無刷直流電機電流滯環(huán)控制策略仿真

1、江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文）學 院電氣與信息工程學院專 業(yè)電氣工程及其自動化學生姓名班級學號指導教師魏海峰二零一四年六月江蘇科技大學本科畢業(yè)論文無刷直流電機電流滯環(huán)控制策略no current hysteresis loop control strategy of dc motor江蘇科技大學畢業(yè)設計（論文）任務書學院名稱：電氣與信息工程學院專 業(yè)：電氣工程及其自動化學生姓名： 學號：指導教師： 魏海峰職 稱：副教授畢業(yè)設計(論文)題目：無刷直流電機電流滯環(huán)控制策略一、畢業(yè)設計(論文)內容及要求(包括原始數據、技術耍求、達 到的指標和應做的實驗等)1提供條件：無刷直流電機的相關資料，mat

2、lab仿真軟件2設計內容與要求：(1) 掌握無刷直流電機的原理、結構和模型；(2) 掌握仿真軟件matlab/simulink的使用；(3) 在matlab/simulink中構建無刷直流電機電流滯環(huán)控制系統；(4) 撰寫論文，通過答辯。ill二、完成后應交的作業(yè)（包括各種說明書、圖紙等）（1）畢業(yè)設計論文：一份（不少于1.5萬字）；（2）外文譯文：一篇（不少于5000英文單詞）；（3）無刷直流電機電流滯環(huán)控制系統仿真模型：一套；三、完成ei期及進度2013年3月17日至2013年6月13日，共13周。進度安排：3.17-4.7：熟悉任務要求,查閱資料，翻譯外文資料；4.5- 5.5：學習、掌

3、握無刷直流電機的原理、結構和模型，完成開題報告 及外文資料翻譯；5.5- 5.19：學習、掌握 matlab/simulink 的使用；5.20-6.1：在matlab/simulink屮構建無刷直流電機的電流滯環(huán)控制系統 仿真模型，并調試；6一6.13：撰寫畢業(yè)論文、答辯。四、主要參考資料（包括書刊名稱、出版年月等）：（1）湯蘊參，羅應立，梁艷萍.電機學（第三版）機械工業(yè)出版社,2008.（2）張琛.無刷直流電動機原理及應用（第二版）.機械工業(yè)出版社,2004.（3）王兆安，黃俊.電力電子技術（第四版）.機械工業(yè)出版社,2005.（4）陳們吋.電力拖動自動控制系統運動控制系統（第三版）.機械

4、 工業(yè)出版社，2004.（5）張志涌.精通matlab 6.5版教程.北京航天航空大學出版社,2005.（6）潘曉.matlab電機仿真糟華50例.電了工業(yè)出版社,2007.系（教研室）主任：（簽章）年月日學院主管領導：（簽章）年月日摘要眾所周知，無刷直流屯動機控制系統具冇新型的調速系統。它具冇結構簡單、 運行可靠、維修方便、調速性能好等優(yōu)點。它采用電子換相裝置代替?zhèn)鹘y的有刷 直流電動機中的電刷，解決了電機在運行中由電刷產生的摩擦引發(fā)的一些不良影 響。它運行性能高、控制方式簡便、能夠產生很好的經濟效益、發(fā)展?jié)摿薮蟆?由于電力電了技術的飛速發(fā)展，無刷直流電動機的發(fā)展也口益突出?，F如今，無 刷直

5、流電動機在工農業(yè)生產以及人們的f1常生活中獲得了更為普遍的使用。由于 工業(yè)牛產對電動機控制精度的要求，無刷直流電機對其驅動系統穩(wěn)定性與及吋性 的要求越來越高，這就要求我們采取合理的控制系統，在電動機的發(fā)展中是極為 重耍的。木文采用pi控制器來調節(jié)速度，電流控制器采用電流滯環(huán)控制，從而形成 無刷直流電動機電流滯環(huán)控制系統。本文中簡單地描述了電機的基本結構，分析 了電機的工作原理。在matlab/simulink環(huán)境下運用各個相關的獨立功能模塊來 搭建無刷直流電機的數學模型，從而實現對無刷直流電動機電流滯環(huán)控制系統實 行仿真。仿真和試驗結果與理論分析一致，驗證了該方法的合理性和冇效性。此 方法也適

6、用于驗證其他控制算法的合理性，為實際電機控制系統的設計和調試提 供了新的思路。關鍵詞： 無刷直流電機，matlab/simulink仿真，電流滯環(huán)控制系統abstractas everyone knows, the control system of brushless dc motor with speed control system model. it has the advantages of simple structure, reliable operation, convenient repair, good speed performance etc. it uses elec

7、tronic commutation device instead of the traditional electric brush dc motor, solved some adverse effects on the running of the motor by the brush friction generated by. its high running performance, control mode is simple, can produce good economic benefits, a huge potential for development. becaus

8、e of the rapid development of power electronics technology, the development of the brushless dc motor is also increasingly prominent. nowadays, the brushless dc motor in industrial and agricultural production and people's daily life was more widely used. industrial production due to the motor co

9、ntrol precision, brushless dc motor to drive the system stability and timeliness of the increasingly high demand, which requires us to take reasonable control system, the motor development is extremely important.this paper uses pi controller to adjust the speed, current controller based on hysteresi

10、s current control, thus forming a brushless dc motor hysteresis current control system. this paper describes the basic structure of motor, analyzes the working principle of moto匸 in the matlab/simulink environment using the independent functional modules related to build the mathematical model of br

