無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與MATLAB仿真

1、無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與MATLAB仿真摘要：無刷直流電動(dòng)機(jī)的最本質(zhì)特征就是沒有機(jī)械換向結(jié)構(gòu)，取而代之的是邏輯電路和功率開關(guān)線路共同組成的電子換相器，它把直流電逆變成交流電并按一定的次序通入電動(dòng)機(jī)的定子繞組中以產(chǎn)生與定子磁場(chǎng)正交的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)。在使用中無刷直流電機(jī)相比有刷電機(jī)有許多的優(yōu)點(diǎn)，比如：能獲得更好的扭矩轉(zhuǎn)速特；性高速動(dòng)態(tài)響應(yīng)；高效率；長(zhǎng)壽命；低噪聲；高轉(zhuǎn)速。本文主要研究了無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本方法，主要內(nèi)容有無刷直流電機(jī)的基本原理，脈寬調(diào)速系統(tǒng)的原理和控制方法，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究了無刷直流電機(jī)的換相控制，并對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后利用MATLABSimulink面向電氣原理結(jié)

2、構(gòu)圖的仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)無刷直流電機(jī)可逆脈寬調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果分析研究無刷直流電動(dòng)機(jī)。關(guān)鍵詞：調(diào)速，PWM控制，無刷直流電動(dòng)機(jī)，仿真一 引言目前國(guó)內(nèi)外對(duì)無刷直流電機(jī)的（Brushless DC Motor,BLDCM）的定義有兩種：一種是認(rèn)為只有梯形波/方波無刷直流電機(jī)才可被稱為無刷直流帶電機(jī)，而正弦波無刷直流電機(jī)則被稱為永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）；另一種定義認(rèn)為梯形波/方波無刷直流電機(jī)都是無刷直流電機(jī)。本論文采用第一種定義，僅認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)波形為梯形波/方波的無刷直流電機(jī)稱為無刷直流電機(jī)。目前國(guó)

3、內(nèi)外無刷直流電機(jī)的一般控制技術(shù)應(yīng)經(jīng)比較成熟，但日本和美國(guó)具有較先進(jìn)的無刷直流電機(jī)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(guó)則在軍工方面更加先進(jìn)。當(dāng)前的研究熱點(diǎn)主要集中在以下三個(gè)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(jìn)一步縮小電機(jī)尺寸與重量；從電機(jī)設(shè)計(jì)和控制方法等方面出發(fā)，研究無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制從而提高其伺服，擴(kuò)大應(yīng)用范圍；設(shè)計(jì)可靠小巧，通用性強(qiáng)的集成化無刷直流電機(jī)控制器。二 無刷直流電動(dòng)機(jī)原理2.1 無刷直流電動(dòng)機(jī)概述無刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)屬于同步電動(dòng)機(jī)的一種，這就意味著它的定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)是同頻率的，所以無刷直流電機(jī)并不會(huì)產(chǎn)生普通感應(yīng)電機(jī)的頻差現(xiàn)象。直流無

4、刷電機(jī)的主要由電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器（對(duì)于位置傳感器檢測(cè)方法）與電子開關(guān)線路三部分組成，如圖2-1所示圖2-1 無刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理從圖2.1可見，直流無刷電動(dòng)機(jī)組件主要由電動(dòng)機(jī)本體位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分構(gòu)成。其定子繞組一般制成多相，轉(zhuǎn)子由永磁材料制成。因此平常所說的直流無刷電動(dòng)機(jī)，就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以認(rèn)為是一臺(tái)由電子開關(guān)線路、電動(dòng)機(jī)本體及位置傳感器三部分組成的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。直流無刷電動(dòng)機(jī)的組成原理框圖如圖2.2圖2-2直流無刷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的永久磁鋼與永磁有刷電動(dòng)機(jī)中所使用的永久磁鋼的作用相似，均是在電動(dòng)機(jī)的氣隙中建立足夠的磁場(chǎng)。不同之處在于直流無刷電動(dòng)機(jī)中永久磁鋼安裝在轉(zhuǎn)子上，而普通

5、永磁直流電動(dòng)機(jī)是將磁鋼安裝在定子上。構(gòu)成直流無刷電動(dòng)機(jī)的主要部件框圖如圖2.3所示。圖2-32.2有關(guān)電機(jī)本體設(shè)計(jì)的問題無刷直流電機(jī)的定子轉(zhuǎn)子合稱為電機(jī)本體。本體結(jié)構(gòu)上與永磁同步電機(jī)相似，但沒有籠形繞組和其他起動(dòng)裝置，其定子繞組一般制成多相，轉(zhuǎn)子由永磁體以一定的極對(duì)數(shù)組成。電機(jī)本體的設(shè)計(jì)是一個(gè)很復(fù)雜的過程，其基本任務(wù)是根據(jù)給定的額定值和基本技術(shù)性能要求，選用合適的材料，確定電動(dòng)機(jī)格部分的尺寸，并計(jì)算其性能，以滿足節(jié)省材料、制造方便、性能良好的要求，獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。本體要設(shè)計(jì)的內(nèi)容很多，其中包括電磁設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)以及工藝設(shè)計(jì)等。選擇極對(duì)數(shù)應(yīng)綜合考慮運(yùn)行性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。下圖為兩極、四

