无刷直流电机电流滞环控制策略仿真

1、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魏海峰二零一四年六月江苏科技大学本科毕业论文无刷直流电机电流滞环控制策略no current hysteresis loop control strategy of dc motor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： 魏海峰职 称：副教授毕业设计(论文)题目：无刷直流电机电流滞环控制策略一、毕业设计(论文)内容及要求(包括原始数据、技术耍求、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，mat

2、lab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电流滞环控制系统；(4) 撰写论文，通过答辩。ill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1.5万字）；（2）外文译文：一篇（不少于5000英文单词）；（3）无刷直流电机电流滞环控制系统仿真模型：一套；三、完成ei期及进度2013年3月17日至2013年6月13日，共13周。进度安排：3.17-4.7：熟悉任务要求,查阅资料，翻译外文资料；4.5- 5.5：学习、掌

3、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；5.5- 5.19：学习、掌握 matlab/simulink 的使用；5.20-6.1：在matlab/simulink屮构建无刷直流电机的电流滞环控制系统 仿真模型，并调试；6一6.13：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）汤蕴參，罗应立，梁艳萍.电机学（第三版）机械工业出版社,2008.（2）张琛.无刷直流电动机原理及应用（第二版）.机械工业出版社,2004.（3）王兆安，黄俊.电力电子技术（第四版）.机械工业出版社,2005.（4）陈们吋.电力拖动自动控制系统运动控制系统（第三版）.机械

4、 工业出版社，2004.（5）张志涌.精通matlab 6.5版教程.北京航天航空大学出版社,2005.（6）潘晓.matlab电机仿真糟华50例.电了工业出版社,2007.系（教研室）主任：（签章）年月日学院主管领导：（签章）年月日摘要众所周知，无刷直流屯动机控制系统具冇新型的调速系统。它具冇结构简单、 运行可靠、维修方便、调速性能好等优点。它采用电子换相装置代替传统的有刷 直流电动机中的电刷，解决了电机在运行中由电刷产生的摩擦引发的一些不良影 响。它运行性能高、控制方式简便、能够产生很好的经济效益、发展潜力巨大。 由于电力电了技术的飞速发展，无刷直流电动机的发展也口益突出。现如今，无 刷直

5、流电动机在工农业生产以及人们的f1常生活中获得了更为普遍的使用。由于 工业牛产对电动机控制精度的要求，无刷直流电机对其驱动系统稳定性与及吋性 的要求越来越高，这就要求我们采取合理的控制系统，在电动机的发展中是极为 重耍的。木文采用pi控制器来调节速度，电流控制器采用电流滞环控制，从而形成 无刷直流电动机电流滞环控制系统。本文中简单地描述了电机的基本结构，分析 了电机的工作原理。在matlab/simulink环境下运用各个相关的独立功能模块来 搭建无刷直流电机的数学模型，从而实现对无刷直流电动机电流滞环控制系统实 行仿真。仿真和试验结果与理论分析一致，验证了该方法的合理性和冇效性。此 方法也适

6、用于验证其他控制算法的合理性，为实际电机控制系统的设计和调试提 供了新的思路。关键词： 无刷直流电机，matlab/simulink仿真，电流滞环控制系统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;目录第一章绪论11.1研究背景11.2研究现状与分析21.3研究口的及意义41.4本文的主要内容5第二章无刷直流电机的结构、原理及数学模型62. 1无刷直流电机的基木结构62. 1. 1电动机本体62.1.2电子开关电路72. 1.3位置传感

13、器82.2无刷直流电机的工作原理92.3无刷直流电动机的数学模型122. 3. 1无刷直流电机的电压方程122. 3.2电磁转矩132. 3. 3状态方程132. 3.4电机的等效电路图14第三章无刷直流电机电流滞环控制策略153.1转速、电流反馈控制直流调速系统153.1.1转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性153. 1.2转速、电流反馈控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析163.2电流滞环控制原理183.3转速pi调节器原理和分析183. 3. 1 pid调节器的原理193. 3.2双闭环pi调节的分析19第四章基于matlab的无刷直流电机电流滞环控制214matlab/

14、simulink 的介绍214. 1. 1 matlab的简介214. 1. 2 sinrjlink的优点与创建模型步骤214.2无刷直流电机电流滞环控制系统各模块的建立224.2. 1电机本体模块224.2.2转矩计算模块264. 2.3转速计算模块274. 2.4电流滞环控制模块274.2.5速度控制模块284.2.6参考电流模块284.2.7电压逆变器模块294. 2.8位置传感器模块314.3无刷直流电动机电流滞环控制系统总图32第五章系统仿真与结果分析335.1仿真结果335.2结论40结语41致谢42参考文献43第一章绪论1.1研究背景在一百多年的时间里，电动机的发展己经得到了许多

