无刷直流电机转速-电流双闭环控制系统

江苏科技大学本科毕业设计（论文）学院电气与信息工程学院专业电气工程及其自动化学生姓名班级学号指导教师江苏科技大学本科毕业论文无刷直流电机转速电流闭环控制策略江苏科技大学毕业设计（论文）任务书学院名称电气与信息工程学院专业电气工程及其自动化学生姓名学号指导教师职称毕业设计（论文）题目无刷直流电机转速电流闭环控制策略一、毕业设计（论文）内容及要求（包括原始数据、技术要求、达到的指标和应做的实验等）1提供条件无刷直流电机的相关资料，MATLAB仿真软件2设计内容与要求1掌握无刷直流电机的原理、结构和模型；2掌握仿真软件MATLAB/SIMULINK的使用；3在MATLAB/SIMULINK中构建无刷直流电机转速电流闭环控制系统；4撰写论文，通过答辩。二、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等）1毕业设计论文一份（不少于15万字）；2外文译文一篇（不少于5000英文单词）；3无刷直流电机转速电流闭环控制系统仿真模型一套；三、完成日期及进度2014年3月17日至2014年6月13日，共13周。进度安排31747熟悉任务要求，查阅资料，翻译外文资料；4855学习、掌握无刷直流电机的原理、结构和模型，完成开题报告及外文资料翻译；55519学习、掌握MATLAB/SIMULINK的使用；52061在MATLAB/SIMULINK中构建无刷直流电机的转速电流闭环控制系统仿真模型，并调试；61613撰写毕业论文、答辩。四、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）1汤蕴璆,罗应立,梁艳萍电机学（第三版）机械工业出版社,20082张琛直流无刷电动机原理及应用（第二版）机械工业出版社,20043王兆安,黄俊电力电子技术（第四版）机械工业出版社,20054陈伯时电力拖动自动控制系统运动控制系统（第三版）机械工业出版社,20045张志涌精通MATLAB65版教程北京航天航空大学出版社,20056潘晓晟MATLAB电机仿真精华50例电子工业出版社,2007系教研室主任（签章）年月日学院主管领导（签章）年月日摘要在一个世纪以来，电动机的发展已经得到了许多的变革，种类也呈现多样性，但现在最常见也是最主要的是同步电动机、异步电动机和直流电动机这三类。电动机的作用也就是充当转换装置，来进行机电能量的转换。在三种电动机之中，大家都深知直流电动机具有运行效率高以及调速性能好等很多优点，但任何事物都要一分为二来看待，直流电动机还存在一些不足之处。传统直流电机以机械形式进行换向，存在火花、无线电干预、噪声和寿命短等严重弊端，还有一些缺陷是这些传统直流电机的结构制造、材料选取使得其进行产品生产的成本很高和维护修理也较为麻烦，不管是工业还是民用方面都有很大的限制。在这种情况下，使得目前许多的工工业、农业、制造业等一些生产活动中使用少有直流电动机的身影，取而代之的是三相异步电动机。无刷直流电机是是永磁电机的一种，如果换个角度看，它将是一个非线性、多变量的集成系统,与微电子元器件、电力电子元器件有着精密联系，无刷直流电机正是伴随前两者出现的。无刷直流电动机优点很多，跟交流电动机一样，基本结构简单、工作运行可靠、维护修理方便等一系列优点都具备，而又与交流电动机的许多特性相似，如其工作运行效率高、没有励磁损耗以及调节速度的性能好等，故广泛应用于当今国民经济的各个领域，中小功率的调速系统正逐步被无刷直流电机调速系统所取代。无刷直流电机的关键技术之一是控制策略。本文采用双闭环PI调速控制系统，实现转速的抗干扰调节，使得无刷直流电机在稳态时无静差。文章详细介绍了无刷直流电机的基本结构、运行工作原理、研究目的和应用状况，建立简单的无刷直流电机数学模型，并利用MATLAB/SIMULINK强大的仿真平台，建立控制系统的仿真模型，对无刷直流电动机速度闭环控制系统进行仿真。通过对模型仿真，结果清楚的显示该控制模型工作运行可靠、平稳，没有什么波动，具有良好的静、动态特性。关键词无刷直流电机；双闭环控制系统；MATLAB/SIMULINK；建模仿真ABSTRACTINTHEPASTCENTURY,THEDEVELOPMENTOFTHEMOTORHASBEENALOTOFCHANGE,SPECIESDIVERSITYISALSOPRESENTED,BUTNOWTHEMOSTCOMMONANDMOSTIMPORTANTCATEGORIESISTHETHREEOFFOLLOWINGSYNCHRONOUSMOTORS,ASYNCHRONOUSMOTORSANDDCMOTORSTHEEFFECTOFTHEMOTORISCONVERTEDTOACTASMEANSFORELECTROMECHANICALENERGYCONVERSIONAMONGTHETHREEMOTORS,WEAREWELLAWAREOFTHEDCMOTORWITHHIGHEFFICIENCYANDSPEEDPERFORMANCE,ANDMANYOTHERADVANTAGES,BUTEVERYTHINGSHOULDBEVIEWEDDISTINCTION,DCMOTORSARESTILLSOMEINADEQUACIESTHEHIGHCOSTANDMAINTENANCEOFTRADITIONALDCMOTORCOMMUTATIONMECHANICALFORM,THEREARESPARKSSERIOUSDRAWBACKSRADIOINTERFERENCE,NOISEANDSHORTLIFE,THEREARESOMEDEFECTSINTHESTRUCTUREOFTHESETRADITIONALDCMOTORMANUFACTURING,MATERIALSELECTIONMAKESITSPRODUCTPRODUCTIONREPAIRISALSOMORETROUBLE,WHETHERINDUSTRIALORCIVILIANASPECTSGREATLYRESTRICTEDINTHISCASE,MAKINGSOMEOFTHEMANYCURRENTLYWORKININDUSTRY,AGRICULTURE,MANUFACTURINGANDOTHERPRODUCTIONACTIVITIES,USINGARAREFIGUREOFADCMOTOR,REPLACEDBYATHREEPHASEASYNCHRONOUSMOTORSBRUSHLESSDCMOTORISAPERMANENTMAGNETMOTOR,IFANOTHERPOINTOFVIEW,ITISANONLINEAR,MULTIVARIABLEINTEGRATEDSYSTEMS,ANDMICROELECTRONICSCOMPONENTS,POWERELECTRONICSCOMPONENTSWITHPRECISIONCONTACT,BRUSHLESSDCMOTORSAREISACCOMPANIEDBYTHEAPPEARANCEOFTHETWOMANYADVANTAGESOFBRUSHLESSDCMOTORS,ACMOTORSWITHTHESAMESIMPLEBASICSTRUCTURE,RELIABLEOPERATION,EASYMAINTENANCEANDREPAIRALLHAVEASERIESOFADVANTAGES,BUTWITHMANYFEATURESSIMILARTOACMOTORS,HIGHOPERATINGEFFICIENCYASTHEYWORK,NOGOODEXCITATIONLOSSANDPERFORMANCETUNINGSPEED,ETC,ITISWIDELYUSEDINTODAYSNATIONALECONOMY,SMALLANDMEDIUMPOWERSPEEDCONTROLSYSTEMISGRADUALLYBEINGBRUSHLESSDCMOTORSPEEDCONTROLSYSTEMISREPLACEDONEOFTHEKEYTECHNOLOGIESABOUTTHEBRUSHLESSDCMOTORISCONTROLSTRATEGIESINTHISPAPER,SINGLELOOPPISPEEDCONTROLSYSTEM,ADJUSTTHESPEEDOFINTERFERENCE,MAKINGTHEBRUSHLESSDCMOTORSTATICERRORINTHESTEADYSTATETHISPAPERINTRODUCESTHEBASICSTRUCTUREOFABRUSHLESSDCMOTOR,RUNTHEWORKINGPRINCIPLE,PURPOSEANDAPPLICATIONSTATUS,CREATEASIMPLEMATHEMATICALMODELOFABRUSHLESSDCMOTOR,ANDUSINGMATLAB/SIMULINKPOWERFULSIMULATIONPLATFORM,ASIMULATIONMODELOFTHECONTROLSYSTEM,FORBRUSHLESSDCMOTORSPEEDLOOPCONTROLSYSTEMSIMULATIONTHROUGHTHEMODELSIMULATION,THERESULTSCLEARLYSHOWTHATTHECONTROLMODELWORKISRELIABLE,STABLE,NOVOLATILITY,HASGOODSTATICANDDYNAMICCHARACTERISTICSKEYWORDSBRUSHLESSDCMOTORDOUBLELOOPCONTROLSYSTEMMATLAB/SIMULINKMODELINGANDSIMULATION目录第一章绪论111研究背景112研究现状及分析213研究目的及意义314本文的主要内容4第二章无刷直流电机的结构、原理、特性及数学模型521无刷直流电机的基本结构5211电动机本体6212电子开关电路7213位置传感器722无刷直流电机的工作原理823无刷直流电机的运行特性9221机械特性10222调节特性11223工作特性1224无刷直流电机的数学模型13241无刷直流电机的电压方程14242电磁转矩15243状态方程16244传递函数16245电机的等效电路图17第三章无刷直流电机双闭环控制策略1831双闭环控制直流调速系统18311双闭环控制系统的组成与稳态结构18312双闭环调速原理图20313双闭环调速系统数学模型与动态性能分析2132PI调节器的原理与分析22321PID调节器的原理22322双闭环PI调节的分析2333双闭环直流调速系统的设计25第四章基于MATLAB的BLDCM控制模块的建立2741MATLAB/SIMULINK的介绍27411MATLAB的简介27412SIMULINK的功能与特点2742基于PI双闭环控制控制系统仿真2843无刷直流电机双闭环系统各模块的建立29431电机本体模块29432电流控制模块31433转速控制模块32434转矩计算模块32435电压逆变器模块33第五章系统仿真与结果分析3451仿真结果3452结论41结语42致谢43参考文献44第一章绪论11研究背景传统直流电机以机械形式进行换向，存在火花、无线电干预、噪声和寿命短等严重弊端。