无位置传感器BLDC控制系统关键技术研究与仿真

中 北 大 学 信 息 与 通 信 工 程 学 院 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 1 页 共 40 页无位置传感器 BLDC 控制系统关键技术研究与仿真摘 要无刷直流电机的结构是以电力电子线路取代传统的有刷直流电机的电刷，具有运行效率高，调速性能好，可靠、维护简单等优点，是一种高性能、高可靠性的机电一体化产品。本文对关于三次谐波检测法的无位置传感器控制技术进行了研究，构建了无位置传感器永磁无刷直流电机的控制系统，并通过仿真测试验证了方案的可行性和有效性。论文的主要工作如下：（1）介绍了永磁无刷直流电机的发展状况，论述了它的工作原理与控制方法，并建立永磁无刷直流电机本体的数学模型，同时在综合分析以往研究成果的基础上针对无位置传感器无刷直流电机控制中的若干技术给出了可行的解决方案；（2）采用三次谐波检测法来检测转子的位置，即通过检测三次谐波来确定转子的位置，从而得到定子绕组的换相信息；（3）论文对无位置传感器无刷直流电机控制的关键技术起动方法进行了研究，详细分析了“三段式”起动方法实现的过程，给出了从外同步到自同步平稳切换的条件；（4）控制系统采用双闭环控制,即速度环与电流环来组成调速控制系统,并利用MATLAB/Simulink 对电机模型进行仿真。关键词: 无位置传感器,永磁无刷直流电机,三次谐波位置检测法，MATLAB 中 北 大 学 信 息 与 通 信 工 程 学 院 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 2 页 共 40 页Research and Simulation on the key technology of sensorless BLDC control systemAbstractThe structure of the brushless DC motor is the power electronic circuit ，which replace the traditional electric brush brush DC motor, with high efficiency, excellent performance, reliable, easy maintenance and other advantages,is a high performance, high reliability of the mechanical and electrical integration products.In this article, the sensorless control technology is studied on three harmonic detection method, designing the control system of sensorless permanent magnet brushless DC motor, and the feasibility and validity is proved by simulation test.The main work and innovations are as follows：Firstly,it introduces the development status of permanent magnetic brushless DC motor, and discusses the working principle and control method of it, besides, the establishment of permanent magnet BLDCM mathematical model without body, at the same time in a comprehensive analysis based on the results of previous studies for the sensorless control of BLDCM is given in a feasible solution.Secondly, using the three harmonic detection method to detect the rotor position, namely through the detection of the three harmonic zero-crossing point to determine the position of the rotor, resulting in stator winding commutation information.Lastly, BLDC motor control technology - starting methods are studied in the project, a detailed analysis of the process of three sections start method, obtained from external synchronization to self synchronous stable switching conditions.In addition,I use Simulink to simulate the motor model.Key word: Without position sensor,Permanent magnet brushless DC motor，The three harmonic detection method，MATLAB 中 北 大 学 信 息 与 通 信 工 程 学 院 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 3 页 共 40 页目 录1 概述 .11.1 研究背景 .11.2 无位置传感器 BLDC 研究状况及发展趋势 .11.3 论文研究的主要内容 .22 无刷直流电机的原理与控制 .32.1 永磁无刷直流电机的结构与工作原理 .32.1.1 永磁无刷直流电机的结构 .3 2.1.2 永磁无刷直流电机的工作原理 .42.2 控制方法研究 .72.2.1 带位置传感器控制 .72.2.2 无位置传感器控制 .83 永磁无刷直流电机的建模仿真. .103.1 无刷直流电机的数学模型 .103.2 永磁无刷直流电机基于 MATLAB 的仿真 .123.2.1 机械模块 .133.2.2 转矩计算模块 .133.2.3 反电势求取模块 .143.2.4 绕组电气模块 .153.2.5 逆变器模块 .163.2.6 PWM 发生模块 .163.3仿真结果 .184 起动方法研究与过程分析 .214.1 起动方法分析 .214.2 起动过程设计 .225 反电势三次谐波检测法 .255.1 反电势三次谐波检测法的提出 .255.2 反电势三次谐波检测的原理 .25 中 北 大 学 信 息 与 通 信 工 程 学 院 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 4 页 共 40 页6 全文总结 .31参考文献 .32致谢 .34 中 北 大 学 信 息 与 通 信 工 程 学 院 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 5 页 共 40 页1 概述1.1 研究背景无刷直流电机（Brushless DC Motor,简称 BLDCM),作为直流电机系统的发展方向之一，受到了工程技术界的日益重视，是近年来随着微处理器技术、新型电力电子器件、新型控制理论的发展，以及低成本、高磁能的永磁材料的出现而发展起来的一种新型直流电动机。它具有运行速率高和调速性能好等诸多优点，因此被广泛应用于各种调速系统中。与传统的有刷直流电机相比，它克服了机械换向方法进行换向所存在的相对机械摩擦、噪声、火花及寿命短等弱点，既具有直流电机运行效率高，调速性能好等优点，同时也有交流电机运行结构简单、可靠、维护简单等优点，是一种高性能、高可靠性的机电一体化产品 12。为了实现对永磁无刷直流电机控制系统的研究，需要知道电机转子的位置信号和速度信号，通过位置信号来确定转子磁极位置，然后控制定子绕组的换向。通常，转子位置信号由一个光电式霍尔传感器给出，而传感器的存在给永磁无刷直流电机的应用带来诸多不便：如为了安放传感器而增加的电机体积和成本，高温低温、污浊空气等环境及振动会降低传感器的可靠性，传感器的安装精度直接影响电机的运行性能，从而相对增加了生产工艺的难度 2。近年来，随着半导体技术的快速进步与永磁材料的新发现，高性能、低成本的永磁无刷直流电机已成为调速系统的领军力量，它有巨大的开发潜质和广阔的应用前景，对我国国民经济的发展具有十分重要的意义 3。1.2 无位置传感器 BLDC 研究状况及发展趋势长期以来，直流电机因其优良的特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但普通的直流电机由于需要机械换向和电刷，可靠性差，需要经常维护，且换向时产生电磁干扰，噪声大，从而影响了直流电机在控制系统中的应用。为了克服机械换向带来的缺点，人们进行了长期的探索后，以电子换向取代机械换向的永磁无刷直流电机应用而生。而后经过人们多年的努力，随着许多的新型高性能半导体功率器件（如GTR,MOSFET,IGBT等）相继出现，以及高性能永磁材料的问世，均为无刷直流电机控制系统的广泛应用奠定了坚实的基础。我国永磁无刷直流电机的研制工作始于上世纪70年代初期，主要集中在一些科研院所和高等院校。