15、的变革，种类也呈现多 样性，但现在最常见也是最主耍的是同步电动机、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，來进行机电能量的转换。三种电机运行, 我们都知道，直流电机具有效率高、调速性能好等诸多优点，但一切都应该一分 为二看，直流电机屮存在的一些不足。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。在这种情况厂使得目而许多的 工工业、农业、制造业等一些生产活动中使用少冇直流电动机的身影，取而代之 的是

16、三相异步电动机。无刷直流电动机与有刷直流电动机木质的不同是没有机械换向器（通常称为 换向器）电刷换向机构和机械接触点相对运动。无刷直流电动机中的转子位置转 换器采用永磁磁铁制成，其属于电子换相器的范畴。转子位置转换器由两部分组 成，其中包折功率开关线路以及电子逻辑电路。无刷直流电动机与有刷直流电动 机换向装置冇差异，但它仍然可以将直流电源在电机内变频交流电，将电能传化 为机械能驱动电机的转动。无刷直流电动机既保持住了有刷直流电动机优异的调 速性能，也克服掉了旋转运动过程中机械换向器和电刷构成的换流机构的接触所 造成的一系列缺点，成为了现代在机电能量转换和运动控制系统屮的重要组成部 分。早在20

17、世纪30年代刚开始的阶段，一些专家开始研究无刷直流电动机，尝 试在电机上使用电了转向器代替电刷机械换向装置，并取得了一些成杲。但是在 当吋的科技水平下，大功率的电子器件的发展才刚刚起步，所以没能找到适用于 无刷直流电动机的电子换相器件。由于上述原因，不只是停留在有刷直流电机的 研究和发展的阶段，也不能投入使用。直到1955年，美国哈里森等人在无刷直流电机中的应用上获得一项专利， 即用晶体管电子换向器代替机械换向器于直流有刷电机的专利，在无刷直流电机 中取得了重大突破，形成了现代的无刷直流电动机的雏形。但该电动机中起动转 矩的问题得不到解决，因此不能实现产品化。在随后的fi子里，经过科研人员的

18、不懈努力和探索，无刷直流电动机有了更进一步的发展。1962年，无刷直流电 动机的换向装置霍尔元件被发明。这项发明促使无刷直流电动机的产品化，从而 促进了工农业的发展。从1970年以后，电力电子工业快速发展。出现了许多新 的高性能的永磁材料，做了良好的铺垫，为无刷直流电机工业发展。1978年，在汉诺威举办的世博会，联邦德国曼内斯曼公司推出的产品引起 了全世界的广泛关注。在其博览会上的展位前大家仔细观摩它生产出的mac系 列的无刷直流电动机及其相关的駅动器。由于该产品的出现，不仅标志着无刷直 流电动机进入实用阶段，而且也提出了无刷直流电动机的研究热潮。随着无刷直流电机逐步深化，逐步形成了完善的电机

19、系统理论。在第二t世 纪80年代后期，h.r.bolton基于无刷直流电动机系统理论的早期研究结果是科 学的，全而的总结。他捉岀了总结关于无刷直流电机的发展方针，未来的研究方 向和领域。这些观点不仅指出了无刷直流电机的进一步研究的方向，也是无刷直 流屯机理论走向成熟的标志。在我国，与西方发达国家相比，在无刷直流电机的研究起步较晚，技术水平 相对落后。中国开始在第二十世纪90年代的无刷直流电机处于初始发展阶段， 后来才技术引进和研究。在北京举办的展览，永磁同步电机伺服系统被著名的徳 国博世、西门了两个跨国公司展示同时还有无刷直流电机的驱动。当时很多学者 对其所体现出的先进的技术水平十分激动，促使

20、了他们对无刷直流屯动机进一步 的研究。通过专家和学者长吋间的努力研究，我国对无刷直流电动机的研究有了 明显的发展，并形成了一定的生产规模，推出了一系列的产品。但我国对无刷直 流电动机的研究冇待进一步的发展，逐步缩小与拥冇先进技术水平国家的差距。现在无刷直流电动机在生活和生产中的齐个领域的应用越来越普遍，这一切 都來源于它相对于其他种类屯机所表现出的优势，例如它的内部简单从而维护起 来相当便捷并且维修成木低廉，它的速度调节效果较其他电机而言表现的更为突 岀，并口工作效率高。无刷直流电动机推动了工业化发展的改革，进一步完善了 屯机系统的组成部分。1.2研究现状与分析在过去相当长的一段时间内，尽管各

