基于Matlab的無刷直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)研究

1、河南工業(yè)大學 控制系統(tǒng)仿真姓 名： XXX 班 級： 自動0901班 學 號： 200948280105 成 績： 2012年 11月 8 日設(shè)計題目基于Matlab的無刷直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)研究設(shè)計內(nèi)容和要求1分析無刷直流電機的數(shù)學模型,2 建立雙閉環(huán)的數(shù)學模型3 利用Matlab中的Simulink對無刷直流電機進行建模,并在此基礎(chǔ)上進行了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真. 報告主要章節(jié)第一章 無刷直流電機介紹1.1無刷直流電機簡介1.2無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和未來發(fā)展1.3 本設(shè)計的主要內(nèi)容第二章 無刷直流電機原理 2.1 無刷直流電機的概述2.2無刷直流電機數(shù)學模型第三章雙閉環(huán)直流調(diào)速系

2、統(tǒng)的理論設(shè)計3.1 系統(tǒng)工作原理3.2系統(tǒng)的參數(shù)描述3.3電流環(huán)與轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計3.4 matlab與simulink仿真總結(jié)參考文獻基于Matlab的無刷直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)研究第一章 無刷直流電機介紹1.1 無刷直流電機簡介無刷直流電機由電動機主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。 無刷電機是指無電刷和換向器(或集電環(huán))的電機，又稱無換向器電機。早在上世紀誕生電機的時候，產(chǎn)生的實用性電機就是無刷形式，即交流鼠籠式異步電動機，這種電動機得到了廣泛的應(yīng)用。但是，異步電動機有許多無法克服的缺陷，以致電機技術(shù)發(fā)展緩慢。本世紀中葉誕生了晶體管，因而采用晶體管換向電路代替電刷與換向器的直流無

3、刷電機就應(yīng)運而生了。這種新型無刷電機稱為電子換向式直流電機，它克服了第一代無刷電機的缺陷。1.2無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和未來發(fā)展目前國內(nèi)外無刷直流電機的一般控制技術(shù)應(yīng)經(jīng)比較成熟，但日本和美國具有較先進的無刷直流電機制造與控制技術(shù)。特別是日本在民用方面較為突出，而美國則在軍工方面更加先進。當前的研究熱點主要集中在以下三個方面：研究無位置傳感器控制技術(shù)以提高系統(tǒng)可靠性，并進一步縮小電機尺寸與重量；從電機設(shè)計和控制方法等方面出發(fā)，研究無刷直流電機轉(zhuǎn)矩波動抑制從而提高其伺服 ，擴大應(yīng)用范圍；設(shè)計可靠小巧，通用性強的集成化無刷直流電機控制器。無位置傳感器控制技術(shù)：傳統(tǒng)的無刷直流電機通過位置傳感器

4、來直接檢測電機轉(zhuǎn)子的位置。無位置傳感器控制技術(shù)主要通過電機內(nèi)易獲取的電壓或電流信號，經(jīng)過一定的算法處理，得到轉(zhuǎn)子位置信號，也稱為轉(zhuǎn)子位置簡介檢測法。目前檢測方法主要有：反電勢法；電感法；磁鏈法；續(xù)流二極管法；觀測器估計法；智能估計法等。其中反電勢法原理簡單應(yīng)用較為廣泛。采用無位置傳感器控制的無刷直流電機一般較難直接起動，因此其起動問題一直是研究的熱點和難點。利用反電勢法檢測轉(zhuǎn)子位置的無刷直流電機三段式起動方法已經(jīng)比較成熟，該方法從電機起動到穩(wěn)定運行可分為三個階段：定子定位、加速和切換。其他無位置傳感器控制下的電機起動方法，如預(yù)定位起動、升頻升壓同步起動法和短時檢測脈沖轉(zhuǎn)子定位法等也都有了一定的

5、應(yīng)用。1.3 本設(shè)計主要內(nèi)容本設(shè)計從直流電動機的工作原理入手，建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型，并詳細分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能。然后按照自動控制原理，對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)進行分析和計算，利用Simulink對系統(tǒng)進行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。第二章 無刷直流電動機數(shù)學模型以兩極三相無刷直流電機為例來說明數(shù)學模型的建立過程。電機定子繞組為Y接集中整距繞組，轉(zhuǎn)子采用隱極內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，3個霍爾元件在空間相隔120°對稱放置。在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，另作如下假設(shè)以簡化分析過程：(1) 忽略電機鐵心飽和，不計渦流損耗和磁滯損耗；(2) 不計電樞反應(yīng)，氣息磁場