无刷 中 北 大 学 信 息 与 通 信 工 程 学 院 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 6 页 共 40 页电动机具有无换向火花、无无线电干扰、寿命长、结构简单、可靠性高、维护方便、运行效率高和调速性能好等多项优点，但传感器的存在给永磁无刷直流电机的应用带来诸多不便，如为了安放传感器而增加的电机体积和成本等。相反，若采用无位置传感器控制会使得无刷直流电动机结构更加简单，应用范围更加宽广。当人们认识到这一问题时，就掀起了对无位置传感器永磁无刷直流电机研究的高潮 34。近年来，无位置传感器永磁无刷直流电机的研究可谓是炙手可热，而关于无位置传感器的转子位置检测引起了人们的极大兴趣。多年来，人们提出了许多实用方案，基本上可以归纳成五个方面：端电压法、电流法、磁链法、状态观测器法和人工智能方法。前三种方法的研究已相对比较成熟，并得到一定范围的应用，而人工智能方法估计转子位置的研究尚处于起步阶段。目前，我国国内对无位置传感器永磁无刷直流电机控制做了较多的研究工作，如沈建新等人提出了利用绕组端电压检测转子位置的方法；陈剑、陆云波等人提出的通过检测反电势中的三次谐波来获得转子位置的方法；哈尔滨工业大学的张福恩教授把反电势法应用于洗衣机电机的无传感器控制，取得了满意的效果 6。针对位置传感器带来的不利影响，近一二十年来，永磁无刷直流电机的无位置传感器控制一直是国内外的研究热点，也是直流电机控制器的发展方向。1.3 论文研究的主要内容本课题主要是对无位置传感器无刷直流电机关键技术的研究与仿真。论文详细的分析了无刷直流电机的工作、控制原理和数学模型，控制过程以及实现方法，对系统各个模块进行了设计及仿真。主要工作可分为以下几个方面：（1）掌握了永磁无刷直流电机的基本结构和工作原理，并建立其动态数学模型；（2）由无刷直流电机的数学模型，在 MATLAB/Simulink 中建立各个模块模型；（3）设计 BLDC 无位置传感器的位置检测方法并研究相应的电机启动方案与过程分析；（4）在 MATLAB 中进行仿真，确定各参数的合适值，证实本设计的可靠性。 中 北 大 学 信 息 与 通 信 工 程 学 院 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 7 页 共 40 页2 无刷直流电机的原理与控制2.1 永磁无刷直流电机的结构与工作原理2.1.1 永磁无刷直流电机的结构永磁无刷直流电机(BLDCM)是随着电力电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型电机。它的基本原理是借助转子位置信号，通过驱动电路驱动逆变电路的功率开关元件，首先使电枢绕组按照一定的顺序导通，从而电机气隙中产生旋转磁场，拖动永磁体转动。随着转子的转动，转子位置信号以一定规律变化，从而控制电枢绕组的导通和截止，实现永磁无刷直流电机的持续运转 3。和一般直流电动机类似，无刷直流电机转矩的获得也是通过改变相应电枢绕组电流在不同磁极下的方向，从而使得电磁转矩始终朝着固定的方向旋转，但是无刷直流电动机没有电刷和换向器，为了实现电枢电流在不同磁极下的换向，无刷直流电机必须具有相应的换流装置：位置检测电路和电子换向电路。它的结构框图 2-1 所示：图 2-1 无刷直流电机的结构当定子绕组的每一相通电时，电流与转子磁场相互作用，产生转矩以驱动转子旋转，从而使定子各相绕组按照一定次序导通，定子相电流跟随转子位置的变 中 北 大 学 信 息 与 通 信 工 程 学 院 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 8 页 共 40 页化而按一定的次序换相，电子换向线路的导通次序和转子转角同步，起到了机械换向器相同的换向作用。无刷直流电动机可以认为是个闭环的机电一体化的系统，由电动机本体、电力电子线路和位置检测电路三个部分组成。直流电源通过电子开关线路向电机定子绕组供电，位置传感器随时监测转子所在位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而自动的控制哪些绕组通电，哪些绕组断电，实现电子换向。图 2-2 所示为无刷直流电动机的组成原理图。图 2-2 无刷直流电机组成原理图下面对无刷直流电机的三个组成部分进行介绍：（1）电动机本体：永磁无刷直流电机本体包括定子和转子。其中，定子主要是由硅钢冲片和分布在他们槽内的电枢绕组以及机壳、端盖、轴承等部分组成；转子是由转轴、永磁体和磁轭等部分组成。通常，转子的结构分为两种：凸极式（永磁体贴在转子外表上）和内嵌式（永磁体内嵌在转子铁心中） 。（2）电子开关线路：永磁无刷直流电机电子开关线路用于控制电机定子各项绕组通电的顺序和时间，主要有功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。