21、类交流电动机和直流电动机在电能转换 为机械能的系统应用中占据了主要的位置，但是无刷直流电动机也同样受到了大 家的广泛关注。从第二十世纪90年代以来，人们的生活水平有了显著的提高， 现代工业生产也越来越趋于自动化，智能化，效率高，小型化。由于含有的优点 冇精度高，速度快，效率高，直流无刷电机在家用电器和工业机器人等工业生产 设备中的应用需求不断增长，逐渐成为人们生产和生活中不可缺少的一部分。在 当今社会，曲于能源和资源的逐步匮乏，人们开始提倡节能减排，这就需要高效 率的生产设备来辅助推行，而无刷直流电动机正好具备高效率的优点，体现出它 巨大的应用价值。永久磁铁作为一种高性能的永磁材料在无刷电动机

22、中用于转子的制造，通过 它所产生的气隙磁通能够保持为一个恒定的数值，能够使用于电动机的恒转炬运 行。用于电机的恒功率运行，虽然无刷直流电动机不能通过改变电动机内部的磁 通实现弱磁控制，但能够获得所需要的磁场削弱控制通过改善电机的控制方法。 永磁材料有很多种类，一种貝有高矫顽力的永磁材料，剩磁，每单位体积可以在 其类别有较人的气隙磁通特性，即稀十永磁材料。稀土永磁材料的利用能够人人 地缩小电动机内转子的半径，减小转子的转动惯量。伺服设备，工业机器人和数 控车床的传动系统具有良好的静态特性和良好的动态响应，这就使得无刷直流电 动机相比丁 交流伺服电机和直流伺服电机而言表现出了更多的优越性得到了更

23、好的体现。目前由于无刷直流电动机的发展势头很好，并且其得到了广泛的应用, 既涉及到航空航天等国防事业，也能在我们f1常生活中随处可见，例如电瓶车、 电动汽车以及家用电器等。而今，无刷直流电动机的研究目标重要集中在卜列几个方面：(1) 无机械式转子位置传感器控制。转子位置传感器在电动机驱动过程屮是最为薄弱的环节。因为它不仅降低了 系统的可靠性和抗干扰能力，同时也增加了系统的成本和复杂性，也在电机内部 也占据一定的空间。这个问题迫使人们研发无机械转子位置传感器。空调和电脑 周边设备所需的无机械转了位置传感器无刷直流电机，它体现了非机械式转了位 置传感器中的应用。无机械转子位置的传感器操作实际上就是

24、要求无机械传感器 的前提下，传输和转换的电动机运行吋的电压和电流的数据信息，知道具体位置的转了磁极的相对成熟，无机械式转了位置传感器的控制方法如2反电动势法包括直接反电动势法、间接反电动势法以及派生出來的反 电动势积分法等。定子三次谐波检测法。续流二极管电流通路检测法。尽管上述所提出的方法都有其各口的局限性和不足z处，但仍在不断地加以 完善5（2）转矩脉动控制。转矩脉动存在于无刷直流电动机当中，其随着电动机运行转速的升高而不断 加剧，并11使得屯动机的平均转矩显著下降。可以看出，转矩脉动是无刷直流电 动机的主要缺点，如何降低电机内部转炬脉动成为提高无刷直流电机性能的一个 重要问题。（3）智能控

25、制。随着信息技术的发展以及控制理论的口益完善，智能控制理论作为一种新型 的、先进的控制理论在控制邻域中被深入研究。模糊逻辑控制，专家系统和神经 网络控制是三个最重要的方法和理论于智能控制理论。在它们当屮模糊逻辑控制 己成功地应用到许多方面。模糊控制是一种模糊规则和成熟经验有机地集成到智 能驱动控制策略来控制。随着无刷直流电动机应用范围的不断扩大，智能控制技 术必将受到更广泛的重视。1.3研究目的及意义随着社会生产力的不断发展，人民生活水平显著提高，随着设备更新生产， 这就要求我们制定一个新型电动机来提高生产效率。随着现代科学技术的发展水 平的不断提高，无刷直流电机的应用技术也越来越成熟，邻里和

