基于Matlab的无刷直流电动机双闭环调速系统研究

1、河南工业大学 控制系统仿真姓 名： XXX 班 级： 自动0901班 学 号： 200948280105 成 绩： 2012年 11月 8 日设计题目基于Matlab的无刷直流电动机双闭环调速系统研究设计内容和要求1分析无刷直流电机的数学模型,2 建立双闭环的数学模型3 利用Matlab中的Simulink对无刷直流电机进行建模,并在此基础上进行了双闭环调速系统仿真. 报告主要章节第一章 无刷直流电机介绍1.1无刷直流电机简介1.2无刷直流电机调速系统的研究现状和未来发展1.3 本设计的主要内容第二章 无刷直流电机原理 2.1 无刷直流电机的概述2.2无刷直流电机数学模型第三章双闭环直流调速系

2、统的理论设计3.1 系统工作原理3.2系统的参数描述3.3电流环与转速环的设计3.4 matlab与simulink仿真总结参考文献基于Matlab的无刷直流电动机双闭环调速系统研究第一章 无刷直流电机介绍1.1 无刷直流电机简介无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。 无刷电机是指无电刷和换向器(或集电环)的电机，又称无换向器电机。早在上世纪诞生电机的时候，产生的实用性电机就是无刷形式，即交流鼠笼式异步电动机，这种电动机得到了广泛的应用。但是，异步电动机有许多无法克服的缺陷，以致电机技术发展缓慢。本世纪中叶诞生了晶体管，因而采用晶体管换向电路代替电刷与换向器的直流无

3、刷电机就应运而生了。这种新型无刷电机称为电子换向式直流电机，它克服了第一代无刷电机的缺陷。1.2无刷直流电机调速系统的研究现状和未来发展目前国内外无刷直流电机的一般控制技术应经比较成熟，但日本和美国具有较先进的无刷直流电机制造与控制技术。特别是日本在民用方面较为突出，而美国则在军工方面更加先进。当前的研究热点主要集中在以下三个方面：研究无位置传感器控制技术以提高系统可靠性，并进一步缩小电机尺寸与重量；从电机设计和控制方法等方面出发，研究无刷直流电机转矩波动抑制从而提高其伺服 ，扩大应用范围；设计可靠小巧，通用性强的集成化无刷直流电机控制器。无位置传感器控制技术：传统的无刷直流电机通过位置传感器

4、来直接检测电机转子的位置。无位置传感器控制技术主要通过电机内易获取的电压或电流信号，经过一定的算法处理，得到转子位置信号，也称为转子位置简介检测法。目前检测方法主要有：反电势法；电感法；磁链法；续流二极管法；观测器估计法；智能估计法等。其中反电势法原理简单应用较为广泛。采用无位置传感器控制的无刷直流电机一般较难直接起动，因此其起动问题一直是研究的热点和难点。利用反电势法检测转子位置的无刷直流电机三段式起动方法已经比较成熟，该方法从电机起动到稳定运行可分为三个阶段：定子定位、加速和切换。其他无位置传感器控制下的电机起动方法，如预定位起动、升频升压同步起动法和短时检测脉冲转子定位法等也都有了一定的

5、应用。1.3 本设计主要内容本设计从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用Simulink对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。第二章 无刷直流电动机数学模型以两极三相无刷直流电机为例来说明数学模型的建立过程。电机定子绕组为Y接集中整距绕组，转子采用隐极内转子结构，3个霍尔元件在空间相隔120°对称放置。在此结构基础上，另作如下假设以简化分析过程：(1) 忽略电机铁心饱和，不计涡流损耗和磁滞损耗；(2) 不计电枢反应，气息磁场

6、分布近似认为是平顶宽度为120°电角度的梯形波；(3) 忽略齿槽效应，电枢导体连续均匀分布于电枢表面；(4) 驱动系统逆变电路的功率器件和续流二极管均具有理想的开关特性。可得三相绕组电压平衡方程为： (2-2)式中： ua ub uc 定子绕组相电压(V)ia ib ic定子绕组相电流(A)ea eb ec 定子绕组相电动势(V)P 微分算子P=L 每相绕组的自感(H)M 每两相绕组的互感(H)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Y连接，并且没有中线时，则有：ia+ib+ic=0Mib+Mic=-Mia将式式代入式可得电压方程为：(2-3

7、)电磁转矩为：Td=(eaia+ebib+ecic) (2-4)式中： 电机的角速度(rad/s)在通电期间，直流无刷电动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： (2-5)式中：pm 极对数 N 总导体数 m 主磁通 n 电动机转速从变频器的直流端看，Y型联结的无刷直流电机的感应电动势E。由两相绕组经逆变器串联组成，所以有 (2-6)因此，电磁转矩表达式可化为： (2-7)式中：Id 方波电流的幅值 电机的角速度， 由式(2-6)可以看出，直流无刷方波电机的电磁转矩表达式与普通直流电机相同，其电磁转矩大小与磁通和电流的幅值成正比，所以控制逆变器输出方波电流的幅值即可控制直流无刷