功率逻辑开关单元是控制电路的核心，它将电源的功率以一定的逻辑关系分配给电机定子上的各相绕组，以便使电机持续不断的转动。位置传感器的信号一般需要经过一定逻辑处理后再去控制逻辑开关单元，进而再决定各相绕组导通的顺序和时间。（3）转子位置传感器：转子位置传感器在永磁无刷直流电机中起着检测转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换向信息，即将转子磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换向。位置传感器种类很多：磁敏式位置传感器、电磁式位置传感器、光电式位置传感器和霍尔式传感器。2.1.2 永磁无刷直流电机的工作原理直流电源 电力电子线路 电机本体位置检测电路 中 北 大 学 信 息 与 通 信 工 程 学 院 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 9 页 共 40 页无刷直流电机的定子电枢绕组一般为三相，论文中采用三相星形连接结构的无刷直流电动机为例简述无刷直流电机的工作原理 34。三相星形连接的无刷直流电动机与三相桥式换向，电路相结合，就构成三相全控运行方式，由于这种运行方式较三相半控方式具有转矩脉动小、绕组利用率高等优点，目前被广泛使用。下图所示为无刷直流电动机的三相全控原理图 7。图 2-3 无刷直流电机的三相全控原理图三相全控运行方式因同时导通的绕组数不同又分为两两导通方式（又称120导通方式）和三三导通方式（180导通方式） 。两两导通方式：每一瞬间有两个功率管同时导通，每隔 1/6 周期换向一次，每次换向一个功率管，每个功率管导通 120电角度，在图 2-3 所示的电路中，各功率管按照 V1V2、V2V3、V3V4、V4V5、V5V6、V6V1、V1V2顺序循环导通。三三导通方式：每一瞬间有三个功率管同时导通，每隔 1/6 周期换向一次，每次换向一个功率管，每个功率管导通 180电角度，在图 1-3 所示的电路中，各功率管按照V1V2V3、V2V3V4、V3V4V5、V4V5V6、V5V6V1 、V6V1V2 、V1V2V3 的顺序循环导通。 中 北 大 学 信 息 与 通 信 工 程 学 院 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 10 页 共 40 页图 2-3 绕组两两导通时合成磁势图图 2-4 三相反电动势波形结合图 2-3,2-4 对两两导通方式下的永磁无刷直流电机的换向过程进行分析：假设转子转到(a)所示的位置，通过位置检测，控制器输出控制信号使功率开关管V1V2 导通，即绕组 A、C 相导通，电流流经途径为：电源正极-v1 管-A 相绕组-C相绕组-V2 管 -电源负极，电枢合成磁势为 Fac。在合成磁势 Fac 的作用下，转子顺时针转动。当转子顺时针转过 30电角度。到达 T0 位置时，转子磁势方向与B 相中的负磁势-Fb 方向相同，此时 B 相中的反电势为零。转子继续顺时针转过30电角度，到达（b）的位置，转子位置传感器输出变化，经控制器逻辑变换后使 V1 管导通，V3 管导通，电流流通途经为：电源正极-v3-B 相绕组-C 相绕组-v2 中 北 大 学 信 息 与 通 信 工 程 学 院 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 11 页 共 40 页管-电源负极，电枢合成磁势为 Fbc。在合成磁势 Fbc 的作用下，转子继续顺时针旋转，经过 30电角度达到 T1 位置时，此时的悬空相 A 相绕组的反电势为零。在经过 30电角度，转子到达（c）位置时，转子位置检测出现变化，控制器关断功率管 V2，导通功率管 V4.以此类推，转子沿顺时针方向每转过 60电角度，功率开关管切换一次，功率开关管导通逻辑为 V1V2，V2V3，V3V4，V4V5，V5V6，V6V1，转子磁场始终受到合成磁场的作用，沿顺时针方向连续转动。在换相过程中，定子绕组电流在空间内所形成的合成磁场不是连续的旋转磁场，而是一种跳跃式的旋转磁场，每个步进角度为 60电角度。2.2 控制方法研究无刷直流电机的供电电流为方波，控制系统需要获得转子的位置信号，以给定子各相绕组依次通电，在气隙中产生旋转磁场，它与转子磁极主磁场相互作用产生电磁转矩，以此驱动永磁转子连续不断的旋转。按照获得转子位置信号的方法将无刷直流电机的控制方法分为带位置传感器和无位置传感器控制两种。2.2.1 带位置传感器控制带位置传感器的无刷直流电机控制，通过位置传感器获得转子的位置及其变化，改变三相绕组的的通电方式，对定子绕组进行换向，整个控制过程与以下几个因素有关：（1）位置传感器：作用就是将检测到的转子位置信号送入控制系统，它的种类有磁敏式、电磁式、光电式和霍尔式位置传感器。