对于传统直流电动机存在的诸多缺点,在20世纪30年代,出现了对永磁无刷直流电机研制,机械换相的方式也已跟新换代，机械换相被替换，取而代之的是电子换相,这对无刷直流电机发展有很大的推进作用。但是由于对于大功率电子器件方面，相关资料非常缺乏，其研究进度也非常缓慢，发展的邹形才刚露出头角,理想的电子换相元件还没有找到,这种情况对永磁无刷直流电机的发展有很大的限制，只能停留在实验室阶段,而不能形成产品大批量的生产，广泛的应用。1917年,BOLGIOR通过实验分析，经过多次对比，发现用整流管能更好地替代传统直流电机的机械换向的电刷,让无刷直流电动机的基本构思得以萌生。直到1955,美国人HARRISON等研究人员申请了专利，这是第一个与电动机机械换相相关的专利，即应用晶体管换向代替电动机械换向,这显示了现代无刷直流电动机的诞生。但是,当时这种电动机并没有得到产品化，其原因是由于没有启动转矩。尔后,为了改变这种状况，研究人员花费多年的时间去研究,这些努力使得借助于霍尔元件来实现换相的直流无刷电动机在1962年成功实现了,这种新型无刷直流电动机的出现改变了其自身发展行径，产品化的道路正式开启。20世纪60年代初期,霍尔元件等位置传感器和电子换向线路的相继问世,使真正的直流无刷电动机得以出现。20世纪70年代以来，世界的工业产业发展蓬勃，电力电子工业的发展也毫不例外,电力电子器件多样化的趋势更加明显，有时代性意义的是许多新型的高性能半导体功率器件的相继出现,如电力晶体管（GTO）、电力场效应管（MOSFET）、绝缘栅型双极性晶体管（IGBT）等,还有的是一些性能更好的永磁材料，如衫钻、钦铁硼等的出现,这些都为永磁无刷直流电机的广泛应用铺下了基石。1978年，前联邦德国的MANNESMANN公司取得了许多突破性的进展，特别是在汉诺威贸易博览会上博足了眼球，展示了了MAC经典永磁无刷直流电动机和其相关的驱动系统，这使得无刷直流电机在国际上引起了广泛关注，世界各国对无刷直流系统的研发和生产进入了狂热阶段，这种现象也说明了无刷直流电机的实用性已经得到充分证实，通往实验性转为实用性的束缚也已打破。1986年HRBOLTON通过一系列实验和分析，对方波型无刷直流电动机做了一个全面系统的剖析，并做出了大量的总结工作，这使得人们对方波无刷直流电动机的理论方面的了解也更加具体。对于无刷直流电机的研究工作，我国由于国力和当时处境对其有所限制，相比之下，开始较晚，直到二十世纪八十年代，国家对无刷直流电机的研究才开始重视起来，但只有高等院校和科研院所在哪方面花费大量财力，少有一些公司去着手研究。经过多年的努力，我虽然在无刷直流电机的控制系统的研究方面取得的成果也颇为丰富，即使如此，与是跟国际水平相比，还是落后很多，差距仍然比较明显。这种形式，很有必要耗费大量的财力、精力与人力去研究、去探索，还有许多地方值得我们去学习、还有很多空间等着我们去发展。因此，对于无刷直流电动机进行研究，获得更多相关技术，让差距与发达国家水平缩到最小，这对满足国民生产和人们的生活需要都具有非常重要的意义。这些年来，电子控制技术和永磁材料的发展迅速，特别是控制理论技术方面，出现了单片机、FPGA、CPLD、DSP等微处理器，这使得电机技术的发展进一步提升，让永磁无刷电动机制造特别是使用电子整流技术的成本有了较大的改变，大为减小。无刷直流电动机作为发展最快的新型电机之一，目前已被公认为是最具备工业应用前景的。众所周知，永磁无刷直流电动机在工作原理和基本结构上具有相当多的优点,特别是高可靠、高效率的性能让人为之难忘。因此,在以后更多的领域中我们会发现永磁无刷直流电动机将会逐步得以应用,已成为小电机发展的趋势，特别在我们的日常家电中，我们会发现更多它的身影,相信随着时代的变迁，对于传统结构的交流电机难以掌控的特征和普通直流电机有机械电刷换向的一一取代是指日可待的。综上所述,随着电力电子技术的进一步发展和永磁材料的更新换代,已经经验的积累，永磁无刷直流电动机技术将会不断得到提升和变得更加完善,如果研究人员积累了更多关于永磁无刷电动机开发经验,并进行深入探索、分析和加以应用、开发，这将使永磁无刷电动机的进入一个新纪元1。12研究现状及分析目前无刷直流电动机发展研究现状是在国内，无刷直流电机的生产规模和市场份额不断扩大,但是，相关技术落后、管理调控缺失、产品使用滞后、生产成本偏高等一系列重大问题；而且,外资企业对真正技术含量较高的产品，保留了其中关键的零部件和技术。在这种双重缺陷的条件下使得我国自主开发能力异常薄弱，制约我我国无刷电动机的发展，与国际先进水平相比差距越来越大。现在，无刷直流电机的技术越来越成熟，在我国的发展也突飞猛进。