26、范畴的应用更为 广泛。同时增加冇刷直流电机的使用量是没冇用的，人们也开始耍求其控制系统 的设计越來越高。这些耍求包括优良的控制性能、合适的控制算法、短的开发周 期、低廉的设计以及搭建成本。并且无刷直流电动机科学合理的控制系统的仿真 模型的建立，对于控制系统的快速分析、具体设计，快速检测电机系统控制算法, 降低无刷直流电机控制系统的设计成本，具有十分重要的意义。以高性能的永磁材料和电了换向装置构成的无刷直流电动机来替代传统直 流冇刷屯机的机械换向器，直流冇刷屯机换向器可靠性差、维护差的致命缺点得 到解决。它可以使直流电机的控制性能好，具有维护简单的特点。随着微电子技 术的快速发展和功率集成电路的

27、设计，相应的专业和张动芯片形成，无刷直流电 机控制芯片控制模块与驱动模块产生，并从容地解决了无刷直流电动机驱动和控 制问题。因此无刷直流电动机在控制邻域上表现出广泛的应用191 o此课题研究的目的是在掌握一定的无刷直流电动机知识的基础上，培养掌握 知识、运用知识解决问题的能力，培养一定的工程意识和创新意识，学会和熟悉 一定的工程设计方法，为进一步的学习和能力的培养奠定基础。1.4本文的主要内容本文主要讲述的是无刷直流电动机电流滞环控制策略，在这一控制系统中转 速控制器采用pi调节器，电流控制器采用滞环调节。首先，我告诉你有关的无 刷直流电动机的基本结构，工作原理及数学模型。其次，对无刷直流电动

28、机的转 速控制器及电流控制器的采用元件及相关原理加以阐述。在无刷直流电机电流滞 环控制系统采用双闭环控制方法，反电动势和电流的变化趋势进行了比较，显示 了滞环电流控制的特点。在无刷直流电机电流滞环控制的数学模型分析的基础 上，在simulink提供使用不同的模块，构建了电流滞环无刷直流电机控制系 统仿真模型。并对该系统中的各个工作模块加以说明，同时在其仿真模型上加以 示波器，从而得到无刷直流电动机的转速、转矩、相电流以及反电动势的波形。 通过以上内容对无刷直流电机电流滞环控制策略的理解。第二章 无刷直流电机的结构.原理及数学模型2. 1无刷直流电机的基本结构2. 1. 1电动机本体无刷直流电动

29、机的结构原理图如图21所示。它由三部分组成，包括电子开 关电路，电机木体、位置传感器。在这一部分中，介绍了无刷直流电机的结构原 理。图21所示在整个结构的电机本体与永磁同步电机是相似的，但忽略了-些 启动装置和笼型绕组。电动机木体内的定子绕组通常由多相线圈制成，而电机转 子由永磁磁铁这类高性能的永磁材料制成，并且转子的极对数有一定的要求。上 图屮电机本体的三相定子绕组，与电子开关连接电源开关元件对应连接。观察图 21可知，电机定了绕组的a相，e相，c相绕组分别与功率开关元件的vi, v2, v3连接。位置传感器与电机转了连接，以便跟踪转了的运行状态何。当在一相绕组的定子绕组电机通电时，该相绕组

30、电流及传子永磁磁场形成电 磁转矩，并产生相互作用，从而带动转了转动。与电机转了相连接的位置传感器 时刻跟踪着转子磁极的位置，并将其位置信息转化成电信号，通过该电信号來控 制电子开关线路的关断与导通。通过对电机主体各部分的合作，每相绕组在定子 绕组中以特定的顺序传导，定子电流和转子位置，并以特定的顺序换相变化。电 子开关的导通同步转子旋转角速度的秩序，实现机械换向器的作用。所以在其基本结构的无刷直流电动机，可以认为是由电了开关电路，永磁同 步屯机和位置传感器的屯机系统。其原理框图如图22所示。图2-2无刷直流电动机的原理框图无刷直流屯动机转子永久磁铁的相似性于冇刷直流电动机内部定子上永久 磁铁的

31、作用，可以产生足够的气隙磁场的直流电动机是用来产生电磁转矩，从而 驱动电动机运行何。2. 1.2电子开关电路无刷直流电动机冇电子开关电路，它在电机内部起到换向器的作用，它控制 电机定了每相绕组关断与导通时间和电机定了每相绕组的传导。无刷直流电动机 的屯子开关电路主要出两部分组成，包括位置传感器的信号处理m元和电源开关 逻辑单元，除此开关逻辑单元是来控制电机电路的关键。首先，为了使无刷直流 电机恒转矩，使用功率开关逻辑单元，并将电源电流按逻辑关系，分配给无刷直 流电机的定子每个绕组。其次，利用位置传感器采集电机定子各相绕组的顺序和 时间进行数据信息。位置传感器中产生的是电信号，其不能直接用来控制