11、ushless dc motor, so as to realize the simulation of brushless dc motor based on hysteresis current control system. simulation and experimental results agree with the theoretical analysis, verified the rationality and validity of the method. this method can be applied to verify the rationality of ot

12、her control algorithms, and provides a new idea for the design and debugging of the actual control system of motor.keywords： bldcm; matlab/simulink simulation; hysteresis current;目錄第一章緒論11.1研究背景11.2研究現狀與分析21.3研究口的及意義41.4本文的主要內容5第二章無刷直流電機的結構、原理及數學模型62. 1無刷直流電機的基木結構62. 1. 1電動機本體62.1.2電子開關電路72. 1.3位置傳感

13、器82.2無刷直流電機的工作原理92.3無刷直流電動機的數學模型122. 3. 1無刷直流電機的電壓方程122. 3.2電磁轉矩132. 3. 3狀態(tài)方程132. 3.4電機的等效電路圖14第三章無刷直流電機電流滯環(huán)控制策略153.1轉速、電流反饋控制直流調速系統153.1.1轉速、電流反饋控制直流調速系統的組成及其靜特性153. 1.2轉速、電流反饋控制直流調速系統的數學模型與動態(tài)過程分析163.2電流滯環(huán)控制原理183.3轉速pi調節(jié)器原理和分析183. 3. 1 pid調節(jié)器的原理193. 3.2雙閉環(huán)pi調節(jié)的分析19第四章基于matlab的無刷直流電機電流滯環(huán)控制214matlab/

14、simulink 的介紹214. 1. 1 matlab的簡介214. 1. 2 sinrjlink的優(yōu)點與創(chuàng)建模型步驟214.2無刷直流電機電流滯環(huán)控制系統各模塊的建立224.2. 1電機本體模塊224.2.2轉矩計算模塊264. 2.3轉速計算模塊274. 2.4電流滯環(huán)控制模塊274.2.5速度控制模塊284.2.6參考電流模塊284.2.7電壓逆變器模塊294. 2.8位置傳感器模塊314.3無刷直流電動機電流滯環(huán)控制系統總圖32第五章系統仿真與結果分析335.1仿真結果335.2結論40結語41致謝42參考文獻43第一章緒論1.1研究背景在一百多年的時間里，電動機的發(fā)展己經得到了許多

15、的變革，種類也呈現多 樣性，但現在最常見也是最主耍的是同步電動機、異步電動機和直流電動機這三 類。電動機的作用也就是充當轉換裝置，來進行機電能量的轉換。三種電機運行, 我們都知道，直流電機具有效率高、調速性能好等諸多優(yōu)點，但一切都應該一分 為二看，直流電機屮存在的一些不足。傳統直流電機以機械形式進行換向，存在 火花、無線電干預、噪聲和壽命短等嚴重弊端，還有一些缺陷是這些傳統直流電 機的結構制造、材料選取使得其進行產品生產的成本很高和維護修理也較為麻 煩，不管是工業(yè)還是民用方面都有很大的限制。在這種情況廠使得目而許多的 工工業(yè)、農業(yè)、制造業(yè)等一些生產活動中使用少冇直流電動機的身影，取而代之 的是

16、三相異步電動機。無刷直流電動機與有刷直流電動機木質的不同是沒有機械換向器（通常稱為 換向器）電刷換向機構和機械接觸點相對運動。無刷直流電動機中的轉子位置轉 換器采用永磁磁鐵制成，其屬于電子換相器的范疇。轉子位置轉換器由兩部分組 成，其中包折功率開關線路以及電子邏輯電路。無刷直流電動機與有刷直流電動 機換向裝置冇差異，但它仍然可以將直流電源在電機內變頻交流電，將電能傳化 為機械能驅動電機的轉動。無刷直流電動機既保持住了有刷直流電動機優(yōu)異的調 速性能，也克服掉了旋轉運動過程中機械換向器和電刷構成的換流機構的接觸所 造成的一系列缺點，成為了現代在機電能量轉換和運動控制系統屮的重要組成部 分。早在20

17、世紀30年代剛開始的階段，一些專家開始研究無刷直流電動機，嘗 試在電機上使用電了轉向器代替電刷機械換向裝置，并取得了一些成杲。但是在 當吋的科技水平下，大功率的電子器件的發(fā)展才剛剛起步，所以沒能找到適用于 無刷直流電動機的電子換相器件。由于上述原因，不只是停留在有刷直流電機的 研究和發(fā)展的階段，也不能投入使用。直到1955年，美國哈里森等人在無刷直流電機中的應用上獲得一項專利， 即用晶體管電子換向器代替機械換向器于直流有刷電機的專利，在無刷直流電機 中取得了重大突破，形成了現代的無刷直流電動機的雛形。但該電動機中起動轉 矩的問題得不到解決，因此不能實現產品化。在隨后的fi子里，經過科研人員的

18、不懈努力和探索，無刷直流電動機有了更進一步的發(fā)展。1962年，無刷直流電 動機的換向裝置霍爾元件被發(fā)明。這項發(fā)明促使無刷直流電動機的產品化，從而 促進了工農業(yè)的發(fā)展。從1970年以后，電力電子工業(yè)快速發(fā)展。出現了許多新 的高性能的永磁材料，做了良好的鋪墊，為無刷直流電機工業(yè)發(fā)展。1978年，在漢諾威舉辦的世博會，聯邦德國曼內斯曼公司推出的產品引起 了全世界的廣泛關注。在其博覽會上的展位前大家仔細觀摩它生產出的mac系 列的無刷直流電動機及其相關的駅動器。由于該產品的出現，不僅標志著無刷直 流電動機進入實用階段，而且也提出了無刷直流電動機的研究熱潮。隨著無刷直流電機逐步深化，逐步形成了完善的電機