我们在各个领域都能发现他的身影，如在航模、医疗器械、家用电器、电动车等方面，在一些地方已经开始批量生产，出现了一定的规模。在国外，通过对无刷直流电机的研究情况在各个国家的分布情况，可以发现发达国家与中国差不多，除了美国和日本这两个国家以外，他们在无刷直流电动机的生产和应用上游很大突破，无刷直流电机制造与控制技术已经非常的先进。如日本仓毛电器公司研究出了很多相关产品，如KRK系列的无刷直流电机。特别是在美国,无刷直流电机技术已被用于不同领域，一些公司这方面的技术也比较成熟。例如RJNK、USA的产品核心主打工厂自动化领域,器设备领域会有许多PAPST的身影,而KOLLNNORG公司的产品主要在国防和航天领域取用。从二十世纪末,世界各国对直流无刷电机的研究异常火热,进过种种努力，其存在的问题也一一克服，新的研究成果也纷纷呈现在人们眼前特别是美国的AHMRUBAAJ博士，和同事一起克服层层险阻，研发出了一种新型的永磁无刷直流电机,其独特之处就是转子与一般的电机相同，但定子却和有刷直流电机的转子相似，通过开关电子电路和位置传感器达到绕组的顺序换向。这一新型电机实现了大范围的自然换向，运行过程中所引起的转矩波动明显减少，空间占有率也大为减小。几年之前，位置传感器相关技术也越发成熟，这种让固定于定子上的霍尔元件获取信号以监测转子位置的混合观测装置也出现在市场上，且其价格便宜，电机成本大为减小，不仅如此，监测的精确度也更高。随着技术的积累，各国对无刷直流电机的研制开发、技术探索工作也越来越成熟,相信无刷直流电机对我们身边的各个领域中将会实现更多的经济与实用价值。无刷直流电机控制系统包括电机本体、电子开关电路、位置传感器，它涉及电机技术、电力电子技术、磁感技术、检测与传感器技术以及自动、现代控制理论技术等等，这些技术的发展与进步将推进无刷直流电机控制技术的延伸2。13研究目的及意义电机的发展已经经过了一个世纪的进程，由于电机作为机电能量转换的装置，在人们的日常生活经常能见到它的身影，并且国民经济的各个领域也非常广泛。无刷直流电机不仅具有传统有刷直流电动机良好的机械特性和转速控制性能,调节方便，良好的动态特性等优点,而且还具备了像交流电动机那样的一些长处，比如说构造单一、容易维护、运转可靠等等,正因为它拥有了这类优点，所以在当今社会很多的高新科技和精密的范畴发挥了极度普遍的作用。在军事装备方面，如果使用无刷直流电机，精度和响应速度将更容易达到要求。在民用领域，随着现在电子技术、电机技术、自动控制技术、传感器技术以及人工智能技术等高新技术的发展，无刷直流电机在各种医疗器械、化工轻纺、仪器仪表、信息通讯以及家用电器等方面都有很大的作用，普及范围逐步发散。现在的社会发展速度快，很多新科技新技能新产品都改革创新，无刷电机在人们的生活中和各种用得到电机的地方受到了普遍的欢迎。无刷直流电机凭借其性能优势，在很多场合其它类别的电动机已被取而代之，其应用和研究的重视重视程度颇高。通过对无刷直流电机的研究，国家可以在各个领域中受益3。因此，对无刷直流电动机本体、电子开关电路、位置传感器以及在其控制过程中出现的问题进行进一步的开发研究，意义重大3。14本文的主要内容本论文针对无刷直流电机BLDCM的研究，采用PD控制方法,实现转速、电流的双闭环控制。主要内容如下（1）本文对无刷直流电动机的研究背景、发展历史、研究目的及意义以及国内外无刷直流电动机的发展状况都作了简单的介绍,并详细的介绍了无刷直流电动机控制技术的发展。2分析了无刷直流电动机的基本结构及工作原理,同时建立无刷直流电动机的数学模型。（3）分析和研究了电流环、速度环的双闭环系统，设计出了双闭环控制的实现电路,并进行分析（4）对MATLAB/SIMULINK仿真软件进行详细分析，并阐述MATLAB/SIMULINK仿真工具在无刷直流电机的转速电流闭环控制系统中的使用详情。（5）对无刷直流电机双闭环控制系统进行剖析，详细介绍各个子模块。为验证控制算法和控制策略的合理性，在分析无刷直流电机数学模型的基础上，建立基于MATLAB/SIMULINK的无刷直流电机的转速电流闭环控制系统整体仿真模型，进行仿真研究，验证电流环、转速环双闭环的控制策略的可行性、有效性。第二章无刷直流电机的结构、原理、特性及数学模型21无刷直流电机的基本结构无刷直流电机的设计思想来源于有刷直流电动机，但与有刷永磁直流电机相比，其内部结构却呈现相反的状态，无刷直流电动机为了实现无电刷也能转向，这就要求首先把普通直流电动机进行大的转变，放在定子上是电枢绕组，而放在转子上的是永磁磁钢，然后机械刷也要被替换掉，以电子开关电路来代替，以此实现电机的无刷换相。图21永磁无刷直流电机总体结构框图1一转轴2一轴承3一前端盖4一螺钉5一定子铁心6一转子铁心7一后端盖8一传感器支架对于我们所常见的直流无刷电动机，对其内部结构进行剖析，可以认为其基本结构是一台由电子开关线路、永磁同步电动机本体以及转子磁极位置传感器三者共同组成，其组成框图如图22所示，这相当于一个电子电动机系统4。直流电机功率电子开关电路负载直流电机位置传感器图22无刷电机的原理框图211电动机本体无刷直流电动机最初的设计思想就其名字就可以知道，是基于直流有刷电机的改进，最大的不同是将直流电动机的定子、转子位置进行了互换，它没有笼型绕组和其他的一些启动装置，它的转子为产生气隙磁通的永磁结构，定子是相对于电枢绕组。