6、極和八極（p=1,2,4）內(nèi)轉(zhuǎn)子型無刷直流電機(jī)本體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2-4本體機(jī)構(gòu)示意一般來說增加極對(duì)數(shù)p，可以減少每極磁通，定子軛及機(jī)座截面積可相應(yīng)減小，從而減少電動(dòng)機(jī)的用鐵量；定子繞組的端接部分將隨極數(shù)的增加而縮短，所以在同樣的電流密度下，繞組的用銅量也減少了；極數(shù)增加后定子繞組電感相應(yīng)減少，這有利于電子器件換相。同時(shí)，當(dāng)極數(shù)增加后，制造工藝也變復(fù)雜；極對(duì)數(shù)增加，考慮到極漏磁不能太大，極弧系數(shù)要減小，從而使電動(dòng)機(jī)原材料利用率變差；增加極數(shù)，在同樣的轉(zhuǎn)速下，電子器件的換相次數(shù)增多，從而增加了換相損耗。當(dāng)電流密度不變時(shí)，定子繞組中的銅耗歲極數(shù)的增加而降低。一般來說電動(dòng)機(jī)效率隨極數(shù)的增加而有所下降。

7、所以要根據(jù)需要合理的選擇電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。三無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)這一章將根據(jù)無刷直流電動(dòng)機(jī)的原理設(shè)計(jì)了直流無刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，其原理框圖如圖3.1所示。3.1主電路供電方案選擇圖3-2所示電網(wǎng)電壓一般為三相交流電，逆變橋驅(qū)動(dòng)器件的直流電源通常由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容濾波，以獲得恒定的直流電壓，電容同時(shí)對(duì)感性負(fù)載的無功功率起儲(chǔ)能緩沖作用。圖3-2直流電源設(shè)計(jì)原理圖對(duì)于PWM變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當(dāng)電機(jī)制動(dòng)時(shí)吸收運(yùn)行系統(tǒng)動(dòng)能的作用。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電機(jī)制動(dòng)時(shí)只好對(duì)濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”

8、。本設(shè)計(jì)由于采用MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)進(jìn)行電路仿真，Simulink模型庫中的電力系統(tǒng)模型庫(Power System Blockset)里提供了直流、交流電源模塊，因此在仿真電路設(shè)計(jì)中，可直接用直流電源代替三相不控整流直流電源。3.2逆變電路的選擇脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡(jiǎn)稱PWM變換器。脈寬調(diào)制變換器是采用脈沖寬度調(diào)制的一種直流斬波器。本設(shè)計(jì)采用受限單極式控制方式。如下圖所示，當(dāng)在兩兩通電的一個(gè)通電區(qū)間內(nèi)逆變橋有兩個(gè)屬于不同橋臂的一上一下開關(guān)器件導(dǎo)通，其中上邊的器件處于始終導(dǎo)通的狀態(tài)，而下邊的器件受PWM控制處于周期性導(dǎo)通狀態(tài)。這種控制方式可以減小開關(guān)損耗

9、但是當(dāng)電機(jī)電流較小時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流斷續(xù)的現(xiàn)象。圖3-3 逆變電路3.3基于MC33035的無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)MC33035無刷直流電動(dòng)機(jī)控制芯片MC33035是高性能第二代單片無刷直流電機(jī)控制器，它包含了開環(huán)三相或四相控制所需的全部有效功能。該器件一個(gè)用于良好整流序列的轉(zhuǎn)子譯碼器、可提供傳感器電源的帶溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖茧妷骸㈩l率可編程的鋸齒波振蕩器、三個(gè)集電極開路的頂部驅(qū)動(dòng)器、以及三個(gè)非常適用于驅(qū)動(dòng)大功率MOSFET的大電流推挽地步驅(qū)動(dòng)器組成。MC33035控制功能包括開環(huán)速度、正向或反向、運(yùn)行使能、及阻尼式制動(dòng)。MC33035設(shè)計(jì)為操作帶60/300或120/240電傳感器相位的無刷電機(jī)，并且還