19、系統理論。在第二t世 紀80年代后期，h.r.bolton基于無刷直流電動機系統理論的早期研究結果是科 學的，全而的總結。他捉岀了總結關于無刷直流電機的發(fā)展方針，未來的研究方 向和領域。這些觀點不僅指出了無刷直流電機的進一步研究的方向，也是無刷直 流屯機理論走向成熟的標志。在我國，與西方發(fā)達國家相比，在無刷直流電機的研究起步較晚，技術水平 相對落后。中國開始在第二十世紀90年代的無刷直流電機處于初始發(fā)展階段， 后來才技術引進和研究。在北京舉辦的展覽，永磁同步電機伺服系統被著名的徳 國博世、西門了兩個跨國公司展示同時還有無刷直流電機的驅動。當時很多學者 對其所體現出的先進的技術水平十分激動，促使

20、了他們對無刷直流屯動機進一步 的研究。通過專家和學者長吋間的努力研究，我國對無刷直流電動機的研究有了 明顯的發(fā)展，并形成了一定的生產規(guī)模，推出了一系列的產品。但我國對無刷直 流電動機的研究冇待進一步的發(fā)展，逐步縮小與擁冇先進技術水平國家的差距?，F在無刷直流電動機在生活和生產中的齊個領域的應用越來越普遍，這一切 都來源于它相對于其他種類屯機所表現出的優(yōu)勢，例如它的內部簡單從而維護起 來相當便捷并且維修成木低廉，它的速度調節(jié)效果較其他電機而言表現的更為突 岀，并口工作效率高。無刷直流電動機推動了工業(yè)化發(fā)展的改革，進一步完善了 屯機系統的組成部分。1.2研究現狀與分析在過去相當長的一段時間內，盡管各

21、類交流電動機和直流電動機在電能轉換 為機械能的系統應用中占據了主要的位置，但是無刷直流電動機也同樣受到了大 家的廣泛關注。從第二十世紀90年代以來，人們的生活水平有了顯著的提高， 現代工業(yè)生產也越來越趨于自動化，智能化，效率高，小型化。由于含有的優(yōu)點 冇精度高，速度快，效率高，直流無刷電機在家用電器和工業(yè)機器人等工業(yè)生產 設備中的應用需求不斷增長，逐漸成為人們生產和生活中不可缺少的一部分。在 當今社會，曲于能源和資源的逐步匱乏，人們開始提倡節(jié)能減排，這就需要高效 率的生產設備來輔助推行，而無刷直流電動機正好具備高效率的優(yōu)點，體現出它 巨大的應用價值。永久磁鐵作為一種高性能的永磁材料在無刷電動機

22、中用于轉子的制造，通過 它所產生的氣隙磁通能夠保持為一個恒定的數值，能夠使用于電動機的恒轉炬運 行。用于電機的恒功率運行，雖然無刷直流電動機不能通過改變電動機內部的磁 通實現弱磁控制，但能夠獲得所需要的磁場削弱控制通過改善電機的控制方法。 永磁材料有很多種類，一種貝有高矯頑力的永磁材料，剩磁，每單位體積可以在 其類別有較人的氣隙磁通特性，即稀十永磁材料。稀土永磁材料的利用能夠人人 地縮小電動機內轉子的半徑，減小轉子的轉動慣量。伺服設備，工業(yè)機器人和數 控車床的傳動系統具有良好的靜態(tài)特性和良好的動態(tài)響應，這就使得無刷直流電 動機相比丁 交流伺服電機和直流伺服電機而言表現出了更多的優(yōu)越性得到了更

23、好的體現。目前由于無刷直流電動機的發(fā)展勢頭很好，并且其得到了廣泛的應用, 既涉及到航空航天等國防事業(yè)，也能在我們f1常生活中隨處可見，例如電瓶車、 電動汽車以及家用電器等。而今，無刷直流電動機的研究目標重要集中在卜列幾個方面：(1) 無機械式轉子位置傳感器控制。轉子位置傳感器在電動機驅動過程屮是最為薄弱的環(huán)節(jié)。因為它不僅降低了 系統的可靠性和抗干擾能力，同時也增加了系統的成本和復雜性，也在電機內部 也占據一定的空間。這個問題迫使人們研發(fā)無機械轉子位置傳感器?？照{和電腦 周邊設備所需的無機械轉了位置傳感器無刷直流電機，它體現了非機械式轉了位 置傳感器中的應用。無機械轉子位置的傳感器操作實際上就是

24、要求無機械傳感器 的前提下，傳輸和轉換的電動機運行吋的電壓和電流的數據信息，知道具體位置的轉了磁極的相對成熟，無機械式轉了位置傳感器的控制方法如2反電動勢法包括直接反電動勢法、間接反電動勢法以及派生出來的反 電動勢積分法等。定子三次諧波檢測法。續(xù)流二極管電流通路檢測法。盡管上述所提出的方法都有其各口的局限性和不足z處，但仍在不斷地加以 完善5（2）轉矩脈動控制。轉矩脈動存在于無刷直流電動機當中，其隨著電動機運行轉速的升高而不斷 加劇，并11使得屯動機的平均轉矩顯著下降?？梢钥闯?，轉矩脈動是無刷直流電 動機的主要缺點，如何降低電機內部轉炬脈動成為提高無刷直流電機性能的一個 重要問題。（3）智能控