原直流电动机的电刷和机械换相被逆变器和转子位置检测器所代替。所以无刷直流电动机的电机本体实际上是一种永磁同步电机。如图23。由于无刷直流电动机的电机本体为永磁电机，所以无刷直流电动机也称为永磁无刷直流电动机。电机本体的组成部分要满足多方面的要求，主要是一下几个方面其一是转子中的永磁材料，它的作用是在气隙磁场中产生气隙磁通，因此为了电机能够正常运转就要求它在工作时能够产生足够大的气隙磁通；其二是定子电枢绕组，它的作用是通过电枢绕组的电枢电流以产生电磁转矩，同样为了使电机正常运作就要求通过电枢绕组的电流大小要适当，以产生大小合适的电磁转矩；其三就是电机的结构构造方面要牢稳，以便在各种恶劣环境下都能够正常工作；其四是从节约经济效益方面来考虑，要求节省材料，尽量减少不必要的浪费，同时还要兼顾电机的运行效率，要保证它的可靠性5。A结构示意图（B）定转子实际结构图23无刷直流电动机结构从电机本体的组成结构我们可以知道它有很多种类型，下面简要描述一下电机本体类型其中的几类。主要从定子电枢绕组的相数、转子的极数和气隙磁场的方向来进行简单的介绍。由所学知识可知电机的绕组有很多种不同的类型，有星型和三角形，他们都与逆变器中的各个开关功率管相互连接，其中，三相无刷直流电机最为常见。铁氧体和铝镍钴是无刷直流电机使用初期所用的材料，但目前大多数无刷直流直流电机大多采用了顽矫力高、耐氧化、耐腐蚀、剩磁密度高的钐、钕混合稀土金属与过渡金属（如钴、铁等）组成的稀土永磁材合金材料，如钐钴（SMCO）、钕铁氮（NDFEN）、铝镍钴（ALNICO）、钕铁硼（NDFEB）6。212电子开关电路电子开关电路也就是逆变器，主要是将直流电转换成交流电，并向电机供电。电子开关电路实现定子绕组的传导和传导时间序列，它主要是由一个逻辑开关和位置信号处理组成。位置传感器信号确定定子绕组的导通顺序和传导时间。虽然如此，但是位置传感器的信号需要经过相关的适当的处理转换成电信号后才能用来控制功率逻辑开关单元。控制电路的核心部件是权利的逻辑开关单元，其主要功能是最终让电机不断地产生连续转矩实现正常工作。目前，在无刷直流电动机的逆变装置中，功率元器件大都采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件，有些主电路已有集成的功率模块（PIC）和智能功率模块（IPM），选用这些模块可以提高系统的可靠性。逆变器主电路有桥式和半桥式两种，它们具有容易控制、开关频率高、可靠性高等诸多优点。213位置传感器位置传感器在无刷直流电机中有相当重要的功能，检测转子磁极相对定子绕组的位置信号，为接下来的电子开关电路提供准确的换相信息（即将转子磁极的位置信号转换成电信号），并可以完成测速，然后去控制定子绕组换相。转子位置传感器与电机轴连接。要驱动电机的转子旋转就需要一定的转矩来驱动它，这个转矩就是由通过定子电枢绕组相数其中一相的电枢电流和转子的永磁体在工作气隙中产生的气隙磁场两者相互作用而产生的，控制电子开关装置需要转子位置转换为电信号，这个任务是由位置传感器，这些制剂可以使每相定子绕组将根据传导顺序，并会按照一定的顺序换相，其顺序和转角同步，从而实现换向作用。这是因为定子的相电流会随转子的位置变化而变化。位置传感器的检测包含有位置传感器和无位置传感器两种形式。位置传感器种类较多，且都具有自己特点。在有位置传感器检测方法中，无刷直流电机习见的位置传感器有以下几种形式电磁式位置传感器、磁敏式位置传感器、光电式位置传感器78。综合上面论述可知,对无刷直流电机图各部分的主要组成如下图24所示。直流无刷电动机电子开关电路电动机本体位置传感器主定子位置信号处理主转子光电码盘霍尔元件功率逻辑开关图24直流无刷电动机的组成框图22无刷直流电机的工作原理无刷直流电动机的构造向来都是电枢为转子，磁铁为定子，由空气间隙的转子中的永磁体产生气隙磁场，它的作用是控制定子各相绕组开关电源的电子设备，其中电机电枢通电后将产生感应磁场。磁场的无刷电机定子绕组前进，这将导致运动特性不同于其他类型的电机。对于导致它的磁场是跳跃式的原因，通过分析可知，是由于无刷直流电机的定子电枢绕组的开关状态是有限的，这使得由定子电枢绕组产生磁场的位置是有限的，因此它产生的定子磁场不会同时幅值一定而且连续旋转。虽然说定子电枢磁场是跳跃式的，但是为了电机能够正常运转，它仍然要和转子磁场同步，这里所说的同步是指相对同步。如果与转子的磁场相比，定子磁场总是在运动90度范围内的领先，然后定子磁场之间的相互作用，产生的平均电磁转矩的转子。那是因为在这种情况下运动时，定子磁场总是能够吸引着转子磁场使其跟着定子磁场而不断地正向旋转运动。同样，如果与转子的磁场相比，定子磁场总是在它周围90度的运动范围，和定子磁场之间的相互作用，产生的平均电磁转矩转子负。那是因为在这种情况下运动时，定子磁场总是能够吸引着转子磁场使其跟着定子磁场而不断地反向旋转运动910。简而言之，如果平均电磁转矩，使定子、转子磁场和不变量之间的相互作用，必须使定子、转子磁场可以实现空间相对静止的位置。这里的相对静止有两层含义其一是平均电磁转矩是恒定的，而不是瞬时电磁转矩是恒定不变的，换句话说就是瞬时转矩可以因为机械惯性的原因而发生变化，但是在总体上它的平均值保持不变。其二是定子和转子的位置在空间是相对静态的，绝对的不是字面上的。