32、功率逻 辑开关单元，还需将该屯信号经过一定逻辑处理才行。总之，无刷直流电动机的 组成框图,如图23所示问。图2-3无刷直流电动机的组成框图直流无刷电动帕2. 1. 3位置传感器无刷直流电机采用电了换向器更换直流有刷电机的机械换向装置。在结构上，电枢绕组存在于直流无刷电机的定子上而在冇刷直流电动机的转 子上。永磁磁极存在于直流无刷电机的转子上而在有刷直流电动机的定子上。在 正常情况下，直流电源通过电子换向装置无定子电枢绕组磁场电源直流电机，电 机内部冇一定的位置。通常情况卜，供电的直流电源经过电了换向装置來给无刷直流电动机上的定 子绕组供电，只能在屯动机内部的某些位置产生固定的电枢磁场。该电枢磁

33、场与 电动机内转子所产牛的永磁旋转磁场相互作用获得电磁转矩，但该电磁转炬不是 一个稳定的数值，有很大的波动。要想使无刷直流电动机能够在正反转运行中实 现平稳连续的转动，必须耍在电动机内部添加位置传感器，由位置传感器来跟踪 转了的位置从而來确定定了绕组的止确换相。无刷直流电动机除了电动机木体和 电子开关线路还需要位置传感器，通过转子上的位置传感器來控制电子开关线路 的关断和导通。位置传感器实现了电动机定子绕组的正确换相，并使得定子绕组 所产牛的电枢磁场与永磁转子所产牛的旋转磁场在电动机内部空间上形成90。， 从而获得最大的电磁转矩，驱动电机转动冋。位置传感器由两部分组成，其屮包括位置传感器定子以

34、及位置传感器转子。 定了屈于电动机的静止部分，而转了屈于运动部分。目而，位置传感器已有了很 多种类，以转子上的位置传感器为例就有耦合式、谐振式、敏感式和接近式等种 类。耦合式是指电动机内部变压器耦合和高频空心线圈耦合的状态。谐振式是指采用电容和电感等元件形成的谐振电路。在该谐振电路屮，满足 一定的谐振条件，位置传感器的输出信号将能够达到最强，再通过控制电了开关 线路來实现定子屯枢绕组的关断和导通。敏感式位置传感器从字面上可知即采用敏感元件制成的位置传感器，该位置 传感器能够采集电动机转子的位置信息，并通过输出电信号来控制电子开关线路 以及定子电枢绕组各相的导通顺序。常用的敏感元件冇光敏元件和磁

35、敏元件等。 我们经常用到的光敏兀件和磁敏兀件有光电二极管、霍尔元件等冋o2.2无刷直流电机的工作原理定子在冇刷直流电动机曲永磁体组成，其主要作用是在电动机气隙中产生磁 场。有刷直流电动机屮转子电枢绕组通电后产生电枢磁场，再通过电刷的换向作 用，使得其与永磁定子所产生的气隙磁场相互保持垂直，从而获得最大的电磁转 矩来驱动电动机连续地转动。相反，采取无刷机械换向器的直流无刷电机，转子 由永磁体构成磁极，定了形成电动机定了电板绕组。但只能做这些改变是不够的, 在定子电枢各相绕组的直流供电电源只能产生固定的气隙磁场，气隙磁场不能与 永磁转子的磁场相互作用产生电磁转矩按照恒定方向驱动电机的运转。因此，除

36、 了电机本体由定子电枢绕组以及永磁转子，无刷直流电机也需要位置传感器和电 子开关电路。气隙磁场会产生于使用电子换向器的直流无刷电机定子电枢绕组和 转子永磁磁场彼此71 /2）rad左右的电角度。从而形成恒定方向的最大的电磁传 矩来驱动电动机运转何。以三相星形绕组无刷直流电机控制的半桥电路为例，说明其工作原理及特 点。图24为三相无刷直流电动机电路原理图。在该电路图屮的位置传感器采用 光敏元件vp1、vp2、vp3,而功率逻辑单元由三只功率晶体管vi、v2和v3 构成。图24观察可以看出，三只冇感光元件vp1, vp2, vp3不同的安装位置, 均匀地分布在屯机端。无刷直流屯动机的转子转轴上安装