25、制。隨著信息技術的發(fā)展以及控制理論的口益完善，智能控制理論作為一種新型 的、先進的控制理論在控制鄰域中被深入研究。模糊邏輯控制，專家系統和神經 網絡控制是三個最重要的方法和理論于智能控制理論。在它們當屮模糊邏輯控制 己成功地應用到許多方面。模糊控制是一種模糊規(guī)則和成熟經驗有機地集成到智 能驅動控制策略來控制。隨著無刷直流電動機應用范圍的不斷擴大，智能控制技 術必將受到更廣泛的重視。1.3研究目的及意義隨著社會生產力的不斷發(fā)展，人民生活水平顯著提高，隨著設備更新生產， 這就要求我們制定一個新型電動機來提高生產效率。隨著現代科學技術的發(fā)展水 平的不斷提高，無刷直流電機的應用技術也越來越成熟，鄰里和

26、范疇的應用更為 廣泛。同時增加冇刷直流電機的使用量是沒冇用的，人們也開始耍求其控制系統 的設計越來越高。這些耍求包括優(yōu)良的控制性能、合適的控制算法、短的開發(fā)周 期、低廉的設計以及搭建成本。并且無刷直流電動機科學合理的控制系統的仿真 模型的建立，對于控制系統的快速分析、具體設計，快速檢測電機系統控制算法, 降低無刷直流電機控制系統的設計成本，具有十分重要的意義。以高性能的永磁材料和電了換向裝置構成的無刷直流電動機來替代傳統直 流冇刷屯機的機械換向器，直流冇刷屯機換向器可靠性差、維護差的致命缺點得 到解決。它可以使直流電機的控制性能好，具有維護簡單的特點。隨著微電子技 術的快速發(fā)展和功率集成電路的

27、設計，相應的專業(yè)和張動芯片形成，無刷直流電 機控制芯片控制模塊與驅動模塊產生，并從容地解決了無刷直流電動機驅動和控 制問題。因此無刷直流電動機在控制鄰域上表現出廣泛的應用191 o此課題研究的目的是在掌握一定的無刷直流電動機知識的基礎上，培養(yǎng)掌握 知識、運用知識解決問題的能力，培養(yǎng)一定的工程意識和創(chuàng)新意識，學會和熟悉 一定的工程設計方法，為進一步的學習和能力的培養(yǎng)奠定基礎。1.4本文的主要內容本文主要講述的是無刷直流電動機電流滯環(huán)控制策略，在這一控制系統中轉 速控制器采用pi調節(jié)器，電流控制器采用滯環(huán)調節(jié)。首先，我告訴你有關的無 刷直流電動機的基本結構，工作原理及數學模型。其次，對無刷直流電動

28、機的轉 速控制器及電流控制器的采用元件及相關原理加以闡述。在無刷直流電機電流滯 環(huán)控制系統采用雙閉環(huán)控制方法，反電動勢和電流的變化趨勢進行了比較，顯示 了滯環(huán)電流控制的特點。在無刷直流電機電流滯環(huán)控制的數學模型分析的基礎 上，在simulink提供使用不同的模塊，構建了電流滯環(huán)無刷直流電機控制系 統仿真模型。并對該系統中的各個工作模塊加以說明，同時在其仿真模型上加以 示波器，從而得到無刷直流電動機的轉速、轉矩、相電流以及反電動勢的波形。 通過以上內容對無刷直流電機電流滯環(huán)控制策略的理解。第二章 無刷直流電機的結構.原理及數學模型2. 1無刷直流電機的基本結構2. 1. 1電動機本體無刷直流電動

29、機的結構原理圖如圖21所示。它由三部分組成，包括電子開 關電路，電機木體、位置傳感器。在這一部分中，介紹了無刷直流電機的結構原 理。圖21所示在整個結構的電機本體與永磁同步電機是相似的，但忽略了-些 啟動裝置和籠型繞組。電動機木體內的定子繞組通常由多相線圈制成，而電機轉 子由永磁磁鐵這類高性能的永磁材料制成，并且轉子的極對數有一定的要求。上 圖屮電機本體的三相定子繞組，與電子開關連接電源開關元件對應連接。觀察圖 21可知，電機定了繞組的a相，e相，c相繞組分別與功率開關元件的vi, v2, v3連接。位置傳感器與電機轉了連接，以便跟蹤轉了的運行狀態(tài)何。當在一相繞組的定子繞組電機通電時，該相繞組

30、電流及傳子永磁磁場形成電 磁轉矩，并產生相互作用，從而帶動轉了轉動。與電機轉了相連接的位置傳感器 時刻跟蹤著轉子磁極的位置，并將其位置信息轉化成電信號，通過該電信號來控 制電子開關線路的關斷與導通。通過對電機主體各部分的合作，每相繞組在定子 繞組中以特定的順序傳導，定子電流和轉子位置，并以特定的順序換相變化。電 子開關的導通同步轉子旋轉角速度的秩序，實現機械換向器的作用。所以在其基本結構的無刷直流電動機，可以認為是由電了開關電路，永磁同 步屯機和位置傳感器的屯機系統。其原理框圖如圖22所示。圖2-2無刷直流電動機的原理框圖無刷直流屯動機轉子永久磁鐵的相似性于冇刷直流電動機內部定子上永久 磁鐵的