10、能有效地控制有刷直流電機(jī)?；贛C33035的無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)由MC33035構(gòu)成的無刷直流電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)如圖3-7所示。圖中功率開關(guān)器件為MOSFET管，在任意給定的一個(gè)轉(zhuǎn)子位置，同時(shí)只有一個(gè)上橋臂和下橋臂開關(guān)管導(dǎo)通，兩個(gè)導(dǎo)通的管子分屬不同的的圖騰柱。這種開關(guān)結(jié)構(gòu)形式使得定子繞組的兩端夾于電壓和地之間，從而使電流能雙向流動(dòng)。在電流波形上可能出現(xiàn)尖峰，這種尖峰會(huì)導(dǎo)致限流保護(hù)誤動(dòng)作，因此在電流檢測(cè)管腳處需要外加RC濾波器，以避免這種情況的發(fā)生。圖3-4開環(huán)控制電路圖3-5閉環(huán)控制電路4.1系統(tǒng)的仿真、仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析Matlab是以矩陣為基本編程單元的一種程序設(shè)計(jì)語言，它提供

11、了各種矩陣的運(yùn)算與操作，并有較強(qiáng)的繪圖功能，是目前國(guó)際上最流行的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。1992年Math Works公司推出了交互式模型輸入仿真環(huán)境SIMULINK，它可對(duì)采用方框圖或微分方程描述的系統(tǒng)進(jìn)行仿真。SIMULINK中增加了功率系統(tǒng)環(huán)節(jié)庫(Power System Blockset)，從而可以使其便地實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電子系統(tǒng)的仿真分析。在本章中將對(duì)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的控制器進(jìn)行分析研究，著重于無刷直流電動(dòng)機(jī)的換相過程及其邏輯控制，最后用Matlab/Simulink對(duì)其進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。當(dāng)建模和參數(shù)設(shè)置完成后，即可開始進(jìn)行仿真。4.1起動(dòng)，階躍負(fù)載仿真仿真算法采用ode45，仿真參數(shù)

12、系統(tǒng)默認(rèn)，仿真時(shí)間0.1秒，給定轉(zhuǎn)速2000，在0.03秒處加載一個(gè)大小為4的階躍負(fù)載。仿真波形如下圖4-1 轉(zhuǎn)速響應(yīng)圖4-2定子相電流，反電動(dòng)勢(shì)圖4-3轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果分析：由波形可以計(jì)算得到最大超調(diào)量；上升時(shí)間；調(diào)整時(shí)間；此系統(tǒng)基本達(dá)到了無靜差調(diào)速調(diào)速，缺點(diǎn)是僅為轉(zhuǎn)速單閉環(huán)的控制，無法抑制電源電壓的波動(dòng)。因此在仿真中使用了電壓固定的直流電源，沒有對(duì)電源電壓波動(dòng)的情況進(jìn)行仿真。4.2可逆調(diào)速仿真仿真算法采用ode45，仿真參數(shù)系統(tǒng)默認(rèn)，仿真時(shí)間0.1秒，給定轉(zhuǎn)速初始值為2000，在0.03秒處變?yōu)?2000，空載運(yùn)行。仿真波形如下：圖4-4轉(zhuǎn)速圖4-5定子電流、線電壓可以看出系統(tǒng)較好的實(shí)現(xiàn)了可逆

13、調(diào)速。注意到當(dāng)反轉(zhuǎn)時(shí)，定子電流的峰值明顯大于正轉(zhuǎn)時(shí)的峰值，這是因?yàn)殡姍C(jī)正向制動(dòng)采用的是電樞反接制動(dòng)的緣故。五 總結(jié)本文主要利用MATLAB對(duì)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)無刷直流脈寬可逆調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真和調(diào)試。本文主要研究了無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本方法，主要內(nèi)容有無刷直流電機(jī)的基本原理，脈寬調(diào)速系統(tǒng)的原理和控制方法，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究了無刷直流電機(jī)的換相控制，并對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中，調(diào)速是系統(tǒng)的主要功能，通過研究無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理，設(shè)計(jì)了基于霍爾位置傳感器的換相邏輯電路，并利用MC33035和MC33039設(shè)計(jì)了一種無刷電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方案。為了使系統(tǒng)能保證穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，且能夠快速起制動(dòng)，設(shè)計(jì)采用了轉(zhuǎn)速單閉環(huán)控制。最后，通過計(jì)算機(jī)仿真軟件MATLAB對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，通過對(duì)波形的分析驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性以及分析了無刷直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)。本系統(tǒng)的不足之處是僅采用了轉(zhuǎn)速單閉環(huán)控制，因此對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)沒有抑制作用。從仿真結(jié)果可以看出無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)非常明顯，這不但會(huì)產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)問題，而且影響這個(gè)系統(tǒng)的性能，從而降低電機(jī)的使用壽命和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，制約其在高精度、高穩(wěn)定性場(chǎng)合的應(yīng)用。抑制無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是本領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)?？傊ㄟ^本次設(shè)計(jì)不僅進(jìn)一步強(qiáng)化了專業(yè)知識(shí)，還掌握了設(shè)計(jì)