37、了遮光板。在光源照射 在旋转的遮光板上时，光线在没有遮光板遮挡的情况卜穿过照射在光皱元件上。 光敏元件依次得到光源照射时会产生响应信号，通过该响应信号就可判断电动机 转子磁极所在的位置。图2-4三相绕组无刷直流电动机从图2-4中可看出，一个角度大约为240。大半圆形的遮光板遮挡住了光敏元 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产 生一个电压信号促使晶休管vi导通。定子绕组aa，和外接直流电源形成闭合冋 路，定子绕组aa，在电流的功用下形成电枢磁场并与永磁转子所构成的磁场相 互作用形成电磁转矩使转了顺时针旋转。遮光板随着转了的转动也相应转动，当 转子顺时针转过

38、120。时，遮光板则逆时针转过120。，此时转子转至图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也产生一个电压信号促使晶体管v2导通。定了绕组b-b' 和外接直流电源形成闭合回路，定子绕组aa，上的电流断开而流入定子绕组 b-b定子绕组电流流过绕组bb，由电枢磁场的作用下，形成了以永磁转子磁场 相互作用产生电磁转矩的转子顺时针转动。所以，当转子在转子位置顺时针旋转 120。，如图所示的25c,遮光板转动120。，遮光板覆盖感光元件vp1和vp2, 光敏元件vp3被光源照射。被光源照射的光敏元件vp3也产生一个电压信号促

39、 使晶体管v3导通。定子绕组bblk的电流断开而流入定子绕组c-co定子绕组cc在电流的作用下形成电枢磁场并与永磁转了所形成的磁场相互作用生成电 磁转矩使转了继续顺时针转动，最后乂回到了图2-5a的位置问。图2-5开关顺序及定子磁场旋转示意图综上所述，定子绕组上的电流每经过120。进行一次换相，并且换相过程是交 替运行的没有任何停顿。随着定子绕组上电流的换相同时产生电枢磁场，其磁场 状态也分为三种，每种磁场状态相互间隔120。电角度。定子绕组的换相电流的交 替情况和开关顺序及定子磁场旋转的过程相一致，在这里，就不在加以阐述了。 通过电动机电子换相器的作用，电动机内的转子就能持续平稳地转动了。图

40、26 显示电机的传导顺序。a-a41l b11一 r-c 01l- a tn-0*120*240360，480°3图2-6各相绕组的导通示意图2.3无刷直流电动机的数学模型无刷直流电动机有电动机本体、位置传感器及电子开关线路三部分组成。其屮在电动机本体屮的转子采用永磁磁铁材料，该转子能在电动机内的气隙屮产生磁场。在木章2.2节中可知定了各相绕组的电流是方波电流，而转了所形成的磁场是梯形波磁场。无刷直流电动机在其内部气隙磁场的感应下形成的反电动势也呈现梯形波。无刷直流电动机的定了各相绕组的相电流和其反电动势的关连如图27所示。由于无刷直流电动机包含更多的与电感非线性谐波电势，它不能对感

41、应电机的无刷直流电动机采取d、q变换理论分析。现如今，我们在大多数情况 下采用相量变化法來对无刷直流电动机控制系统进行分析和仿真。图2-7 a和反电动势和电流波形2. 3. 1无刷直流电机的电压方程无刷直流电动机三相定子电压的平衡方程可用如下的状态方程表现:飞00_%0仇0+_uc_00r-uc式中，5u（三相定子电压（v）；(1)laph+ lcecl l、 laahacba 厶 s l l, l ca cb cec三相定子的反电动势（v）；三相定子相电流（a）；厶、£、l三和定了口感（h）；r。、«、rc三相定子绕组的相电阻（q）;p为微分算子(d/ dt) o由电机的

42、机构决定，在360。电角度内，转子的磁阻不随转子位置的变化而 变化，并假定三相绕组对称，则有：-厶=r = l, 5 = la = lba - lbc - lca - lch - m ra = rb = re = r由于三相对称的电机中，z；+必+/=0,以及mib+m,.=-mia,则式(1)可改写为:r 00_l-m00la=0 /? 0+0厶0pb+(2)_0 0 r_lc00 l-mkj2. 3.2电磁转矩无刷直流电动机的电磁转矩方程可表示为:其中，血为无刷一直流电机角速度(rad/s) o无刷直流电动机的运动方程口j表示为：t<=tl + bo)+j 警其中,b是阻尼系数(n