31、作用，可以產生足夠的氣隙磁場的直流電動機是用來產生電磁轉矩，從而 驅動電動機運行何。2. 1.2電子開關電路無刷直流電動機冇電子開關電路，它在電機內部起到換向器的作用，它控制 電機定了每相繞組關斷與導通時間和電機定了每相繞組的傳導。無刷直流電動機 的屯子開關電路主要出兩部分組成，包括位置傳感器的信號處理m元和電源開關 邏輯單元，除此開關邏輯單元是來控制電機電路的關鍵。首先，為了使無刷直流 電機恒轉矩，使用功率開關邏輯單元，并將電源電流按邏輯關系，分配給無刷直 流電機的定子每個繞組。其次，利用位置傳感器采集電機定子各相繞組的順序和 時間進行數據信息。位置傳感器中產生的是電信號，其不能直接用來控制

32、功率邏 輯開關單元，還需將該屯信號經過一定邏輯處理才行?？傊?，無刷直流電動機的 組成框圖,如圖23所示問。圖2-3無刷直流電動機的組成框圖直流無刷電動帕2. 1. 3位置傳感器無刷直流電機采用電了換向器更換直流有刷電機的機械換向裝置。在結構上，電樞繞組存在于直流無刷電機的定子上而在冇刷直流電動機的轉 子上。永磁磁極存在于直流無刷電機的轉子上而在有刷直流電動機的定子上。在 正常情況下，直流電源通過電子換向裝置無定子電樞繞組磁場電源直流電機，電 機內部冇一定的位置。通常情況卜，供電的直流電源經過電了換向裝置來給無刷直流電動機上的定 子繞組供電，只能在屯動機內部的某些位置產生固定的電樞磁場。該電樞磁

33、場與 電動機內轉子所產牛的永磁旋轉磁場相互作用獲得電磁轉矩，但該電磁轉炬不是 一個穩(wěn)定的數值，有很大的波動。要想使無刷直流電動機能夠在正反轉運行中實 現平穩(wěn)連續(xù)的轉動，必須耍在電動機內部添加位置傳感器，由位置傳感器來跟蹤 轉了的位置從而來確定定了繞組的止確換相。無刷直流電動機除了電動機木體和 電子開關線路還需要位置傳感器，通過轉子上的位置傳感器來控制電子開關線路 的關斷和導通。位置傳感器實現了電動機定子繞組的正確換相，并使得定子繞組 所產牛的電樞磁場與永磁轉子所產牛的旋轉磁場在電動機內部空間上形成90。， 從而獲得最大的電磁轉矩，驅動電機轉動冋。位置傳感器由兩部分組成，其屮包括位置傳感器定子以

34、及位置傳感器轉子。 定了屈于電動機的靜止部分，而轉了屈于運動部分。目而，位置傳感器已有了很 多種類，以轉子上的位置傳感器為例就有耦合式、諧振式、敏感式和接近式等種 類。耦合式是指電動機內部變壓器耦合和高頻空心線圈耦合的狀態(tài)。諧振式是指采用電容和電感等元件形成的諧振電路。在該諧振電路屮，滿足 一定的諧振條件，位置傳感器的輸出信號將能夠達到最強，再通過控制電了開關 線路來實現定子屯樞繞組的關斷和導通。敏感式位置傳感器從字面上可知即采用敏感元件制成的位置傳感器，該位置 傳感器能夠采集電動機轉子的位置信息，并通過輸出電信號來控制電子開關線路 以及定子電樞繞組各相的導通順序。常用的敏感元件冇光敏元件和磁

35、敏元件等。 我們經常用到的光敏兀件和磁敏兀件有光電二極管、霍爾元件等冋o2.2無刷直流電機的工作原理定子在冇刷直流電動機曲永磁體組成，其主要作用是在電動機氣隙中產生磁 場。有刷直流電動機屮轉子電樞繞組通電后產生電樞磁場，再通過電刷的換向作 用，使得其與永磁定子所產生的氣隙磁場相互保持垂直，從而獲得最大的電磁轉 矩來驅動電動機連續(xù)地轉動。相反，采取無刷機械換向器的直流無刷電機，轉子 由永磁體構成磁極，定了形成電動機定了電板繞組。但只能做這些改變是不夠的, 在定子電樞各相繞組的直流供電電源只能產生固定的氣隙磁場，氣隙磁場不能與 永磁轉子的磁場相互作用產生電磁轉矩按照恒定方向驅動電機的運轉。因此，除

36、 了電機本體由定子電樞繞組以及永磁轉子，無刷直流電機也需要位置傳感器和電 子開關電路。氣隙磁場會產生于使用電子換向器的直流無刷電機定子電樞繞組和 轉子永磁磁場彼此71 /2）rad左右的電角度。從而形成恒定方向的最大的電磁傳 矩來驅動電動機運轉何。以三相星形繞組無刷直流電機控制的半橋電路為例，說明其工作原理及特 點。圖24為三相無刷直流電動機電路原理圖。在該電路圖屮的位置傳感器采用 光敏元件vp1、vp2、vp3,而功率邏輯單元由三只功率晶體管vi、v2和v3 構成。圖24觀察可以看出，三只冇感光元件vp1, vp2, vp3不同的安裝位置, 均勻地分布在屯機端。無刷直流屯動機的轉子轉軸上安裝

37、了遮光板。在光源照射 在旋轉的遮光板上時，光線在沒有遮光板遮擋的情況卜穿過照射在光皺元件上。 光敏元件依次得到光源照射時會產生響應信號，通過該響應信號就可判斷電動機 轉子磁極所在的位置。圖2-4三相繞組無刷直流電動機從圖2-4中可看出，一個角度大約為240。大半圓形的遮光板遮擋住了光敏元 件vp2和vp3,只有光敏元件vp1被光源照射。被光源照射的光敏元件vp1產 生一個電壓信號促使晶休管vi導通。定子繞組aa，和外接直流電源形成閉合冋 路，定子繞組aa，在電流的功用下形成電樞磁場并與永磁轉子所構成的磁場相 互作用形成電磁轉矩使轉了順時針旋轉。遮光板隨著轉了的轉動也相應轉動，當 轉子順時針轉過