也就是说，即使在定子磁场和转子磁场相对运动，但它们一般是同步的，平均电磁转矩常数。23无刷直流电机的运行特性为了使分析得到简化，我们可以忽略电枢绕组的电感和不考虑电子开关器件的动作过程，在这种情况下，无刷直流电动机的电压方程可以表示为（232DCTAUERI1）式中开关器件的管压降。TU电枢电流。AI线电动势，即电机的反电动势。E在三相六状态模式的无刷直流电机，在电机的每一刻都将有两个相绕组导通，使电动机的反电动势可以表示为（23215MEIPWENC2）式中电机的电动势常数，。EC215EIP电枢绕组的电流为（232STAUEIR3）在电机运行的任意时间内，两相绕组磁场的合成和转子磁场由于电磁转矩的作用，其电磁转矩表达式可以表示为（2342MAEATAIPWEITICI4）式中电机的转矩常数，。TC4TIPC转子的机械角速度，。260N电机的转速为（232STAEURINC5）空载转速为（23022751STSTSTIEIUUNPWCP6）无刷电机的运行特性主要包括三个部分，比如说机械特性、调节特性和工作特性。下面我们简单的介绍一下它的三个特性。221机械特性从上式（235）我们可以把无刷电机的机械特性表示为222STASTEEEEURIURNCC可以发现无刷直流电机与普通直流电机方程有相同的机械性能，但其机械特性硬。以大小不同的电压去驱动电动机，这时候就得出了电机的特性曲线，从图31所示看出。当电机在转矩较大、转速较低的情况下运转时，就会产生有很大的电流流过开关管和电枢绕组，那么随着电流的增大，此时的压降管就会迅速增大，这将减少所施加的电压的电枢绕组，如图31的大转矩机械特性曲线，低速度曲线偏离直线，并向下弯曲。电机在不带负载时的转速（即空载转速）可以用公式（236）计算求出，电机的堵转转矩可以用公式表示为2STSTTSTTUCIR式中堵转电流。STI4T0NET1T23图25机械特性曲线222调节特性如下图25所示即是无刷直流电动机的调节特性曲线，由曲线可以看出，尽管各曲线的起始电压不同，但是其斜率仍然是一样的。由计算公式（234）和式（235）可以计算得到电机的调节特性的起始电压和斜率的表达式分别表示为02ETTRUC1EK上述给出了无刷直流电机的机械特性曲线和其转速调节特性曲线，这些曲线都很好的显示了无刷直流电动机控制系统所具备的很好的控制性能和一些其他的比较令人满意的性能指标，除此之外，而且它们的机械特性都比较硬，运行稳定。总之，从上面的介绍我们可以了解到，我们可以利用改变电压的大小来调节电动机转速的大小。图26调节特性曲线223工作特性在无刷电机的工作特性中，它主要是包括电流与系统输出转矩之间的关系、效率与系统输出转矩之间的关系。以下讨论无刷直流电动机的特点。（1）电动机的电枢电流与输出转矩的关系MTKI由上式可以看出，电枢电流随着输出转矩的增大而增大，特性曲线如图27所示。（2）效率和电机的输出转矩之间的关系电机的效率为211P式中电机的总损耗。P电机的输入功率。1电机的输出功率。2其中,，、为电机相电压电流的平均值，可以通过直接测量各相电1PUII压电流然后计算得出。，是电机的输出转矩，是一个物理量，是电枢表2T面圆周速度，公式如下。260FNP没有输出转矩，即0时，电动机的效率为0，而后随着输出转矩的增大，电T动机的效率也就增大。当电机和不断流失的可变损耗相等，那么电机效率达到最大值，效率，并减少与增加输出转矩。效率和输出转矩之间的关系，电枢电流和输出转矩，如图27所示。图28还给出了某无刷直流电动机的效率特性曲线，它比现有的感应电动机的效率还要高百分之二十左右，而且它在很宽的负载范围内都能保持高效率运行。相比其他电机无刷直流电机，其主要优点是效率高和低损耗8。2NMN0IAPC2IMAXTI图27无刷直流电机工作特性曲线MAXI图28无刷直流电机的效率特性曲线24无刷直流电机的数学模型电机的转速降落是由它的负载而引起的。的大小会影响到电机的调速NNNN范围和静差率。在电机的实际运转过程中是要求它的调速范围高并且静差率要低。为了实现这一功能，只要将减小。从开环的调速系统中我们可以N/NERIC看出是没法改变的，因为这些物理量都是由电机参数决定的，不是我们人为可NN以改变的。从上面的论述我们可以知道要想解决这个问题，我们可以采用闭环系统，就是采用反馈，在闭环系统中可以减小，也即是实现了电机的调速范围高和静NN差率低等要求。通过对自动控制原理相关知识的应用，反馈的作用就是使被调节的量保持基本不变。它的基本工作情况就是在反馈系统中，将被调节的量与系统给定的量进行比较作差，将所得的偏差值用来控制系统，最后能够很好的减少因外界的扰动而造成的影响。从相关资中料我们可以知道直流电动机三相六状态是非常常见的明星两相导通，用运动区在工作生活频繁，因为这种工作方式其调节性能好的速度，而且构造简单，控制方便。接下来我们简单地分析了无刷直流电机的数学模型，为简单起见，我们仍以同样的方式工作为例。为了建立数学模型是非常好的，我们可以直接选择变量用于电机，无刷电机或如果正交轴线选择变换分析，这种方法是不可能达到理想的效果，主要是因为它的气隙磁场、反电动势以及电枢电流都是非正弦的。我们可以根据无刷直流电机的相变量来构建数学模型和分析传递函数、电磁转矩、电压方程、等效电路等特性。