（2）换向的实现：根据电动机的旋转情况，可以得到霍尔位置信号和绕组电流换向的对应表，根据对应表来实现电机的换向。带位置传感器的无刷直流电机起动过程控制比较容易实现，只要增大电机起动时的电压或电流从而实现电机的旋转，根据电机静止时的位置信号，按照正向或反向换向顺序进行通电，即可确保电机的初始旋转方向 8。2.2.2 无位置传感器控制无位置传感器无刷直流电机的控制，是指不依赖位置传感器，通过另外的方式得到转子位置信号、角速度等状态量，从而确定逆变器功率管的切换，进而对 中 北 大 学 信 息 与 通 信 工 程 学 院 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 12 页 共 40 页定子绕组进行换向，保持定子电流和反电势在相位上的同步的一种控制方法。由此可见，无位置传感器技术的要点就是利用简单易行的方法在全速度范围内准确可靠地估计转子位置的关键点。此处涉及到几个关键技术点：（a）简单易行，所采取的转子位置估计方法必须在现有的器件和技术基础之上可以实现以及容易实现；（b）全速度范围：指理想的转子位置估计方法应该在电机从静止开始启动到额定速度范围内均可以实现对转子位置的估计；（c）位置估计准确:通过前面对有位置传感器技术的论述,不难理解准确的估计换相点(转子位置)对电机的运行具有重要的作用，就目前无刷电机无位置估计技术现状而言，这三个方面尤其是后两者可以算是该技术面临的难点问题。目前，国内外研究人员就无刷直流电机的无位置传感器控制技术方面进行了很多的研究并提出了很多方法,主要有反电动势过零点检测方法、反电动势积分法、三次谐波反电势检测法、续流二极管监测法、磁链估计法、扩展卡尔曼滤波法等等 8。（1）反电势过零检测法：在 BLDCM 中，绕组的反电动势是正负交变的，当某项绕组的反电动势过零时，转子直轴恰好与该项绕组轴线重合，因此只要检测到各相反电动势的过零点，就可获知转子的若干个关键位置，从而省去转子位置传感器，实现无位置传感器 BLDCM 的控制，它的转速范围约为 300-800r/min。这种方法的缺点是：静止或低速时反电动势信号为零或很小，难以准确检测绕组的反电动势，因而无法得到有效的转子位置信号；系统低速性能较差，需要采用开环方法进行起动。（2）反电动势三次谐波积分检测法：这种方法适用于 120导通、绕组星形接法的 BLDCM 控制中。由于反电动势中必然包含有三次谐波分量，获取此分量并对其进行积分，当积分值为零时即得到相应的转子位置信息。这种方法能使无刷直流电机在较大的转速范围内保持较大的每安培转矩数和较高的效率。（3）反电势积分法：这种方法是对非导通相绕组的反电动势积分从而获得转子位置。当关断相的反电动势过零点时，开始对其绝对值进行积分，当积分值达到一个设定的阀值时停止积分，此时获得转子位置信号，对应于定子绕组的换流时刻。改变此阀值就可实现高速时为提高转矩而采取的换流角超前控制。这种方法也需要采取开环启动方式，逆变桥中的功率器件的开关噪声影响这种方法的低速特性。 中 北 大 学 信 息 与 通 信 工 程 学 院 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 13 页 共 40 页（4）续流二极管监测法：是通过监测反并联于逆变器 6 个开关管的续流二极管中非导通相续流二极管的导通和截止情况来判断转子的磁极位置。这种方法实际上是对反电动势过零点的间接检测，但却改善了无刷直流机的低速性能，获得了较反电动势过零点检测法更好的调速范围。由于静止时无法检测到转子位置，起动方式也需采用开环方式。但是较好的低速性能改善了起动特性，这种方法的缺点是总共六路的检测电路增加了硬件电路的复杂性，这种方法需要逆变器采取开关管 120导通期间前半段调制后半段开通的方式工作，增加了控制上的难度。（5）磁链估计法：是利用测量定子电压和电流而估算出磁链，再根据磁链与转子位置的关系估计出转子的位置。Ertugrul 等人所介绍的算法包含有两个电流环结构，内环矫正磁链的估计值，外环则调整位置估计值。这种方法有较高的准确度，受测量误差和电机参数变化的影响也很小，对包括从静止起动在内的宽调速范围内，这种方法都可以准确地检测到转子位置。（6）扩展卡尔曼滤波法(EKF）：常用于 PMSM 的无位置检测磁场定向控制中，但因其算法计算量大而限制了在实际中的应用，具有强大计算能力的数字信号处理器解决了这个难题。最近出现了利用 ADSP33O 来实现的扩展卡尔曼滤波法无刷直流电动机无位置传感器控制，软件的复杂任务使得硬件十分简单，仅仅需要 4 个电阻分压网络即可，并在家电和工业中应用了这种控制算法。DSP 的快速计算能力实现了扩展卡尔曼滤波法算法(共 500 条指令，13us 的执行时间)，保证了实时获取转子位置、速度和扰动转矩信息，使系统的可靠性和运行性能大大提高 823。 