38、120。時，遮光板則逆時針轉過120。，此時轉子轉至圖25b所示 的位置，遮光板遮住了光敏元件vp1和vp3,光敏元件vp2被光源照射。被光 源照射的光墩元件vp2也產生一個電壓信號促使晶體管v2導通。定了繞組b-b' 和外接直流電源形成閉合回路，定子繞組aa，上的電流斷開而流入定子繞組 b-b定子繞組電流流過繞組bb，由電樞磁場的作用下，形成了以永磁轉子磁場 相互作用產生電磁轉矩的轉子順時針轉動。所以，當轉子在轉子位置順時針旋轉 120。，如圖所示的25c,遮光板轉動120。，遮光板覆蓋感光元件vp1和vp2, 光敏元件vp3被光源照射。被光源照射的光敏元件vp3也產生一個電壓信號促

39、 使晶體管v3導通。定子繞組bblk的電流斷開而流入定子繞組c-co定子繞組cc在電流的作用下形成電樞磁場并與永磁轉了所形成的磁場相互作用生成電 磁轉矩使轉了繼續(xù)順時針轉動，最后乂回到了圖2-5a的位置問。圖2-5開關順序及定子磁場旋轉示意圖綜上所述，定子繞組上的電流每經過120。進行一次換相，并且換相過程是交 替運行的沒有任何停頓。隨著定子繞組上電流的換相同時產生電樞磁場，其磁場 狀態(tài)也分為三種，每種磁場狀態(tài)相互間隔120。電角度。定子繞組的換相電流的交 替情況和開關順序及定子磁場旋轉的過程相一致，在這里，就不在加以闡述了。 通過電動機電子換相器的作用，電動機內的轉子就能持續(xù)平穩(wěn)地轉動了。圖

40、26 顯示電機的傳導順序。a-a41l b11一 r-c 01l- a tn-0*120*240360，480°3圖2-6各相繞組的導通示意圖2.3無刷直流電動機的數學模型無刷直流電動機有電動機本體、位置傳感器及電子開關線路三部分組成。其屮在電動機本體屮的轉子采用永磁磁鐵材料，該轉子能在電動機內的氣隙屮產生磁場。在木章2.2節(jié)中可知定了各相繞組的電流是方波電流，而轉了所形成的磁場是梯形波磁場。無刷直流電動機在其內部氣隙磁場的感應下形成的反電動勢也呈現梯形波。無刷直流電動機的定了各相繞組的相電流和其反電動勢的關連如圖27所示。由于無刷直流電動機包含更多的與電感非線性諧波電勢，它不能對感

41、應電機的無刷直流電動機采取d、q變換理論分析?，F如今，我們在大多數情況 下采用相量變化法來對無刷直流電動機控制系統進行分析和仿真。圖2-7 a和反電動勢和電流波形2. 3. 1無刷直流電機的電壓方程無刷直流電動機三相定子電壓的平衡方程可用如下的狀態(tài)方程表現:飛00_%0仇0+_uc_00r-uc式中，5u（三相定子電壓（v）；(1)laph+ lcecl l、 laahacba 厶 s l l, l ca cb cec三相定子的反電動勢（v）；三相定子相電流（a）；厶、£、l三和定了口感（h）；r。、«、rc三相定子繞組的相電阻（q）;p為微分算子(d/ dt) o由電機的

42、機構決定，在360。電角度內，轉子的磁阻不隨轉子位置的變化而 變化，并假定三相繞組對稱，則有：-厶=r = l, 5 = la = lba - lbc - lca - lch - m ra = rb = re = r由于三相對稱的電機中，z；+必+/=0,以及mib+m,.=-mia,則式(1)可改寫為:r 00_l-m00la=0 /? 0+0厶0pb+(2)_0 0 r_lc00 l-mkj2. 3.2電磁轉矩無刷直流電動機的電磁轉矩方程可表示為:其中，血為無刷一直流電機角速度(rad/s) o無刷直流電動機的運動方程口j表示為：t<=tl + bo)+j 警其中,b是阻尼系數(n

43、m-s/rad)o j是電機的轉動慣量(kg m2),兀是負載轉矩(n-m)u7,o2. 3. 3狀態(tài)方程由(2)式的電壓方程經過矩陣運算，可得無刷直流電動機的狀態(tài)方程:100l-m1p0l-m0001lmr00lajj<ub-0r0lb-ebu00riel c jl cl c j2. 3.4電機的等效電路圖依據（2）式的電壓方程，能夠將無刷直流電動機的電機等效表現為圖2-8 所示的等效電路。無刷直流電動機定子上的各相繞組由電阻r、電感（lm）和 一個反電動勢e串聯構成。圖2 8無刷直流電機的等效電路圖無刷一直流電動機的數學模型創(chuàng)建好后，為了便于剖析，現假定：定子三相繞組完全對稱，空間互

