无刷直流电机电流滞环控制策略仿真

1、精选优质文档-倾情为你奉上江苏科技大学本 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 二零一四年六月专心-专注-专业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

2、、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电流滞环控制系统；(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、完成日期及进度2013年3月17日至2013年6月13日，共13周。进度安排：

3、3.174.7：熟悉任务要求，查阅资料，翻译外文资料；4.85.5：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；5.55.19：学习、掌握Matlab/Simulink的使用；5.206.1：在Matlab/Simulink中构建无刷直流电机的电流滞环控制系统仿真模型，并调试；6.16.13：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) 汤蕴璆, 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

4、）. 机械工业出版社, 2005.(4) 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, 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 要众所周知，无刷直流电动机控制系统具有新型的调速系统。它具有结构简单、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

5、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。由于电力电子技术的飞速发展，无刷直流电动机的发展也日益突出。现如今，无刷直流电动机在工农业生产以及人们的日常生活中获得了更为普遍的使用。由于工业生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时性的要求越来越高，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要的。本文采用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

6、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有效性。此方法也适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, conv

7、enient repair, good speed performance etc. It uses electronic 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 econ

8、omic benefits, a huge potential for development. Because 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

9、 widely used. Industrial production due to the motor control 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

10、adjust the speed, current controller based on hysteresis 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 motor. In the Matlab/Simulink environment using the independent function

11、al modules related to build the mathematical model of Brushless 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. Th

12、is method can be applied to verify the rationality of other 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1.1 研究背景在一百多年的时间里，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

13、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。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，直流电机中存在的一些不足。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。无刷直流电动机与有刷直流电动机本质的不同是没有机

14、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，其中包括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有差异，但它仍然可以将直流电源在电机内变频交流电，将电能转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中的重要组成部分。早在20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子转

15、向器代替电刷机械换向装置，并取得了一些成果。但是在当时的科技水平下，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。在随后的日子里，经过科研人员的不懈努力和探索，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

16、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驱动器。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系统理论。在第二十世纪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，全面

17、的总结。他提出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，也是无刷直流电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德国博世、西门子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，促使了他们对无刷直流电动机进一步的研究。通过专家和学者长时间的努力研究，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

18、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有待进一步的发展，逐步缩小与拥有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各个领域的应用越来越普遍，这一切都来源于它相对于其他种类电机所表现出的优势，例如它的内部简单从而维护起来相当便捷并且维修成本低廉，它的速度调节效果较其他电机而言表现的更为突出，并且工作效率高。无刷直流电动机推动了工业化发展的改革，进一步完善了电机系统的组成部分。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

19、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。由于含有的优点有精度高，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，由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矩运行。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

20、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，一种具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大的气隙磁通特性，即稀土永磁材料。稀土永磁材料的利用能够大大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于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，也能在我们日常生活中随处可见，例如电瓶车、电动汽车以及家用电器等。而今，无

21、刷直流电动机的研究目标重要集中在下列几个方面：（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中是最为薄弱的环节。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子位置传感器无刷直流电机，它体现了非机械式转子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要求无机械传感器的前提下，传输和转换的电动机运行时的电压和电流的数据信息，知道具体位置的转子磁极的相对成熟，无机械式转子位置传感器的控制方法如下：·反电动势法包括直接反电动势法、间

22、接反电动势法以及派生出来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自的局限性和不足之处，但仍在不断地加以完善。（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，并且使得电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矩脉动成为提高无刷直流电机性能的一个重要问题。（3）智能控制。随着信息技术的发展以及控制理论的日益完善，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

23、和理论于智能控制理论。在它们当中模糊逻辑控制已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，邻里和范畴的应用更为广泛。同时增加有刷直流电机的使用量是没有用的，人们也开始要求其控制系统的设计越来越高。这些要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

24、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子换向装置构成的无刷直流电动机来替代传统直流有刷电机的机械换向器，直流有刷电机换向器可靠性差、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设计，相应的专业和驱动芯片形成，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。此课题研究的目的是在掌握一

25、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

26、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 电动机本体图2-1 无刷直流电动机的结构原理图无刷直流电动机的结构原理图如图2-1所示。它由三部分组成，包括电子开关电路，电机本体、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2-1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

27、了一些启动装置和笼型绕组。电动机本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。上图中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2-1可知，电机定子绕组的A相，B相，C相绕组分别与功率开关元件的V1，V2，V3连接。位置传感器与电机转子连接，以便跟踪转子的运行状态。当在一相绕组的定子绕组电机通电时，该相绕组电流及转子永磁磁场形成电磁转矩，并产生相互作用，从而带动转子转动。与电机转子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，通过该电信号来控制电子开关线路的关断与导通。通过对电机主