中 北 大 学 信 息 与 通 信 工 程 学 院 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 14 页 共 40 页3 永磁无刷直流电机的建模仿真3.1 无刷直流电机的数学模型本课题以三相星形连接的无刷直流电动机来分析无刷直流电机的数学模型。由于永磁无刷直流电机的气隙磁场是梯形波，它的反电势以及电流是非正弦的，因此采用交-直流坐标变换不是有效的分析方法，通常直接利用电机的相变量来建立数学模型。（1）假设磁路不饱和，不计涡流损耗和磁滞损耗，三相绕组完全对称，由电机电压平衡方程 得三相绕组的电压平衡方程式为：ELRIUdti（ 3-1）式中：Ua、Ub 、Uc 为定子绕组相电压；Ia、Ib、 Ic 为定子绕组相电流；ea、eb、ec 为定子绕组相电动势；P 微分算子=d/dt；L 每相绕组的自感（H ） ；M每两相绕组之间的互感（H） ；r 每相定子内阻；由于转子磁阻不随转子的位置变化而变化，因此定子绕组的自感和互感为常数，当三相绕组为星形连接，并且没有中性线时，有： （ 3-2 ）并有： （ 3-3 ）将式（3-2 ）与（3-3 ）带入（3-1）得: eiiucbacbacb PLMr0a0icbacM eiiucbaccbacba PMr00 中 北 大 学 信 息 与 通 信 工 程 学 院 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 15 页 共 40 页（ 3-4 ）（2）电磁功率表达式： （ 3-5 ）电磁转矩是由定子绕组中的电流与转子磁钢产生的磁场相互作用而产生的。表达式为： （ 3-6 ）其中， 为电机角速度，其中一相方波电流与梯形波反电势的波形如下图所示：图 3-1 方波电流与梯形波反电势由式（3-6）可看出，永磁无刷直流电机的电磁转矩的大小与磁通和电流幅值成正比。为产生恒定的电磁转矩，要求定子电流为方波，反电势为梯形波，且在每半个周期内， ，方波电流的持续时间为 120电角度，梯形波反电势的平顶部分也为 120电角度。在通电期间，无刷直流电机的带电导体处于相同的磁场下，各相绕组的感应电动势为： （ 3-7 ）式中 p 为极对数；N 为总导数； 为主磁通；n 为电机转速，Ke 为反电势常数从变频器的直流端看，Y 型联结的无刷直流电动机感应电动势 E 有两相绕组经逆变器串联而成，所以有： （ 3-8 ）60pdNEieicbaeTcbae nPNEke60eAiAIPEPiAeAO t 中 北 大 学 信 息 与 通 信 工 程 学 院 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 16 页 共 40 页电磁转矩表达式可表示为: （ 3-9 ）IETPNdden其中 Id 是方波电流的幅值。（3）永磁无刷直流电机的转子运动方程： （ 3-10 ）TlBJdte式中： ：负载转矩；J：转子与负载的转动惯量，B ：粘性阻尼系数l由于本系统采用 120导通电压型三相逆变器，任一时刻只有两相通电，无刷直流电机的输出电压幅值为 ，因此，每相绕组的动态电压平衡方程式为：2usU( 3-11 )EULRdt2iiuads为直流电源的电压， 为每项绕组的内阻。s a3.2 永磁无刷直流电机基于 MATLAB/Simulink 的仿真MATLAB 是 MathworkS 公司推出的一款功能强大的仿真软件，是控制系统设计和仿真领域最受欢迎的软件系统，具有模块化的计算方法，可视化与智能化的人机交互功能。它有丰富的矩阵运算数据处理函数以及模块化图形组态的动态系统仿真工具 Simulink，此外它提供的电气系统模块库(PowersystemBlockset)为电气传动的研究带来了方便。其中的 Simulink 模块是动态系统建模与仿真的一个集成环境，可以用己建好的数学模型来成功搭建仿真模型。下图为基于 MATLAB构建的永磁无刷直流电机的仿真模型： 中 北 大 学 信 息 与 通 信 工 程 学 院 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 17 页 共 40 页图 3-2 无刷直流电机本体模块3.2.1 机械模块由式(3-10)运动方程可建立机械部分模块的仿真模型如图 3-3,其中 k 模块表示无刷直流电动机转动惯量 J 的倒数。 中 北 大 学 信 息 与 通 信 工 程 学 院 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 18 页 共 40 页图 3-3 机械部分模块3.2.2 转矩计算模块根据永磁无刷直流电动机数学模型中的电磁转矩方程式(3-6)可得电磁转矩模块如图 3-4 所示：其输入为转子转速、三相相电流以及三相反电动势，三相反电势与三相电流通过点乘模块点乘后再与转速的倒数通过乘法模块即可得到电磁转矩。