44、差120。電角度，參數相同；永磁轉子在無刷直流屯動機內產生的氣隙磁場為梯形波，定子各相繞組的 反電勢為梯形波；忽略定子鐵心齒槽效應的影響；忽略電子開關線路屮的功率邏輯開關器件導通和關斷時間對無刷直流電動 機運行的影響，功率邏輯開關器件導通時的電壓壓降恒定，關斷后等效電阻無窮 大；忽略定了繞組電樞反應的影響；無刷直流電動機內的氣隙磁場均勻，不計磁滯損耗與渦流損耗。第三章 無刷直流電機電流滯環(huán)控制策略3.1轉速.電流反饋控制直流調速系統3. 1. 1轉速、電流反饋控制直流調速系統的組成及其靜特性關于無刷直流電動機這種正、反轉運轉的調速體系，盡量地縮短電動機的起 動過程和制動過程的吋段是提高社會生產

45、效能的重要因素。圖3-1 所示，電動 機在起動和制動過程當中，電動機容許的最大電流堅持不變，從而得到最大的加 速度。當電動機速度達到所需的轉速時，電動機達到穩(wěn)態(tài)。當電動機轉速達到穩(wěn) 態(tài)時，電機電流就必須立即卜降，從而使電動機電磁轉矩與負載轉矩相平衡。從 圖31中口j以看出，起動電流和制動電流呈矩形波，轉速變化呈梯形波。圖3-1時間最優(yōu)的理想過渡過程在電動機起動的過程屮只冇電流起到負反饋的作用，沒冇產生轉速負反饋。 當轉速達到穩(wěn)態(tài)轉速時，電流負反饋不在發(fā)揮作用，轉速負反饋開始發(fā)揮作用。 圖3-2顯示，轉速調節(jié)器和屯流調節(jié)器實行串聯，并以轉速負反饋和電流負反饋 來調節(jié)電動機的轉速和電流。轉速調節(jié)器

46、的輸出成為電流調節(jié)器的輸入，再以電 流調節(jié)器的輸出來控制電力電子變換器upe。該調速系統采用雙閉環(huán)系統，電流 環(huán)稱為內環(huán)，轉速環(huán)稱為外環(huán)。電動機為了在運行屮獲得良好的靜、動態(tài)性能， 轉速和電流兩個調節(jié)器一般都采用pi調節(jié)器。但在木文中無刷直流電動機的系 統結構中轉速調節(jié)器采用pi調節(jié)器，而電流調節(jié)器采用滯環(huán)調節(jié)器網。3. 1. 2轉速、電流反饋控制直流調速系統的數學模型與動態(tài)過程分析如圖3-3所示的雙閉環(huán)直流調速系統的動態(tài)結構圖中w宓和wge(s)分 別表示轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的傳遞函數。t-;n圖3-3雙閉環(huán)直流調速系統的動態(tài)結構圖從圖3-4中可以看出，電流厶從零迅速遞增到/伽，隨后在一段

47、時間內維持其值不變，當轉速達到所需值時電流又開始下降并經調節(jié)后到達穩(wěn)態(tài)值從 轉速變化波形中可看出轉速先是緩慢上升，隨后以恒定的加速度加速上升。當達 到所需的轉速時由于屯流的數值還沒冇變化，轉速任然再上升，經過調節(jié)后轉速 才趨于穩(wěn)態(tài)。電動機的起動過程分為電流上升、恒流升速和轉速調節(jié)三個階段。 電動機的轉速調節(jié)器也同樣經歷了快速進入飽和、飽和以及退飽和三種狀態(tài)。° qg z3 &f圖3-4雙閉環(huán)肓流調速系統起動過程的轉速和電流波形雙閉環(huán)直流調速系統的起動過程有以卜'三個特點：（1）飽和非線性控制；（2）轉速超調；（3）準時間最優(yōu)控制。在雙閉環(huán)直流調速系統屮的轉速調節(jié)器和電

48、流調節(jié)器所起的作用可以歸納如下:1、轉速調節(jié)器的作用1）轉速調節(jié)器是電動機調速系統中最主要的部分，為了實現無誤差，其通 常采用pi調節(jié)器。2）對負載變化起抗擾作用。3）其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。2、電流調節(jié)器的作用1）電流調節(jié)器中的電流與轉速調節(jié)器的輸出量的變化保持關聯。2）對電網電壓的波動起及吋抗擾的作用。3）在轉速上升的過程中保證電動機獲得其允許的最大電流，縮短轉速調節(jié) 的時間。4）當電動機過載或者堵轉時，電流調節(jié)器起動自動保護的功能，迅速減小 電流的數值，從而避免了電機的損壞。當電動機故障排除后，乂能夠恢復正常的 運行冋。3.2電流滯環(huán)控制原理在木文中，無刷直流電動機的電流控

49、制器采用滯環(huán)控制，轉速控制器采用 pi控制。電動機的電流隨著參考電流的變化而變化。電流滯環(huán)控制采用pwm逆 變器。圖35表示的是滯環(huán)型pwm逆變器。其工作原理是：當給定電流值與反饋電流值的瞬時值之差達到滯環(huán)寬度正邊 緣時，逆變器的開關管vt1導通，開關管vt2關斷，電動機接通直流母線的正 端，電流開始上升。反z,當給定電流值與反饋電流值的瞬時值z差達到滯環(huán)寬 度負邊緣吋，逆變器的開關管vt1關斷，開關管vt2導通，電動機接通直流母 線的負端，電流開始下降。選擇適當的滯環(huán)環(huán)寬，即可使實際電流不斷跟蹤參考 電流的波形，實現電流閉環(huán)控制。2）滯環(huán)電流跟蹤型pwm逆變器單項結構示總圖（b）滯環(huán)電漁跟蹤

