù)為5h 5 0.00990.0495nnhTss 轉(zhuǎn)速開環(huán)增益 22N2222n15 11224.422 50.0099hKssh TASR 的比例系數(shù)為emnn(1)(5 1) 0.23 0.1327 0.36

35、50.7922 5 0.57 1.5 0.0099hC TKh RT (4)檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率 (3-12)1111224.4 0.049560.6NcnNnKKss電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為 (3-13)1111135.163.7330.0037IcniKssT滿足簡(jiǎn)化條件。轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為 (3-14)1111135.177.5330.0025IcnonKssT滿足簡(jiǎn)化條件。河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書16(5)計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容取，則040Rk，取00.79 4031.6nnRK Rkk 33k，取30.04951.533 10nnnCFuFR1.5uF，取3

36、044 0.00250.2540 10ononTCFuFR0.3uF(6)校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)時(shí)，不能滿足設(shè)計(jì)要求。應(yīng)按 ASR 退飽和的情況重5h 37.6%n新計(jì)算超調(diào)量。(7)按 ASR 退飽和重新計(jì)算超調(diào)量過載倍數(shù)2dmdbldNdNIIIImax*17.5 1.50.00990.13272()()2 81.2% 21.16%8%15000.365NnnbmCn TzCnT 能滿足設(shè)計(jì)要求。河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書174 直流電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真分析為了提高本系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果，必須進(jìn)行復(fù)雜的參數(shù)調(diào)試，控制參數(shù)可以通過電機(jī)控制的數(shù)學(xué)模型來確定，但考慮到系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的種種不確定因素

37、，如被控電機(jī)本身的性能參數(shù)、環(huán)境溫度、信號(hào)干擾以及傳感器的測(cè)量精度等等。所以采用直接的數(shù)學(xué)模型參數(shù)確定的方法和實(shí)際運(yùn)行過程中的理想?yún)?shù)之間存在定的出入。直接解決的方法是反復(fù)試驗(yàn)，通過系統(tǒng)軟件的反復(fù)編程來改變控制參數(shù)設(shè)置，同時(shí)與實(shí)際輸出的控制效果相比較，從中找到最好的輸入輸出關(guān)系。該法固然非常直觀簡(jiǎn)單，但反復(fù)的調(diào)試試驗(yàn)顯然要增加系統(tǒng)的軟件負(fù)擔(dān)，而且通過這種簡(jiǎn)單的輸入輸出比較來確定控制參數(shù)的方法對(duì)不同運(yùn)行環(huán)境的適應(yīng)能力比較差。為減小反復(fù)調(diào)試的工作量，我們可以采用仿真軟件模擬的方法確定控制參數(shù)的取值。鑒于此，本章進(jìn)行了電機(jī)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仿真。4.1 動(dòng)態(tài)仿真工具SIMULINK簡(jiǎn)介SIMULI

38、NK是一個(gè)用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包。使用SIMULINK來建模、分析和仿真各種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)(包括連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和混合系統(tǒng))，將是一件非常輕松的事件。它提供了一種圖形化的交互環(huán)境，只需要用鼠標(biāo)拖動(dòng)的方法便能迅速地建立起系統(tǒng)框圖模型，甚至不需要編寫行代碼。它和MATLAB的無縫結(jié)合使得用戶可以利用MATLAB豐富的資源，建立仿真模型，監(jiān)控仿真過程，分析仿真結(jié)果。另外，SIMULINK在系統(tǒng)仿真領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛的承認(rèn)和應(yīng)用，許多專業(yè)的仿真系統(tǒng)都支持SIMULINK模型，這非常有利于代碼的重用和移植。使用SIMULINK可以方便地進(jìn)行控制系統(tǒng)、DSP系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)以及其他系統(tǒng)的仿真

39、分析和原型設(shè)計(jì)。河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書18SIMULINK強(qiáng)大的功能主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)交互式、圖形化的建模環(huán)境SIMULINK提供了豐富的模塊庫以幫助用戶快速地建立動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型。建模時(shí)只需要使用鼠標(biāo)拖放不同模塊庫中的系統(tǒng)模塊并將它們連接起來。另外，還可以把若干個(gè)功能塊組合成子系統(tǒng)，建立起分層的多級(jí)模型，SIMULINK提供的模型瀏器(model brower)可以使用戶方便地瀏覽整個(gè)模型的結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)。SIMULINK這種圖形化、交互式的建模過程非常直觀，且容易掌握。(2)交互式的仿真環(huán)境SIMULINK框圖提供了交互性很強(qiáng)的仿真環(huán)境，即可以通過下拉菜單執(zhí)行仿真，也可以通