28、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，可以认为是由电子开关电路，永磁同步电机和位置传感器的电机系统。其原理框图如图2-2所示。图2-2 无刷直流电动机的原理框图无刷直流电动机转子永久磁铁的相似性于有刷直流电动机内部定子上永久磁铁的作用，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。2.1.2 电子开关电路无刷直流电动机有电子开关电路，它在电机内部起到换向器的作用，它控制电机定子每相绕组关断与导通时间和电机定子每相

29、绕组的传导。无刷直流电动机的电子开关电路主要由两部分组成，包括位置传感器的信号处理单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功率逻辑开关单元，还需将该电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2-3所示。图2-3 无刷直流电动机的组成框图2.1.3 位置传感器无刷直流电机采用电子换向器更换直流有刷电机的机械换向装置。在结构上，电枢

30、绕组存在于直流无刷电机的定子上而在有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，电机内部有一定的位置。通常情况下，供电的直流电源经过电子换向装置来给无刷直流电动机上的定子绕组供电，只能在电动机内部的某些位置产生固定的电枢磁场。该电枢磁场与电动机内转子所产生的永磁旋转磁场相互作用获得电磁转矩，但该电磁转矩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，必须要在电动机内部添加位置传感器，由位置传感器来跟踪转子的位置从而来确定定子绕组的正确换相。无

31、刷直流电动机除了电动机本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来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生的电枢磁场与永磁转子所产生的旋转磁场在电动机内部空间上形成，从而获得最大的电磁转矩，驱动电机转动。位置传感器由两部分组成，其中包括位置传感器定子以及位置传感器转子。定子属于电动机的静止部分，而转子属于运动部分。目前，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。在该谐振电路中，

32、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，再通过控制电子开关线路来实现定子电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。常用的敏感元件有光敏元件和磁敏元件等。我们经常用到的光敏元件和磁敏元件有光电二极管、霍尔元件等。2.2 无刷直流电机的工作原理定子在有刷直流电动机由永磁体组成，其主要作用是在电动机气隙中产生磁场。有刷直流电动机中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

33、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，定子形成电动机定子电枢绕组。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左右的电角度。从而形成恒定方向的最大的电磁转矩来驱动电动机运转。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2-4为三相无刷直

34、流电动机电路原理图。在该电路图中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V1、V2和V3构成。图2-4观察可以看出，三只有感光元件VP1，VP2，VP3不同的安装位置，均匀地分布在电机端。无刷直流电动机的转子转轴上安装了遮光板。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下穿过照射在光敏元件上。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

35、VP1产生一个电压信号促使晶体管V1导通。定子绕组A-A'和外接直流电源形成闭合回路，定子绕组A-A'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子顺时针旋转。遮光板随着转子的转动也相应转动，当转子顺时针转过时，遮光板则逆时针转过，此时转子转至图2-5b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。被光源照射的光敏元件VP2也产生一个电压信号促使晶体管V2导通。定子绕组B-B'和外接直流电源形成闭合回路，定子绕组A-A'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B-B'由电枢

36、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，如图所示的2-5c，遮光板转动，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使晶体管V3导通。定子绕组B-B'上的电流断开而流入定子绕组C-C'。定子绕组C-C'在电流的作用下形成电枢磁场并与永磁转子所形成的磁场相互作用生成电磁转矩使转子继续顺时针转动，最后又回到了图2-5a的位置。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

37、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2-6显示电机的传导顺序。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。其中在电动机本体中的转子采用永磁磁铁材料，该转子能在电动机内的气隙中产生磁场。在本章2.2节中可知定子各相绕组的电流是方波电流，而转子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

38、成的反电动势也呈现梯形波。无刷直流电动机的定子各相绕组的相电流和其反电动势的关连如图2-7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来对无刷直流电动机控制系统进行分析和仿真。图2-7 A相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： （1）式中，、三相定子电压（V）；、三相定子的反电动势（V）；、三相定子相电流（A）；、三相定子自感（H）；、三相定子绕组的相电阻；p为微分算子。由电机的机构决定，在电角度内，转子的磁阻不

39、随转子位置的变化而变化，并假定三相绕组对称，则有：由于三相对称的电机中，以及，则式（1）可改写为： （2）2.3.2 电磁转矩无刷直流电动机的电磁转矩方程可表示为：其中，为无刷直流电机角速度。无刷直流电动机的运动方程可表示为：其中，B是阻尼系数。J是电机的转动惯量，是负载转矩。2.3.3 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： （3）2.3.4 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（L-M）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直

40、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，空间互差电角度，参数相同；·永磁转子在无刷直流电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；·忽略电子开关线路中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；·忽略定子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