6、分布近似認為是平頂寬度為120°電角度的梯形波；(3) 忽略齒槽效應(yīng)，電樞導(dǎo)體連續(xù)均勻分布于電樞表面；(4) 驅(qū)動系統(tǒng)逆變電路的功率器件和續(xù)流二極管均具有理想的開關(guān)特性?？傻萌嗬@組電壓平衡方程為： (2-2)式中： ua ub uc 定子繞組相電壓(V)ia ib ic定子繞組相電流(A)ea eb ec 定子繞組相電動勢(V)P 微分算子P=L 每相繞組的自感(H)M 每兩相繞組的互感(H)由于轉(zhuǎn)子磁阻不隨轉(zhuǎn)子的位置變化而變化，因此，定子繞組的自感和互感為常數(shù)當三相繞組為Y連接，并且沒有中線時，則有：ia+ib+ic=0Mib+Mic=-Mia將式式代入式可得電壓方程為：(2-3

7、)電磁轉(zhuǎn)矩為：Td=(eaia+ebib+ecic) (2-4)式中： 電機的角速度(rad/s)在通電期間，直流無刷電動機的帶電導(dǎo)體處于相同的磁場下，各相繞組的感應(yīng)電動勢為： (2-5)式中：pm 極對數(shù) N 總導(dǎo)體數(shù) m 主磁通 n 電動機轉(zhuǎn)速從變頻器的直流端看，Y型聯(lián)結(jié)的無刷直流電機的感應(yīng)電動勢E。由兩相繞組經(jīng)逆變器串聯(lián)組成，所以有 (2-6)因此，電磁轉(zhuǎn)矩表達式可化為： (2-7)式中：Id 方波電流的幅值 電機的角速度， 由式(2-6)可以看出，直流無刷方波電機的電磁轉(zhuǎn)矩表達式與普通直流電機相同，其電磁轉(zhuǎn)矩大小與磁通和電流的幅值成正比，所以控制逆變器輸出方波電流的幅值即可控制直流無刷

8、方波電機的轉(zhuǎn)矩。另外電動機轉(zhuǎn)子的運動方程為： (2-8)進一步化簡可得 (2-9)式中： 負載轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)子與負載的轉(zhuǎn)動慣量 粘滯阻尼系數(shù)由于本系統(tǒng)采用120°型三相逆變器，任一時刻只有兩相通電，直流無刷方波電機的輸出相電壓幅值為，因此，對于每相繞組有如下動態(tài)方程式： (2-10)式中： 電源電壓忽略粘性摩擦，電動機的轉(zhuǎn)矩平衡方程式為： (2-11)由式(2-10)可得： (2-12)對式(2-9)和式(2-11)兩邊分別進行拉式變換后得： (2-13) (2-14)聯(lián)合式(2-13)和式(2-14)，并考慮到，得到直流無刷方波電機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖所示。第三章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理

9、論設(shè)計 3.1系統(tǒng)的工作原理 3.1.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作過程和原理：電動機在啟動階段，電動機的實際轉(zhuǎn)速(電壓)低于給定值,速度調(diào)節(jié)器的輸入端存在一個偏差信號，經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值,速度調(diào)節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài),速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調(diào)節(jié)器, 此時則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號,直流電壓迅速上升,電流也隨即增大直到等于最大給定值, 電動機以最大電流恒流加速啟動。電動機的最大電流(堵轉(zhuǎn)電流)可以通過整定速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值來改變。在電動機轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速后, 速度調(diào)節(jié)器輸入端的偏差信號減小到近于零,速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器退出飽和

10、狀態(tài),閉環(huán)調(diào)節(jié)開始起作用。對負載引起的轉(zhuǎn)速波動,速度調(diào)節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號將隨時通過速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器來修正觸發(fā)器的移相電壓,使整流橋輸出的直流電壓相應(yīng)變化,從而校正和補償電動機的轉(zhuǎn)速偏差。另外電流調(diào)節(jié)器的小時間常數(shù), 還能夠?qū)σ螂娋W(wǎng)波動引起的電動機電樞電流的變化進行快速調(diào)節(jié),可以在電動機轉(zhuǎn)速還未來得及發(fā)生改變時,迅速使電流恢復(fù)到原來值,從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉(zhuǎn)速下運行。 3.1.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。兩者之間實行嵌套連接，如圖11所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作

11、電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)其中：ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR-電流調(diào)節(jié)器 TG-測速發(fā)電機 TA-電流互感器 UPE-電力電子變換器 -轉(zhuǎn)速給定電壓 Un-轉(zhuǎn)速反饋電壓 -電流給定電壓 -電流反饋電壓 3.1.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)一般來說，我們總希望在最大電流受限制的情況下，盡量發(fā)揮直流電動機的過載能力，使電力拖動控制系統(tǒng)以盡可能大的加速度起動，達到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，電流應(yīng)快速下降，保證輸出轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩平衡，進入穩(wěn)定運