40、過命令進(jìn)行仿真。菜單方式對(duì)于交互T作非常方便，而命令行方式對(duì)于運(yùn)行一大類仿真(如蒙特卡羅非常有用)。有了SIMULINK，用戶在仿真的同時(shí)，可采用交互或批處理的方式，方便地更換參數(shù)來進(jìn)行“whatif”式地分析仿真。仿真過程中各種狀態(tài)參數(shù)可以在仿真運(yùn)行同時(shí)通過示波器或者利用Actives技術(shù)的圖形窗口顯示。(3)專業(yè)模塊庫(block sets)作為SIMULINK建模系統(tǒng)的補(bǔ)充，Math Works公司還開發(fā)了專用功能塊程序包，如DSP Block set和Communication Block set等。通過使用這些程序包，用戶可以迅速地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真與分析。更重要的是用戶還可以對(duì)系

41、統(tǒng)模型進(jìn)行代碼生成，并將生成的代碼下載到不同的目標(biāo)機(jī)上?？梢哉f，Math Works為用戶從算法設(shè)計(jì)、建模仿真，一直到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)提供了完整的解決方案。而且，為了方便用戶系統(tǒng)的實(shí)施，Math Works公司還開發(fā)了實(shí)施軟件包，如TI和Motorola開發(fā)工具包，以方便用戶進(jìn)行目標(biāo)系統(tǒng)的開發(fā)。(4)提供了仿真庫的擴(kuò)充和定制機(jī)制SIMULINK的開放式結(jié)構(gòu)允許用戶可以擴(kuò)展仿真環(huán)境的功能：采用MATLAB、FORTRAN和c代碼生成自定義模塊庫，并擁有自己的圖標(biāo)和界面。因此用戶可以將使用FORTRANA或c編寫的代碼鏈結(jié)起來，或者購買使用第三方開發(fā)提供的模塊庫進(jìn)行更高級(jí)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真與分析。(5)與M

42、ATLAB工具箱的集成河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書19由于SIMULINK可以直接利用MATLAB的諸多資源和功能，因此用戶可以直接在SIMULINK下完成諸如數(shù)據(jù)分析、過程自動(dòng)化、參數(shù)優(yōu)化等工作。工具箱提供的高級(jí)的設(shè)計(jì)和分析功能可以融入仿真過程。簡(jiǎn)而言之，SIMULINK具有一下特點(diǎn)：基于矩陣的數(shù)值運(yùn)算高級(jí)編程語言圖形與可視化工具箱提供面向具體應(yīng)用領(lǐng)域的功能。豐富的數(shù)據(jù)IO工具。提供與其他高級(jí)語言的接口支持多平臺(tái)(PCMacintoshUNIX)。開發(fā)與可擴(kuò)展的體系結(jié)構(gòu)。4.2 三相無刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型由于建立無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的仿真模型，可以有效的節(jié)省控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)問，及時(shí)驗(yàn)證施

43、加于系統(tǒng)的控制算法，觀察系統(tǒng)的控制輸出；同時(shí)可以充分利用計(jì)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(dòng)和參數(shù)變化，以便考察系統(tǒng)在不同結(jié)構(gòu)和不同工況下的動(dòng)、靜態(tài)特性。因此，仿真已經(jīng)成為研究的重要手段。本章在建立無刷直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立了BLDCM控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真模型，利用該模型，進(jìn)行控制系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)。在建立數(shù)學(xué)模型以前，做如下假設(shè)：(1)三相定子繞組為60相帶集中繞組，星形連接；(2)不考慮齒槽效應(yīng)，電樞各相繞組結(jié)構(gòu)相同，各相繞組空間位置對(duì)稱；(3)忽略磁滯、渦流、集膚效應(yīng)和溫度對(duì)參數(shù)的影響，磁路不飽和；(4)轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組；(5)轉(zhuǎn)子磁密波形為梯形波；(6)不考