43、m-s/rad)o j是电机的转动惯量(kg m2),兀是负载转矩(n-m)u7,o2. 3. 3状态方程由(2)式的电压方程经过矩阵运算，可得无刷直流电动机的状态方程:100l-m1p0l-m0001lmr00lajj<ub-0r0lb-ebu00riel c jl cl c j2. 3.4电机的等效电路图依据（2）式的电压方程，能够将无刷直流电动机的电机等效表现为图2-8 所示的等效电路。无刷直流电动机定子上的各相绕组由电阻r、电感（lm）和 一个反电动势e串联构成。图2 8无刷直流电机的等效电路图无刷一直流电动机的数学模型创建好后，为了便于剖析，现假定：定子三相绕组完全对称，空间互

44、差120。电角度，参数相同；永磁转子在无刷直流屯动机内产生的气隙磁场为梯形波，定子各相绕组的 反电势为梯形波；忽略定子铁心齿槽效应的影响；忽略电子开关线路屮的功率逻辑开关器件导通和关断时间对无刷直流电动 机运行的影响，功率逻辑开关器件导通时的电压压降恒定，关断后等效电阻无穷 大；忽略定了绕组电枢反应的影响；无刷直流电动机内的气隙磁场均匀，不计磁滞损耗与涡流损耗。第三章 无刷直流电机电流滞环控制策略3.1转速.电流反馈控制直流调速系统3. 1. 1转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性关于无刷直流电动机这种正、反转运转的调速体系，尽量地缩短电动机的起 动过程和制动过程的吋段是提高社会生产

45、效能的重要因素。图3-1 所示，电动 机在起动和制动过程当中，电动机容许的最大电流坚持不变，从而得到最大的加 速度。当电动机速度达到所需的转速时，电动机达到稳态。当电动机转速达到稳 态时，电机电流就必须立即卜降，从而使电动机电磁转矩与负载转矩相平衡。从 图31中口j以看出，起动电流和制动电流呈矩形波，转速变化呈梯形波。图3-1时间最优的理想过渡过程在电动机起动的过程屮只冇电流起到负反馈的作用，没冇产生转速负反馈。 当转速达到稳态转速时，电流负反馈不在发挥作用，转速负反馈开始发挥作用。 图3-2显示，转速调节器和屯流调节器实行串联，并以转速负反馈和电流负反馈 来调节电动机的转速和电流。转速调节器

46、的输出成为电流调节器的输入，再以电 流调节器的输出来控制电力电子变换器upe。该调速系统采用双闭环系统，电流 环称为内环，转速环称为外环。电动机为了在运行屮获得良好的静、动态性能， 转速和电流两个调节器一般都采用pi调节器。但在木文中无刷直流电动机的系 统结构中转速调节器采用pi调节器，而电流调节器采用滞环调节器网。3. 1. 2转速、电流反馈控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析如图3-3所示的双闭环直流调速系统的动态结构图中w宓和wge(s)分 别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。t-;n图3-3双闭环直流调速系统的动态结构图从图3-4中可以看出，电流厶从零迅速递增到/伽，随后在一段

47、时间内维持其值不变，当转速达到所需值时电流又开始下降并经调节后到达稳态值从 转速变化波形中可看出转速先是缓慢上升，随后以恒定的加速度加速上升。当达 到所需的转速时由于屯流的数值还没冇变化，转速任然再上升，经过调节后转速 才趋于稳态。电动机的起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段。 电动机的转速调节器也同样经历了快速进入饱和、饱和以及退饱和三种状态。° qg z3 &f图3-4双闭环肓流调速系统起动过程的转速和电流波形双闭环直流调速系统的起动过程有以卜'三个特点：（1）饱和非线性控制；（2）转速超调；（3）准时间最优控制。在双闭环直流调速系统屮的转速调节器和电

48、流调节器所起的作用可以归纳如下:1、转速调节器的作用1）转速调节器是电动机调速系统中最主要的部分，为了实现无误差，其通 常采用pi调节器。2）对负载变化起抗扰作用。3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。2、电流调节器的作用1）电流调节器中的电流与转速调节器的输出量的变化保持关联。2）对电网电压的波动起及吋抗扰的作用。3）在转速上升的过程中保证电动机获得其允许的最大电流，缩短转速调节 的时间。4）当电动机过载或者堵转时，电流调节器起动自动保护的功能，迅速减小 电流的数值，从而避免了电机的损坏。当电动机故障排除后，乂能够恢复正常的 运行冋。3.2电流滞环控制原理在木文中，无刷直流电动机的电流控