图 3-4 转矩计算模块3.2.3 反电势求取模块理想情况下,两相导通星形六状态的定子三相反电动势的波形如图 3-1,根据转子位置将运行周期分为 6 个阶段:0/3,/32/3,2/3,4/3,4/35/3,5/3-2.据电机转过的电角度来求取反电动势,用 M 文件编写 ,程序如下:function y=emf(u) 中 北 大 学 信 息 与 通 信 工 程 学 院 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 19 页 共 40 页global K;W=u(l);Theta=u(2);Ke=u(3)Theta=Theta*360/2/Pi;Theta=mod(Theta,360);将电角度转化到0,360if(Theta=0)&(Theta=60)&(Theta=120)&(Theta=180)&(Theta=240)&(Theta=0)&(Theta=60)&(Theta=120)&(Theta=180)&(Theta=240)&(Thetag(1) ml=0;end 中 北 大 学 信 息 与 通 信 工 程 学 院 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 35 页 共 40 页if u(2)=g(2) ml=ml+1; end set-param(gcbUser Pata, u(1),u(2),ml); if ml=1 sys=1;0;0;0;0;1; else if ml=2 sys=1;0;0;1;0;0; else if ml=3 sys=0;0;0;1;1;0; else if ml=4 sys=0;1;0;0;1;0; else if ml=5 sys=0;1;1;0;0;0; else if ml=6 sys=0;0;1;0;0;1;End仿真结果图如下所示：图 5-5 A 相反电势与 Usn 的电压 中 北 大 学 信 息 与 通 信 工 程 学 院 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 36 页 共 40 页6 全文总结无刷直流电机是一种高性能，高可靠性的机电一体化产品，具有直流电机运行效率高，调速性能好等优点，同时也有交流电机运行结构简单、可靠、维护简单等优点。本课题主要是对无位置传感器无刷直流电机关键技术的研究与仿真，论文详细的分析了无刷直流电机的工作、控制原理和数学模型，控制过程以及实现方法，对系统各个模块进行了设计及仿真。主要工作可分为以下几个方面：（1）掌握了永磁无刷直流电机的基本结构和工作原理，并建立其动态数学模型；（2）由无刷直流电机的数学模型，在 MATLAB/Simulink 中建立各个模块(电机本体仿真模块、机械模块、转矩计算模块、反电势求取模块、逆变器模块、绕组电气模块、PWM 发生模块）模型；（3）设计 BLDC 无位置传感器的位置检测方法（反电势三次谐波检测法）并研究相应的电机起动方案（“三段式”起动）与过程分析；（4）在 MATLAB 中进行仿真，确定各参数的合适值，证实了本设计的可靠性。本人由于水平有限，论文中有疏漏和错误之处，请老师和同学批评指正，我将不胜感激。 中 北 大 学 信 息 与 通 信 工 程 学 院 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 37 页 共 40 页参 考 文 献1 易继锴，江祥贤，侯媛彬.电气传动自动控制原理与设计M.北京:北京工业大学出版社，19972 张琛.直流无刷电动机原理及应用M.北京：机械工业出版社，19943 牛海清，谢运祥.无刷直流电动机及其控制技术的发展J.微电机，20024 龚俊，陆国林.无刷直流电机在工业中的应用与发展J.微种电机，2000,（4）： 15-185 李现兵，黄娟，师宇杰，王广州.现代电力电子器件与现状J6 陆云波.基于三次谐波检测法的无刷直流电动机微机控制系统的研究D.西安：西安交通大学，20017 吕志勇，江建中.永磁无刷直流电机无位置传感器综述J.中小型电机，20008 蒋金良，刘海清，谢运祥.“无刷直流电动机转子位置的估计方法”.微电机，2003，No.19 刘豹.现代控制及理论.北京：机械工业出版社，199210 王翼，王秀峰.现代控制论基础.北京：高等教育出版社，1995 11 于长官.现代控制理论及应用.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,200212 王永.“反电动势”无刷直流电机控制系统研究D.南京：东南大学，200413 雷浩.无位置传感器无刷直流电动机控制系统研究D.武汉：华中科技大学，200614 董富红，纪志，沈艳霞，吴定会.直流无刷电机定子三次谐波反电势的过零检测及其相位修正J.中小型电机，2003,30（4）：18-21