41、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时段是提高社会生产效能的重要因素。图3-1中所示，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下降，从而使电动机电磁转矩与负载转矩相平衡。从图3-1中可以看出，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中只有电流起到负反馈的作用，没有产生转速负反馈。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

42、开始发挥作用。图3-2显示，转速调节器和电流调节器实行串联，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。电动机为了在运行中获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。但在本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。图3-2 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图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和分别表示

43、转速调节器和电流调节器的传递函数。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，电流从零迅速递增到，随后在一段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电流的数值还没有变化，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。图3-4 双闭环直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下三个特点：（1）饱和非线性控制；

44、（2）转速超调；（3）准时间最优控制。在双闭环直流调速系统中的转速调节器和电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时抗扰的作用。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，又能够恢复

45、正常的运行。3.2 电流滞环控制原理在本文中，无刷直流电动机的电流控制器采用滞环控制，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3-5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。反之，当给定电流值与反馈电流值的瞬时值之差达到滞环宽度负边缘时，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。图 3

46、-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，我们还需要需

47、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

48、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。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，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（3-1）所示， （3-1）式中 PI调节器的比例放大系数； PI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

49、路原理和特性如图3-6所示图3-6 比例积分（PI）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，它的主要面向对象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中占据了领先的地位，其中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

50、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中的应用非常广泛。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来实现数据的计算、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的环境下，我们可以使用它仅仅用很简单的操作就能完成对电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来说，SIMULINK拥有很多的长处，比如说：（1）适应面广。可构成的系统包括：线性、非线性系统

51、；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且很简单、条理清晰，因此，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中的差不多，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面等的移植。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来。（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）如果我们选取的模块不太恰当的话

52、，我们可以首先把那些对系统的结构有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，把它之中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）建立好电机控制系统的各个模块之后，我们可以对它进行一定的调试工作。（11）调试完之后为了研究的使用我们把它给保存好。4.2 无刷直流电机电流滞环控制系统各模块的建立4.2.1 电机本体模块我们通过分析研究了解一定的无刷电机的数学模型，我们对电机控制系统

53、的各个模型剖析然后我们使用SIMULINK对其进行仿真和建模，下图4-1所示就是电机控制系统的框图。该系统采用双闭环控制的方法，其中转速环是由PI控制器来控制的，电流环是由滞环调节器来对其进行控制的。图4-1 无刷直流电动机控制系统设计框图无刷直流电机的本体模块是系统仿真建模的主要部分。所以，文章中本节的研究论述的重点就是用SIMULINK环境对电机的本体进行建模。MLDCM本体模型由以下三个模块组成，下面就各个模块做了简单的介绍。（1）MLDCM本体模型的电压方程和反电动势模块图4-2 无刷直流电动机本体模块结构框图无刷直流电机本体模型的电压方程和反电动势模块如图4-2所示。这两个模块当中有

54、很多物理量是互相使用的，故将这两个模块建立在一起。电压方程式中的、是由反电动势模块得出。电枢绕组中反电动势的波形与气隙磁场波形、转子转速和转子相对于定子电枢每相绕组的位置有关。当电动机不考虑电枢反应的时候，如果电机的转速不再发生变化，那么电动机的电枢绕组反电动势的波形就是梯形波，并且当电机带负载的时候和不带负载时的气隙磁场的波形都是一样的。 (2)无刷直流电动机M的电机本体模型 把以上三个模块组合起来就构成了无刷直流电机的电机本体模块，如图4-3所示。由图可知，电机本体模块的输入为三相电压、转速和负载转矩，输出为定子电枢绕组的电枢电流、三相反电动势、电磁转矩、转子的转角和转子角速度。图4-3

55、无刷直流电机的电机本体模块如图4-4所示显示了无刷电机在采用星形两相导通三相六状态的方式下工作时并在理想的情况下的时候的反电势的波形曲线。图4-4 三相反电动势波形现在我们用它的第一个阶段来说，在这个时候电机的A相反电动势是在最大值Em的地方，它的B相反电动势是在它的反向最大值-Em的地方，它的C相反电动势在这个时候正是在换向的时候。我们可以根据电机转子的位置和它的转速的大小，我们可以求出各个阶段的反电势的变化曲线。因此我们可以得出它们之间的关系。如下表1所示显示了我们可以采用多段分析法，最终解决了我们在对无刷电机的反电势求值方面出现的问题。表1 转子位置和反电动势之间的线性关系表转子位置在表1中：k是电机的反电动势系数(V/(r/min)，Pos是电机的电角度(rad)，w是电机的角速度(rad/s)。电机的反电势我们可以通过它转过的电角度的大小来求得。4.2.2 转矩计算模块如下图4-5所示显示了电机控制系统的转矩计算模块是可以由式（3）