为了简明起见，先做如下假设（1）定子齿槽的影响忽略不计；（2）气隙的磁感应强度是梯形波（和方波相似）；（3）在气隙磁通中电枢反应对它的影响忽略不计；（4）忽略电机磁滞和涡流损耗；（5）三相绕组完全对称2。241无刷直流电机的电压方程在运行过程中，转子位置虽然不停变换，但无刷直流电机的转子磁阻还是不随其变换，正由于这种情况，使得定子绕组的自感和互感都为常数，由此，可得出相绕组的电压平衡方程（240AAAABBBBTCCCCURILMIEDII1）式中、定子相绕组的电压（）。AUBC、定子相绕组的电流（）。II、定子相绕组的电动势（）。AEBC每相绕组的电阻（）。R每相绕组的自感（H）。L每两相绕组间的互感（H）。M由于三相绕组为星形连接，0，因此，MMM0，所以式（2AIBCAIBCI41）可以变为（242）000AAABBBTCCCCURILIEDILI242电磁转矩无刷直流电机电机的电磁转矩大小与磁通和电流的大小有很大的关系，既和磁通成正比,又和电流幅值成正比，通过分析，可得其转矩方程为（243）NEABCPTIEI其中电机的角度数电机的极对数N下面是无刷直流电机的运动方程（244）ELTDTJ式中电机的负载转矩；电机的转动惯量。J在无刷直流电机运行的过程中，为了使产生的电磁转矩比较恒定，这就要要求电机实现其反电动势为梯形波，而定子电流为方波，并且在这种情况下，每半个周期时间内，反电动势的平顶部分要为120度电角度的梯形波，方波电流的持续时间也为120度的电角度，而且在整个过程中保持一致。243状态方程根据（241）式的电压方程，可以得到重点电压方程，则无刷直流电机的状态方程为24510010AAABBBCCCCLMIURIEPIIL244传递函数无刷直流电动机的运行特性与传统的直流电动机没有多大区别，大致相似。根据传统直流电机的结构，可以绘出无刷直流电动机的动态结构图，如下图29所示。ESECLTS1RGC2375GDSEIS图29无刷直流电机的动态结构框图从上面的无刷直流电机动态结构框图可知，传递函数如下（212SSLMMKNUTT12SSLMMKNUTT6）UNS式中电动势传递系数；1K转矩传递函数；2电机时间常数。MT245电机的等效电路图无刷直流电机的电压方程以在前面进行过分析，据此可得出其等效电路如下图210所示。图中所标出的相电流和相反电动势的偏向都是它的正方向9。图210无刷直流电动机的等效电路图中直流侧电压，DU功率开关器件，16T为续流二极管。VD第三章无刷直流电机双闭环控制策略31双闭环控制直流调速系统目前，就电力传动系统而言，转速电流双闭环控制直流调速系统是最为经济、适用的，并且应用极为广泛。对于无刷直流电机控制系统的动态特性和稳态特性，如果要使其获得很好状态，需要采用的是速度电流双闭环的控制策略，这种控制策略是最后的选择，其控制策略框图如下图31所示。可知，无刷直流电机双闭环调速系统中的速度调节器和电流调节器都采用PI调节器设计，两个PI调节设计均是通过软件来实现的，通过对双闭环调速的原理和PI调节器的原理进行分析，并通过MALAB/SIMULINK工具进行仿真验证，主要是验证双闭环控制策略在控制无刷直流电机的可行性和有效性，并为后面PI参数的调整提供一定参考。PWM同步速度计算BLDCM位置检测PI调节PI调节位置检测N图31双闭环系统控制策略框图311双闭环控制系统的组成与稳态结构转速电流双闭环控制系统的结构框图可设计成如下图32所示，这种直流调速控制系统是极为典型常见的，特别是在启动、运行和控制等性能表现突出，在实际工程应用中也极为广泛。PWM控制电流调节器驱动电路BLDCM电流调节器速度计算给定速度位置检查电流检测图32双闭环控制结构框图参考相关资料，可画出双闭环调速系统的稳态结构状态框图，如下图33所示，其中的两个调节器都是PI调节器，且都具有带限幅作用的。图中，ASR为转速调节器，电流给定的最大值输出由ASR的限幅电压确定，ACR为电流调节器，电IMU力电子变换器的最大输出电压受到了ACR的输出限幅电压制约，下图33DMCM中表现带限幅的输出特性效果就是PI调节器在稳态过程中所体现的功能。图33双闭环直流调速系统的稳态结构框图转速反馈系数电流反馈系数当运行过程中负载电流小于时，转速电流双闭环直流调速系统的静态特性DMI将呈现为速度无静差，这时，电流负反馈将不起主要的作用，而是转速负反馈。分位置参数DI析可知，只有当负载电流达到时，电流调节器ACR才发挥起主要的作用，系统DMI将呈现的是电流无静差，这种情况对电流的保护作用是非常明显的，不要认为调控。这种成效是通过选用2个PI调机器，以此达到内、外两个闭环实现的。N0B0DNIAC图34双闭环直流调速系统的静特性图34呈现了转速调节器ASR退出饱和状态的前提，经过一段时间当ASR进入如图所示饱和状态时，若负载电流开始出现减小的情况，随DIMDLMI着系统的运行，转速将呈现上升姿态，ASR将因此反向积分，从而N0使ASR调节器又改变了饱和状态，进过了一个轮回，再一次进入线性调节状态，使系统回到静特性的AB段。312双闭环调速原理图转速电流双闭环调速系统原理图根据下图35所示。图中控制电压为正电压CU方向，并且运算放大器有倒相功能。同稳态情况相当，两个调节器的输出都具有限幅功能，其中，电流所给定的电压最大值由转速调节器ASR的输出限幅电压确定，电力电子变压器的最大输出电压受电流调节器ACR的输出限幅电压IMUDMU制约。