44、慮電樞反應(yīng)對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響。河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書20三相直流電動(dòng)機(jī)的主電路如圖41所示。無刷直流電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)波形為梯形波，電流波形為方波，它包含著較多的高次諧波成分，這意味著定子和轉(zhuǎn)子間的互感的空間變化規(guī)律為非正弦，并且直流電機(jī)的電感也為非線性，因此將BLDCM三相方程變換為Park方程是比較困難的。若將電感表示為級(jí)數(shù)形式，則可進(jìn)行這種變換，但運(yùn)算繁瑣。若僅僅取其基波進(jìn)行變換，誤差則較大，而直接利用電動(dòng)機(jī)原有的相變量，即abc坐標(biāo)系中的變量，來建立數(shù)學(xué)模型則比較方便，獲得的結(jié)果也足夠準(zhǔn)確。BLDCMVdc+-T1T2T3T4T5T6D1D2D3D4D5D6圖4-1 三相直流電機(jī)

45、的主電路圖直流電機(jī)等效電路圖4-2，令R =R =R =R；L =L =L =L；ABCABCL=L=L= M ，其中R為定子每相繞組的電阻，L為相繞組的自感，M為ABBCCA相繞組之間的互感，可以得到直流電機(jī)的A相電壓方程。uALLLMMM+-+-+-uBuCRARBRCeAeBeC河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書21圖4-2 三相直流電機(jī)等效電路圖 u = Ri + + u =Ri + + + uaadtdanadtdamdtdan = Ri + + L + i + u addamdtdiaaddLn = Ri + e + L + i + u (4-1)aadtdiaaddLn 同理可得

46、B，C相的端電壓方程 u = Ri + e + L + i + u (4-2)bbbdtdibbddLn u = Ri + e + L + i + u (4-3)cccdtdiccddLn式中：u ，u ，u 每相繞組端電壓abci ，i ，i 每相繞組電流abc= + 為A相繞組磁鏈，其中為主磁鏈，為漏磁鏈aamaamaR，L為每相繞組電阻和電感e ，e ，e 為每相繞組主磁通感應(yīng)電勢(shì)abc為轉(zhuǎn)子電角速度u 為定子繞組中性點(diǎn)電壓，由電機(jī)本體結(jié)構(gòu)決定，在 360電角度轉(zhuǎn)n子的磁阻不隨轉(zhuǎn)子的位置變化而變化，即每相繞組漏電感等效為常數(shù)，=0dtdL所以(4-1)、(4-2)、(4-3)可以整理為：

47、u = Ri + e + L + u （4-4）aaadtdian河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書22u = Ri + e + L + u （4-5）bbbdtdibnu = Ri + e + L + u （4-6）cccdtdicn整理成矩陣形式為： = + (4-7)CBAuuuR 0 0 0 R 0 0 0 R CBAiiiLLL000000電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程為： T = （e i +e i +e i ）/ (4-8)eAABBCCr電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程： = （T T -B）/J (4-9) dtdreLr式(4-8) 、（4-9）中，T ：為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；eT ：為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；L:為轉(zhuǎn)子機(jī)械

48、角速度；rJ：為轉(zhuǎn)子和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；B:為阻力系數(shù)。4.3 直流電機(jī)控制系統(tǒng)模型的建立無刷直流電機(jī)由定子三相繞組、永磁轉(zhuǎn)子、逆變器、轉(zhuǎn)予磁極位置檢測(cè)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(chǎng)，定子采用整距集中繞組，由逆變器供給方波電流。BLDC氣隙磁場(chǎng)感應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)和相電流之間的關(guān)系，如圖4-3所示。由于BLDC的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為梯形波；包含有較多的高次諧波，并且BLDC的電感為非線性，在此，采用感應(yīng)電河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書23動(dòng)機(jī)等d、q變換理論進(jìn)行分析并不是很有效的方法，而在分析和仿真BLDC控制系統(tǒng)時(shí)，直接采用相變量法，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置，采用分段線性表

49、示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。本文以兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)為例，分析BLDC的數(shù)學(xué)模型及電磁轉(zhuǎn)矩等特性。為了便于分析，假定：（1）三相繞組完全對(duì)稱，氣息磁場(chǎng)為方波，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)分布皆對(duì)稱；e,eaia2ai圖4-3 A相反電動(dòng)勢(shì)和電流波形（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)分部；（4）磁路不飽和，不計(jì)渦流和磁滯損耗。則根據(jù)BLDC特性，可建立其電壓、轉(zhuǎn)矩、狀態(tài)方程以及等效的BLDC電路。4.3.1 電壓方程BLDC三相定子電壓的平衡方程可用以下的狀態(tài)方程表示：=+P + (4-10)cbauuucbaRRR000000cbaiiiccbcabcbbaacabaL