12、行狀態(tài)。這種理想的起動過程如圖2所示。0nnt 圖2理想啟動過程圖3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖參考雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)圖和一些電力電子的知識，采用機理分析法可以得到雙閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。3.2系統(tǒng)的參數(shù)描述參數(shù)： 3.3電流環(huán)與轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計在設(shè)計雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時，一般是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)，調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)取決于穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)校正的要求，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)校正的設(shè)計與調(diào)試都是按先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的順序進行，在動態(tài)過程中可以認為外環(huán)對內(nèi)環(huán)幾乎無影響，而內(nèi)環(huán)則是外環(huán)的一個組成環(huán)節(jié)3。工程設(shè)計的步驟如下：1對已知系統(tǒng)的固有特性做恰當?shù)淖儞Q和近似處理，以簡化調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)。2根據(jù)具體情況選定預(yù)期特性，即典型系統(tǒng)

13、或典型系統(tǒng)，并按照零極點相消的原則，確定串聯(lián)調(diào)節(jié)器的類型。3根據(jù)要求的性能指標，確定調(diào)節(jié)器的有關(guān)P、I、D參數(shù)。4校正 3.3.1電流環(huán)的設(shè)計1、電流環(huán)的簡化：圖4簡化后電流環(huán)按典型I型系統(tǒng)設(shè)計，ACR選PI調(diào)節(jié)器。i=Tl，Ki=（KiKs）÷(iR)2、確定時間常數(shù)（1）整流裝置滯后時間常數(shù)。三相橋式電路的平均失控時間；（2）電流濾波時間常數(shù)。三相橋式電路每個波頭的時間是3.33ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有，因此取；（3）電流環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取。3、確定將電流環(huán)設(shè)計成何種典型系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計要求，而且，因此，電流環(huán)可按典型型系統(tǒng)設(shè)計。4、電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇電流調(diào)

14、節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為：5、選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)ACR超前時間常數(shù)：；電流環(huán)開環(huán)增益：因為要求，故應(yīng)取，因此于是，ACR的比例系數(shù)為。6、計算電流調(diào)節(jié)器的電路參數(shù)圖5 電流調(diào)節(jié)器原理圖電流調(diào)節(jié)器原理如圖5所示，按所用運算放大器，取，各電阻和電容值計算如下：，取；，?。?，取。3.3.2轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計1、轉(zhuǎn)速環(huán)的簡化：U*n(s)aIdL(s)n (s)+-ASRCeTmsRId (s)a /b TSns+1+-圖6 簡化后的轉(zhuǎn)速環(huán)2、確定時間常數(shù)：（1）電流環(huán)等效時間常數(shù)為；（2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)。根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，?。唬?）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取。3、轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計

15、系統(tǒng)：由于設(shè)計要求轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；有根據(jù)動態(tài)設(shè)計要求，應(yīng)按典型型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。4、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為：。5、選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗干擾性能都較好的原則取h=5，則ASR超前時間常數(shù)：；轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：；于是ASR的比例系數(shù)為：。6、計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電路參數(shù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖7所示，按所用運算放大器，取，各電阻和電容值計算如下：，??；，?。?，取。圖7 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖2系統(tǒng)仿真雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)定量仿真模型：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)定量仿真結(jié)果：轉(zhuǎn)速環(huán)空載高速啟動轉(zhuǎn)速環(huán)滿載高速啟動轉(zhuǎn)速環(huán)的抗擾分析：可以使電流快速達到，并保持略低于的值

16、，實現(xiàn)快速啟動，最終達到恒速。且具有抗擾作用，使轉(zhuǎn)速維持在給定值。空載能比滿載更快速啟動。小結(jié)本文通過建立直流電機轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學模型設(shè)計，根據(jù)具體指標參數(shù)，應(yīng)用工程方法設(shè)計了電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，設(shè)計中選擇合適的調(diào)節(jié)器類型，給出了系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖并進行了仿真和性能分析。結(jié)合直流無刷電機和高等數(shù)學的基本知識建立了直流無刷電機的數(shù)學模型，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。并利用MATLAB及其中的仿真工具Simulink，對所設(shè)計的電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的階躍信號進行了仿真計算，很容易繪制出各單位擾動曲線，并計算出階躍擾動響應(yīng)性能指標，從階躍擾動響應(yīng)曲線及其指標得出:對擾動信號，該系統(tǒng)具有很強的抗擾性能。 由仿真計算結(jié)果表明，利用MATLAB的simulink對各調(diào)速系統(tǒng)進行仿真設(shè)計，可以迅速直觀地分析出系統(tǒng)的跟隨性能、抗擾性能及穩(wěn)定性，使得對系統(tǒng)進行分析、設(shè)計及校正變得更簡單方便，大大縮短了系統(tǒng)調(diào)試周期，提