50、型pwm逆變器輸岀電流電壓波形圖3-5 滯環(huán)電流跟蹤型pwm逆變器3.3轉速pi調節(jié)器原理和分析3. 3.1 pid調節(jié)器的原理pid (比例積分微分)在我們身邊的各個領域都可以見到它的身影，如自動 控制原理、運動控制系統等控制方而，是一個常見的數學物理術語。在控制系統 的設計過程中，最主要的內容是對是pid控制器的參數的一個整定過程。它主 要是依據被控制進程的特征來確定pid控制器的參數：比例系數、積分吋間和 微分時間，其大小就跟這個過程有關。對pid控制器參數整定有許多方式來設 定，歸納起來有一下兩種：其一是理論計算整定法。這種方法跟其數學模型有關 聯，通過一系列的理論計算過程來準確的設定

51、系統控制器的參數。但在某些場合, 我們還需要需要根據工程實際情況來進行詳細的調整設定并改變。其二是工程整 定方法。對于這種方法，它不能被系統的歸納出來，rfl于工程實踐中積累的經驗 有很大聯系，如果經驗豐富，你會發(fā)現這種方法非常的簡單易用，在各種工程實 際運用過程屮總有它的身影，非常廣泛。就其工程整定的方法，乂可以細分為一 下幾種：臨界比例的方法、反應曲線的方法和衰減法。三種方法的特點都不大相 同，但也有相同的地方，那就是在工程整定的過程中都是首先通過試驗來分析， 之后根據工程實踐中的經驗所得出的公式來對控制器參數進行整定。所有的這些 方法所得的控制器的參數并不盡如人意，在工程最后我們都需要做

52、最后的調整設 定與改善?，F在一般采用的是臨界比例法。數字pid控制器的控制作用有以卜幾種：(1) 比例調節(jié)器；(2) 比例積分調節(jié)器；(3) 比例積分微分調節(jié)器。3. 3.2雙閉環(huán)pi調節(jié)的分析論文中無刷直流電機雙閉環(huán)系統用到的是數字pi調節(jié)器，pt調節(jié)器是電力 拖動自動控制系統屮最常見的一利|控制器，在微機數字控制系統屮，當采樣頻率 足夠高時，可以做一下的過程來處理：第一步根據模擬控制系統的設計方法來對 調節(jié)器進行策劃，然后再對其進行離散化，最后得到的數字控制器的算法，這里 所描述的過程就是模擬調節(jié)器的數字化。pi調節(jié)器的傳遞函數如式(3-1)所示，wpi (s) = © + 丄=

53、e + 1(3-1)tsts式中kppi調節(jié)器的比例放大系數；rpi調節(jié)器的積分放大系數。采用模擬控制是，可用運算放大器來實現pi調節(jié)器，其線路原理和特性如 圖3-6所示圖3-6比例積分(p1)調節(jié)器的原理和特性第四章基于matlab的無刷直流電機電流滯環(huán)控制4.1 matlab/simulink 的介紹4. 1. 1 matlab 的簡介matlab是matrix&laboratory兩個詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實驗室）。 它是美國的一家公司發(fā)布的，它是一種現代高科技的運用于計算的環(huán)境，它的主 要面向對彖是對于那些當今的科學計算、設計程序等等。它在當今的高科技生產 實踐屮占據了領

54、先的地位，其屮最主要的原因是它的功能非常強大，比如說在數 據分析方面、對電機的控制系統的仿真與建模等方面都發(fā)揮了很大的作用，而且 還很好的解決了科學和控制等過程中存在的各類問題。matlab是我們常用的三大軟件之一，用它來處理問題相比于其他的軟件 來說要相對容易的多，而且功能強大，基于以上諸多優(yōu)點，所以它在我們生活和 社會生產屮的應用非常廣泛。特別是在數學數值的計算的領域它發(fā)揮了巨大的潛 能。我們用戶用它主要是用來實現數據的計算、信號的檢測、圖像的處理的功能 等等。4. 1. 2 simulink的優(yōu)點與創(chuàng)建模型步驟在matlab中的simulink的壞境下，我們叮以使用它僅僅用很簡單的操 作

55、就能完成對屯機的控制系統的建模還有仿真的功能。其中，相對于其他的很多 應用軟件來說，simulink擁有很多的長處，比如說：（1）適應面廣?？蓸嫵傻南到y包扌乩線性、非線性系統；離散、連續(xù)及混 合系統；單任務、多任務離散事件系統。（2）它的結構是采用分層的方式而口很簡單、條理清晰，i大i此，它適用于 很多方面的設計。（3）仿真更為精細。它的運作環(huán)境下有很多的模塊，其中有不少的模塊和 實際應用屮的差不多，為我們用戶提供了很多的方便。（4）在它的環(huán)境下提供的多種模型能夠很好的進行硬件方而等的移植。 創(chuàng)建動態(tài)系統simulink模型一般步驟如下：（1）我們首先把電機控制系統的方程全部給描述出來。（2）然后我們再打開它的模塊，在它的環(huán)境下工作。（3）為待建模型，開啟空白模型窗。（4）我們依據所學的理論上的模型，在空白的地方選擇我們電機控制系統 的模塊。（5）如杲我們選取的模塊不太恰當的話，我們可以首先把那些對系統的結 構冇影響的參數給設定好。（6）然后我們再依據所學的理論上的模型把控制系統的各個模塊之間的信 號給連接在一起。（7）最后我們對整個電機控制系統考慮，把它z屮的不是結構的參數給設 定好。（8）我們依據以往經驗把電機控制系統的仿真的開始和終止時間等待都給 設定好。（9）然后很好的保存為了方便找到它我們給它取個適當的名字。（10）建