49、制器采用滞环控制，转速控制器采用 pi控制。电动机的电流随着参考电流的变化而变化。电流滞环控制采用pwm逆 变器。图35表示的是滞环型pwm逆变器。其工作原理是：当给定电流值与反馈电流值的瞬时值之差达到滞环宽度正边 缘时，逆变器的开关管vt1导通，开关管vt2关断，电动机接通直流母线的正 端，电流开始上升。反z,当给定电流值与反馈电流值的瞬时值z差达到滞环宽 度负边缘吋，逆变器的开关管vt1关断，开关管vt2导通，电动机接通直流母 线的负端，电流开始下降。选择适当的滞环环宽，即可使实际电流不断跟踪参考 电流的波形，实现电流闭环控制。2）滞环电流跟踪型pwm逆变器单项结构示总图（b）滯环电漁跟踪

50、型pwm逆变器输岀电流电压波形图3-5 滞环电流跟踪型pwm逆变器3.3转速pi调节器原理和分析3. 3.1 pid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而，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、积分吋间和 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來设 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

51、系统控制器的参数。但在某些场合, 我们还需要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，rfl于工程实践中积累的经验 有很大联系，如果经验丰富，你会发现这种方法非常的简单易用，在各种工程实 际运用过程屮总有它的身影，非常广泛。就其工程整定的方法，乂可以细分为一 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來分析， 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

52、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卜几种：(1) 比例调节器；(2) 比例积分调节器；(3) 比例积分微分调节器。3. 3.2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，pt调节器是电力 拖动自动控制系统屮最常见的一利|控制器，在微机数字控制系统屮，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(3-1)所示，wpi (s) = © + 丄=

53、e + 1(3-1)tsts式中kppi调节器的比例放大系数；rpi调节器的积分放大系数。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3-6所示图3-6比例积分(p1)调节器的原理和特性第四章基于matlab的无刷直流电机电流滞环控制4.1 matlab/simulink 的介绍4. 1. 1 matlab 的简介matlab是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。 它是美国的一家公司发布的，它是一种现代高科技的运用于计算的环境，它的主 要面向对彖是对于那些当今的科学计算、设计程序等等。它在当今的高科技生产 实践屮占据了领

54、先的地位，其屮最主要的原因是它的功能非常强大，比如说在数 据分析方面、对电机的控制系统的仿真与建模等方面都发挥了很大的作用，而且 还很好的解决了科学和控制等过程中存在的各类问题。matlab是我们常用的三大软件之一，用它来处理问题相比于其他的软件 来说要相对容易的多，而且功能强大，基于以上诸多优点，所以它在我们生活和 社会生产屮的应用非常广泛。特别是在数学数值的计算的领域它发挥了巨大的潜 能。我们用户用它主要是用來实现数据的计算、信号的检测、图像的处理的功能 等等。4. 1. 2 simulink的优点与创建模型步骤在matlab中的simulink的坏境下，我们叮以使用它仅仅用很简单的操 作

55、就能完成对屯机的控制系统的建模还有仿真的功能。其中，相对于其他的很多 应用软件來说，simulink拥有很多的长处，比如说：（1）适应面广。可构成的系统包扌乩线性、非线性系统；离散、连续及混 合系统；单任务、多任务离散事件系统。（2）它的结构是采用分层的方式而口很简单、条理清晰，i大i此，它适用于 很多方面的设计。（3）仿真更为精细。它的运作环境下有很多的模块，其中有不少的模块和 实际应用屮的差不多，为我们用户提供了很多的方便。（4）在它的环境下提供的多种模型能够很好的进行硬件方而等的移植。 创建动态系统simulink模型一般步骤如下：（1）我们首先把电机控制系统的方程全部给描述出來。（2）然后我们再打开它的模块，在它的环境下工作。（3）为待建模型，开启空白模型窗。（4）我们依据所学的理论上的模型，在空白的地方选择我们电机控制系统 的模块。（5）如杲我们选取的模块不太恰当的话，我们可以首先把那些对系统的结 构冇影响的参数给设定好。（6）然后我们再依据所学的理论上的模型把控制系统的各个模块之间的信 号给连接在一起。（7）最后我们对整个电机控制系统考虑，把它z屮的不是结构的参数给设 定好。（8）我们依据以往经验把电机控制系统的仿真的开始和终止时间等待都给 设定好。（9）然后很好的保存为了方便找到它我们给它取个适当的名字。（10）建