50、LLLLLLLLcbaiiicbaeee河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書24式中，u ，u ，u 為三相定子電壓(v)；e ，e ，e 為三相定子的反電動(dòng)勢(shì)(v)；abcabci ,i ,i 為三相定子電流(A)；L ，L ,L 為三相定子自感.L,L,L,L,L,Labcabcabacbabcca為三相定子繞組間的互感(H)；R ，R ，R 為三相定子繞組的相電阻cbabc(；P為三相微分算子()。）dtd由電機(jī)的結(jié)構(gòu)決定，在360電角度內(nèi)，轉(zhuǎn)子的礠阻不隨轉(zhuǎn)子的變化而變化，并假定三相繞組對(duì)稱，則有：L = L = L =L， L= L= L= L= L= L= M，R = R = R =

51、R。abcabacbabccacbabc由于三相對(duì)稱的電機(jī)中，i + i + i =0，以及M + M =M ，則式abcibicia（1）可改寫為：=+P + (4-11)cbauuucbaRRR000000cbaiiiMLMLML000000cbaiiicbaeee4.3.2 轉(zhuǎn)矩方程BLDC的電磁轉(zhuǎn)矩方程可表示為：T = (4-12)eccbbaaieieie其中，為BLDC的角速度（）。BLDC的運(yùn)動(dòng)方程可表示為：sradT =T+B+J (4-13)edtd其中，B為阻尼系數(shù)(Nmsrad)。J為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣(kgm )，T 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩2L(Nm)。4.3.3 狀態(tài)方程由(2)式的電

52、壓方程，可得BLDC的狀態(tài)方程：河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書25P = (4-14)cbaiiiMLMLML100010001cbacbacbaeeeiiiRRRuuu0000004.3.4 等效電路由BLDC的電壓方程，可以將其等效地表示為圖4-4所示的等效電路，BLDC的每相由定子繞組R，電感（L-M）及一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)e串聯(lián)構(gòu)成。RRRL-ML-ML-Muaubuciaibic圖4-4 永磁無刷直流電機(jī)等效電路圖4.3.5 BLDCM本體模塊在整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型中，BLDCM本體模塊是最重要的部分，該模塊根據(jù)BLDC電壓方程式(2)求取BLDC三相相電流。由電壓方程式(2)可得，要獲得

53、三相電流信號(hào)i 、i 、i ，必需首先求得三abc相反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)ea、eb、ec。而BLDC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BLDC仿真建模的關(guān)鍵問題之一。目前求取反電動(dòng)勢(shì)較常用的三種方法為：(1)有限元法，應(yīng)用有限元法求得的反電動(dòng)勢(shì)脈動(dòng)小，精度高，但方法復(fù)雜、專業(yè)性強(qiáng)、不易推廣。(2)傅立葉變換(FFT)法,FFT法應(yīng)用簡(jiǎn)單，但需河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書26要進(jìn)行大量三角函數(shù)值的計(jì)算，對(duì)仿真速度影響較大。(3)分段線性法，如圖4-9所

54、示，將一個(gè)運(yùn)行周期0-360分為6個(gè)階段，每60為一個(gè)換相階段，每一相的每一個(gè)運(yùn)行階段都可用一段直線進(jìn)行表示，根據(jù)某一時(shí)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。因而，本文采用分段線性法建立梯形波反電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)的波形如圖4-7所示。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(hào)，就可以求出各相反電動(dòng)勢(shì)變化軌跡的直線方程；其它5個(gè)階段，也是如此。據(jù)此規(guī)律，可 n-refnIsIsPosI_arI_aI_brI_bI_crI

55、_cPulsePulse+-ABC+-K-+-+-+-+-UaUbUcTLIaIbPosIceaebecThetawTe-K-+-K-ReferencespeedSpeed controllerReferenceCurrentIGBT InverterCurrentcontrollerGainGain 1Gain 2PulseGeneratorBLDCmodS-FunctionieDiscreteTs=0.0001snIaIbIceaebecTeTen圖4-5 matIab/simulink中BLDC仿真建模整體控制框河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書2745emf456+-+-+-K-K-K