8、方波电机的转矩。另外电动机转子的运动方程为： (2-8)进一步化简可得 (2-9)式中： 负载转矩 转子与负载的转动惯量 粘滞阻尼系数由于本系统采用120°型三相逆变器，任一时刻只有两相通电，直流无刷方波电机的输出相电压幅值为，因此，对于每相绕组有如下动态方程式： (2-10)式中： 电源电压忽略粘性摩擦，电动机的转矩平衡方程式为： (2-11)由式(2-10)可得： (2-12)对式(2-9)和式(2-11)两边分别进行拉式变换后得： (2-13) (2-14)联合式(2-13)和式(2-14)，并考虑到，得到直流无刷方波电机的动态结构图，如下图所示。第三章 双闭环直流调速系统的理

9、论设计 3.1系统的工作原理 3.1.1双闭环直流调速系统的介绍双闭环调速系统的工作过程和原理：电动机在启动阶段，电动机的实际转速(电压)低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器, 此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值, 电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流(堵转电流)可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在电动机转速上升到给定转速后, 速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和

10、状态,闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动,速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压相应变化,从而校正和补偿电动机的转速偏差。另外电流调节器的小时间常数, 还能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的变化进行快速调节,可以在电动机转速还未来得及发生改变时,迅速使电流恢复到原来值,从而使速度更好地稳定于某一转速下运行。 3.1.2双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。两者之间实行嵌套连接，如图11所示。把转速调节器的输出当作

11、电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。图1 转速、电流双闭环直流调速系统其中：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-电力电子变换器 -转速给定电压 Un-转速反馈电压 -电流给定电压 -电流反馈电压 3.1.3转速、电流双闭环直流调速系统一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达到稳态转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运

12、行状态。这种理想的起动过程如图2所示。0nnt 图2理想启动过程图3双闭环直流调速系统动态结构图参考双闭环的结构图和一些电力电子的知识，采用机理分析法可以得到双闭环系统的动态结构图如图3所示。3.2系统的参数描述参数： 3.3电流环与转速环的设计在设计双闭环调速系统时，一般是先内环后外环，调节器的结构和参数取决于稳态精度和动态校正的要求，双闭环调速系统动态校正的设计与调试都是按先内环后外环的顺序进行，在动态过程中可以认为外环对内环几乎无影响，而内环则是外环的一个组成环节3。工程设计的步骤如下：1对已知系统的固有特性做恰当的变换和近似处理，以简化调节器结构。2根据具体情况选定预期特性，即典型系统

13、或典型系统，并按照零极点相消的原则，确定串联调节器的类型。3根据要求的性能指标，确定调节器的有关P、I、D参数。4校正 3.3.1电流环的设计1、电流环的简化：图4简化后电流环按典型I型系统设计，ACR选PI调节器。i=Tl，Ki=（KiKs）÷(iR)2、确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数。三相桥式电路的平均失控时间；（2）电流滤波时间常数。三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波头，应有，因此取；（3）电流环小时间常数。按小时间常数近似处理，取。3、确定将电流环设计成何种典型系统根据设计要求，而且，因此，电流环可按典型型系统设计。4、电流调节器的结构选择电流调

14、节器选用PI型，其传递函数为：5、选择电流调节器参数ACR超前时间常数：；电流环开环增益：因为要求，故应取，因此于是，ACR的比例系数为。6、计算电流调节器的电路参数图5 电流调节器原理图电流调节器原理如图5所示，按所用运算放大器，取，各电阻和电容值计算如下：，取；，取；，取。3.3.2转速环的设计1、转速环的简化：U*n(s)aIdL(s)n (s)+-ASRCeTmsRId (s)a /b TSns+1+-图6 简化后的转速环2、确定时间常数：（1）电流环等效时间常数为；（2）转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取；（3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取。3、转速环设计

15、系统：由于设计要求转速无静差，转速调节器必须含有积分环节；有根据动态设计要求，应按典型型系统设计转速环。4、转速调节器的结构选择转速调节器选用PI型，其传递函数为：。5、选择转速调节器参数按跟随和抗干扰性能都较好的原则取h=5，则ASR超前时间常数：；转速开环增益：；于是ASR的比例系数为：。6、计算转速调节器的电路参数转速调节器原理图如图7所示，按所用运算放大器，取，各电阻和电容值计算如下：，取；，取；，取。图7 转速调节器原理图2系统仿真双闭环直流调速系统定量仿真模型：双闭环直流调速系统定量仿真结果：转速环空载高速启动转速环满载高速启动转速环的抗扰分析：可以使电流快速达到，并保持略低于的值

16、，实现快速启动，最终达到恒速。且具有抗扰作用，使转速维持在给定值。空载能比满载更快速启动。小结本文通过建立直流电机转速、电流双闭环调速系统数学模型设计，根据具体指标参数，应用工程方法设计了电流调节器和转速调节器，设计中选择合适的调节器类型，给出了系统动态结构图并进行了仿真和性能分析。结合直流无刷电机和高等数学的基本知识建立了直流无刷电机的数学模型，并在此基础上设计了双闭环直流调速系统。并利用MATLAB及其中的仿真工具Simulink，对所设计的电流环和转速环的阶跃信号进行了仿真计算，很容易绘制出各单位扰动曲线，并计算出阶跃扰动响应性能指标，从阶跃扰动响应曲线及其指标得出:对扰动信号，该系统具有很强的抗扰性能。 由仿真计算结果表明，利用MATLAB的simulink对各调速系统进行仿真设计，可以迅速直观地分析出系统的跟随性能、抗扰性能及稳定性，使得对系统进行分析、设计及校正变得更简单方便，大大缩短了系统调试周期，提高