CASRACRUPETGIUM内DIITANUN外图35双闭环调速系统原理图图中ASR转速调节器；ACR电流调节器；TG测速发电机；TA电流互感器；UPE电力电子变压器。313双闭环调速系统数学模型与动态性能分析转速电流双闭环调速系统的动态结构框图据下图36所示，图中对应的SASRW是转速调节器的传递函数，对应的是电流调节器的传递函数。SACRW图36双闭环直流调速系统的动态结构框图在转速电流双闭环调速系统的设计过程中，我们总是期望最后的结果是在电动机启动开始时，必须实现启动的时间极短。如何达到快速启动呢这就要求电流环控制电流的整个过程中就需要达到这种情况，电动机的最大允许值要保持一段DMI时间，充分利用电动机的过载能力，在电动机启动完成并达到稳态转速后，这时起主要作用将是速度环，通过保持速度的跟踪，如果负载突变等情况发生时，电流环将再次发挥作用。通过实验验证，可得出比较理想的快速启动过程根据下图37（A）所示，但是主电路电感会对其有影响，它的存在会造成一些波动，因此实际的波形如下图37（B）所示。DMIDLIDMIDINDLI2TT4T1T30T（A）理想的启动过程；（B）双闭环直流调速系统起动时的启动过程图37双闭环调速系统的启动过程时电流和转速波形图32PI调节器的原理与分析321PID调节器的原理PID（比例积分微分）在我们身边的各个领域都可以见到它的身影，如自动控制原理、运动控制系统等控制方面，是一个常见的数学物理术语。在控制系统的设计过程中，最主要的内容是对是PID控制器的参数的一个整定过程。它主要是依据被控制进程的特征来确定PID控制器的参数比例系数、积分时间和微分时间，其大小就跟这个过程有关。对PID控制器参数整定有许多方式来设定，归纳起来有一下两种其一是理论计算整定法。这种方法跟其数学模型有关联，通过一系列的理论计算过程来准确的设定系统控制器的参数。但在某些场合，我们还需要根据工程实际情况来进行详细的调整设定并改变。其二是工程整定方法。对于这种方法，它不能被系统的归纳出来，由于工程实践中积累的经验有很大联系，如果经验丰富，你0会发现这种方法非常的简单易用，在各种工程实际运用过程中总有它的身影，非常广泛。就其工程整定的方法，又可以细分为以下几种临界比例的方法、反应曲线的方法和衰减法。三种方法的特点都不大相同，但也有相同的地方，那就是在工程整定的过程中都是首先通过试验来分析，之后根据工程实践中的经验所得出的公式来对控制器参数进行整定。所有的这些方法所得的控制器的参数并不尽如人意，在工程最后我们都需要做最后的调整设定与改善。现在一般采用的是临界比例法。数字PID控制器的控制作用有以下几种（1）比例调节器；（2）比例积分调节器；（3）比例积分微分调节器。322双闭环PI调节的分析论文中无刷直流电机双闭环系统用到的是数字PI调节器，PI调节器是电力拖动自动控制系统中最常见的一种控制器，在微机数字控制系统中，当采样频率足够高时，可以做一下的过程来处理第一步根据模拟控制系统的设计方法来对调节器进行策划，然后再对其进行离散化，最后得到的数字控制器的算法，这里所描述的过程就是模拟调节器的数字化。PI调节器的传递函数如式（31）所示，（31SKPPISW1）式中PI调节器的比例部分放大系数；KPPI调节器的积分部分放大系数。采用模拟控制是，可用运算放大器来实现PI调节器，其线路原理和特性如图38所示图38比例积分（PI）调节器的原理和特性无刷直流电机双闭环控制系统中，负载扰动同样引起的变化，图39绘出NU了比例积分调节器的输入输出动态过程。综合上述情况，可以知道有以下的特点C其一响应性能非常快速，调速系统的静态误差能够被去除。UNUC2T00T1TCFU图39无刷直流电机双闭环控制系统中PI调节器的输入与输出动态的过程无刷直流电机双闭环控制系统中转速的控制是通过转速外环实现，电流的控制是通过电流内环实现的。在控制过程中，对于电流参考的实现过程可以由式子（32）来达到，即通过对实际转速和参考转速做差再进行比例积分计算；而下一次出现的占空比是通过电流反馈与电流参考值做差再进行比例积分算法得到，占空比所能T2T1T实现的功能就是对电动机进行调节速度，如下列式子（33）。（31REFKPKKIKE2）式中电流参考值；REFKI速度比例系数；PK速度比例系数；1第K次采样时速度误差。KE（311WMKIPKIIKPEK3）式中下一个占空比；K电流比例系数；IP电流积分系数；1I第K次采样时电流误差10。IKE33双闭环直流调速系统的设计控制系统中经常出现调节器的设置过程，在许多领域都用到了调节器，如自动控制、检测系统等方面，转速电流双闭环控制系统中用到了PI调节器，在对这些PI调节器进行配置后，我们能有效的改善系统的静、动态性能。如今电力拖动自动控制系统都是电力电子器件、集成电路等组成的，这些元器件的惯性都很小，但是电动机是特例，组成方式与前者不同。如果我们对整个系统的处理过程简化得较为合理，并进行近似化处理，就可以得到低阶系统，这些低阶系统种类繁多，而如果想得到一些典型的低阶结构，这就需要添加运算放大器或者通过微机数字来控制调节，这样就能够达到比例、积分、微分等控制规律，通过简化或者近似处理自然能得到简单易算的低阶系统