56、-1/S1/S1/S123RRRWPosS-Functionecebea123UaUcUbIcIbIaIntegrator 1Integrator 2Integrator 3GainGain 1Gain 2Gain 3Gain 4Gain 5UaUbUcWPosIaIbIceaebecBLDCM圖4-6 BLDCM本體模塊結(jié)構(gòu)框圖及其封裝以推得轉(zhuǎn)子位置和反電動(dòng)勢(shì)之間的線性關(guān)系，如表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(dòng)勢(shì)的求取問題。河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書28EmEa-EmEmEa-EmEmEa-Em2PosPosPos圖4-7 三相反電動(dòng)勢(shì)波形4.3.6

57、 電流滯環(huán)控制模塊在這個(gè)仿真模塊中采用滯環(huán)控制原理來實(shí)現(xiàn)電流的調(diào)節(jié)，使得實(shí)際電流隨給定電流的變化。圖4-8表示的是滯環(huán)型PWM逆變器的工作原理。其工作原理是：當(dāng)給定電流值與反饋電流值的瞬時(shí)值之差達(dá)到滯環(huán)寬度正邊緣時(shí)，逆變器的開關(guān)管VTl導(dǎo)通，開關(guān)管VT4關(guān)斷，電動(dòng)機(jī)接通直流母線的正端，電流開始上升。反之，當(dāng)給定電流值與反饋電流值的瞬時(shí)值之差達(dá)到滯環(huán)寬度負(fù)邊緣時(shí)，逆變器的開關(guān)管VTl關(guān)斷，開關(guān)管VT4導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)接通直流母線的負(fù)端，電流開始下降。選擇適當(dāng)?shù)臏h(huán)環(huán)寬，即可使實(shí)際電流不斷跟蹤參考電流的波形，實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制。模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖4-9所示，輸入為三相參考電流和三相實(shí)際電流，輸出為PWM逆

58、變器控制信號(hào)。表4-1中：k為反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)(V(rmin)，Pos為電角度信號(hào)(rad)，w為轉(zhuǎn)速信號(hào)(rads)。河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書29表4-1 轉(zhuǎn)子位置和反電動(dòng)勢(shì)之間的線性關(guān)系表轉(zhuǎn)子位置EaEbEc03k*wk*wk*w*(Pos)/()+1)6332k*wk*w*( Pos5*)/()36-1)k*w32k*w*(2*Pos)3/()+1)6k*wk*w34k*wk*wk*w*( Pos)/()-1)63435k*wk*w*(4*Pos)3/()+1) k*w6k*w235k*w*( Pos5*)/()36-1)k*wk*w河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書30給定正弦波

59、發(fā)生器+驅(qū)動(dòng)電路電流檢測(cè)HB設(shè)定i*-iVT1VT2電流滯環(huán)控制器定子電流(a) 滯環(huán)電流跟蹤型PWM逆變器單項(xiàng)結(jié)構(gòu)示意圖HBii*axax00(b) 滯環(huán)電流跟蹤型PWM逆變器輸出電流電壓波形圖4-8 滯環(huán)電流跟蹤型PWM逆變器的工作原理12+-+-34+-55booleanNOTdoublebooleanNOTdoublebooleanNOTdouble1I-arI-aI-brI-bI-crI-cPulseRelayRelay1Relay2PulseCurrentcontrollerI-arI-aI-brI-bI-crI-c圖4-9 電流滯環(huán)控制模塊結(jié)構(gòu)框圖及其封裝4.3.7 速度控制模塊

60、速度調(diào)節(jié)采用離散PID算法，以獲得最佳的動(dòng)態(tài)效果。速度為積分的參數(shù)，河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書31Kd為微分的參數(shù)?？刂颇K的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，如圖4-10所示，單輸入：參考轉(zhuǎn)速(n_ref)和實(shí)際轉(zhuǎn)速(n)的差值，單輸出：三相參考相電流的幅值Is。其中，Kp為PID控制器中比例的參數(shù)，Ki為積分的參數(shù)，Kd為微分的參數(shù)。Saturation飽和限幅模塊將輸出的三相參考相電流的幅值限定在要求范圍內(nèi)。11K TsZ-12z-1Ts+2*TcD.z+Ts-2*TcD+KdKpKiError(a) 離散PID控制器11+-PID1n-refnIsn-refnDiscredePID Control