永磁无刷直流电机

1、永磁无刷直流电机一、简介无刷直流电机（Brushless DC Motor,以下简称BLDC）是随着电力 电子技术及新型永磁材料的发展而迅速成熟起来的一种新型电机。 以 其体积小、重量轻、效率高、惯量小和控制精度高等优点 ,同时还保 留了普通直流电动机优良的机械特性 ,广泛应用于伺服控制、数控机 床、机器人等领域。近年来 ,随着无刷直流电机应用领域的不断扩大 各种控制算法和控制策略也相继出现 .。为了便于理论分析和验证各 种控制算法和策略 ,建立正确的无刷直流电机模型就显得非常重要。 利用 Matlab 软件下的 Simulink 仿真工具 ,实现了对无刷直流电机控 制系统的仿真 ,并给出了实

2、例仿真结果。鉴于以上原因，本文通过推 导给出了无刷直流电机的数学模型，并借助 Matlab 建立了其仿真模 型，通过仿真证明了该模型的正确性和合理性。二、永磁无刷直流电机的构成从广义的电机概念看， 永磁无刷直流电机由三大部分组成： 电机 本体、位置检测器、直 -交无源逆变器。若与原有直流电动机一一对 应，则永磁体构成的转子与原直流电机的定子相对应， 其作用是产生 一个恒定的气隙磁场。 由位置检测器与逆变器一起构成一个电子换向 器，取代原直流电动机的机械接触式换向装置。 控制系统是调速系统 的组成部分。三、永磁无刷直流电机的数学模型假定无刷直流电机工作在二相导通星形三相六状态下 , 反电势波 形

3、是平顶宽度为 120电角度的梯形波 . 电机在工作过程中磁路不饱 和, 不计涡流和磁滞损耗 ,三相绕组完全对称 , 气隙磁场为方波 , 定子 电流、转子磁场分布皆对称 , 电枢绕组在定子内表面均匀连续分布。设ua ,u b ,u c为定子相绕组电压;i a ,i b ,i c为定子相绕组电 流;ea ,eb ,ec为定子相绕组电动势;L每相绕组的自感;M为每两相 绕组间的互感 ; p 为微分算子 ,p = d/ d t. 则三相绕组的电压平衡方 程可表示为 :uar0 0 iaLMMiaeaub0r 0 ib MLM p ibebuc00 r icMMLicec当三相绕组为星形连接，且没有中线

4、则有：ia ib ic0且Mi b MicMia化简可得电压方程为：uar0 0 iaL M00iaeaub0r 0 ib0LM 0p ibebuc00 r ic00 L Micec电机的等效模型为L W-电磁转矩方程为:1 . . . Te(ea iaOJbecic)机械运动方程式可表示为:Tlddt四、系统建模与仿真根据永磁无刷直流电机的电压方程和等效电路，在Matlab的SIMULINK环境下，利用电力系统仿真模块中丰富的模块库， 可建立 如下图所示的永磁无刷直流电机模型。-4 口VtkL* Ll+r卜=4PrGraDsrosf竝皑灯:xirr=r! ejSyncirMOus 聽:hin

5、twc( =UF e_s 眇东ctor竿喇 *rr |nc和在氐十5歹兰 torzj= T=_冃TflHnl该三相电机的额定运行工况为 1kW，500V直流，3000r/ min。由六阶电压逆变器供电。调速器用于控制直流母线电压。逆变器的驱动 信号由霍尔元件信号编码形成。三相逆变器的输出电压施加于永磁块 的定子绕组。负载转矩初始值是0,在0.1s时突加负载转矩为11Nm。两个控制回路被使用。内部控制回路是在电动势改变时，同步改变逆变器的驱动信号。外部控制回路采用转速闭环系统调速， 转速环 由PI调节器组成，转速跟随给定的参考值而变化，实现转速的调节1、电源和逆变器模块电源米用M atlab中的

6、受控电压电源模块，其值的大小与速度差 值的PI输出成正比例关系。由上图可见，该控制系统是一个有静差的闭环系统，系统在0.12s 具有稳定输出，该直流输出电压作为逆变器的DC输入端。逆变器采用多功能桥式电路模块，设置为 MOSFET功率开关器 件。将电流调节PWM模块和逻辑模块逻辑与，就可以产生 6路脉冲 信号，控制MOSFET的开关器件的导通和关断，从而产生三相端电压输出该输出电压理想情况为标准正弦输出， 比较实际输出电压可知该 逆变器输出电压能很好的符合要求。4x 10LrieLine TOltag&Va b2、电机本体模块永磁同步电动机模块可用于发电机模式和电动机模式。 运作方式 是由机械

7、转矩的符号描述的（正号代表电动机模式，符号代表发电机 模式）该机器的电气和机械部分各由一个二阶状态空间模型描述。 正 弦模型假定定子永磁体产生的磁通量为正弦波， 这意味着所形成的电 动势也是正弦波。对于梯形模型，模型假定永磁体建立三个梯形反电动势波形0EieirornD&vis r jrce 4)0-10 30 W 90 1K 150 1B0 2U 24G 27 |卜匚IIpm1_arnf_b | Emf_0J00D10*1310-1-1D011-10+110+10-111T11100-1-1111000驱动信号生成模块是利用三相电动势信号形成逆变器各功率开关的驱动信号，其转换关系是This

8、mo-d impltrnenti thttrj& tsbl其中Q1Q6代表逆变器六个功率开关的导通状态，1代表导通, 0代表开断。每一时刻有两个功率开关导通，一个上桥臂导通一个下 桥臂导通。五、仿真结果从仿真波形可以看出，在给定的参考转速下，系统响应快速而且平 稳，相电流和反电动势波形较为理想。系统空载起动时，电磁转矩在很短的时间内进入稳定状态，忽略系统的摩擦转矩，此时的电磁转矩均值 为0。t = 0. 1 s时突加负载，转速突降，但很快又恢复到平衡状态，系统具有较强的抗干扰能力。如图所示突加负载后 ，转速和电磁转矩有一定 的脉动，这主要是由电流换向引起的。仿真结果符合理论分析 ，表明该 仿真系统具有良好的动态和静态响应。35003C0Q2500200015001COO500000.020.040.06 O.O