无刷直流电动机控制系统的研究与仿真实现（毕业设计）

1、无刷直流电机的数学建模与仿真摘要无刷直流电机是随着电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型直流电机，它是现代化工业设备中的重要运动部件。无刷直流电机最大的特点是没有换向器和电刷组成的机械接触机构，因而无刷直流电机没有换相火花，寿命长，运行可靠，维护简便。除此之外，无刷直流电机的转速不受机械换相的限制，可实现每分钟几万到几十万转的超高转速运行。建立无刷直流电机控制系统的仿真模型，可以有效的节省控制系统设计时间，及时验证施加于系统的控制算法，观察系统的控制输出。关键词：无刷直流电机，电子换向器，MATLAB仿真，MC33035Modeling and Simulation of BLDCABSTRA

2、CTBLDC,as a new type of DC motor ,which followed by the rapid development of electronic technology ,is becoming the important part in the modern industrial epuipment.The biggest feature of BLDC is no mechanical contact of commutator and brush institutions, and therefore it does not have commutation

3、spark, then it has long life and reliable operation, easy maintenance. In addition, the speed of BLDC without mechanical commutation limit, ultra-high speed operation can be achieved per minute, tens of thousands to hundreds of thousands turn. BLDC control system simulation model can effectively sav

4、e the control system design time, in a timely manner to verify the control algorithm applied to the system to observe the output of the system of control.Key Words: BLDC, Electronic commutator, MATLAB simulation, MC33035目 录第一章 引言11.1无刷直流电机的发展简介及应用前景11.1.1发展简介11.1.2应用前景21.2本次设计研究的主要内容3第二章 无刷直流电机的工作原理

5、42.1无刷直流电机概述42.2无刷直流电动机本体42.2.1 电动机定子42.2.2 电动机转子62.2.3 有关电机本体设计的问题62.3 转子位置检测72.3.1 位置传感器检测法72.3.2 无位置传感器检测法82.4无刷直流电机电子换相器102.4.1三相半控电路102.4.2三相全控电路11第三章 无刷直流电动机数学模型的建立133.1电压方程133.2电磁转矩方程143.3转子运动方程15第四章 无刷直流电动机的MATLAB仿真实现164.1无刷直流电机本体模块174.1.1 电压方程模块174.1.2转矩方程模块214.1.3转速方程模块224.1.4位置计算模块224.2参考

6、电流模块234.3电流滞环控制模块254.4三相逆变器模块264.5 仿真结果及结论26第五章 基于MC33035的无刷直流电动机调速系统325.1 MC33035引脚功能及参数介绍345.2 MC33035换相控制技术355.3 基于MC33035控制的无刷直流电机调速系统37参考文献38致 谢39天津理工大学2012届本科毕业设计说明书第一章 引言1.1无刷直流电机的发展简介及应用前景1.1.1发展简介电动机作为能量转换装置，被应用于国民经济的各个领域。电动机一般分为交流电机和直流电机。多年以来，在高性能的运动控制系统中我们一直都是采用直流电动机调速系统，这是因为直流调速系统具有线性的机械

7、特性，而且还具有起动力矩大、调速精度高、调速范围宽以及控制结构简单等优点。但是由于直流电动机中了有电刷和机械换向器，所以它也存在着难以克服的弱点，那就是需要经常地进行维修检查和更换电刷。这样就导致它的可靠性差，并且维修困难，也不能在恶劣的环境中使用；而且直流电机在换向的时候还会产生电火花，这些对于工作条件较为恶劣的机载雷达伺服系统而言，就使其应用受到了极大限制。然而，普通交流电动机虽然不存在这方面的缺点，但是普通交流调速系统却又不具备直流调速系统的上述优点。其实早在20世纪30年代就开始有人针对这种情况研究无刷直流电动机了。在随后的二十多年里，无刷直流电动机的研究进展一直在曲折前进。一直到19

8、55年，美国D.Harrison等人第一次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利，这才真正标志着现代无刷直流电机的诞生。近几十年来，由于电机本体（包括定子和转子）及其相关学科的迅速发展，“无刷直流电动机”的概念早已经从最开始的用电子换向线路代替电刷和机械换向器的直流电机发展到泛指具有有刷直流电机的外部特性的一切电子换向电动机。无刷直流电机的发展同样使得电机理论与大功率开关器件、模拟和数字专用集成电路、微处理技术、现代控制理论以及高性能的材料结合得更为紧密。时至今日的无刷直流电机已经集特种电机、变速环节、检测元件、控制软、硬件于一体，形成新一代的电动伺服系统，而且这其中体现着当今应

9、用科学的很多最新的成果，因此无刷直流电机是机电一体化的高科技产物。  说到无刷直流电机真正进入实用的阶段应该是从1978年开始。当时原西德曼内斯曼公司的Indramat分部在汉诺威的贸易博览会上，正式推出了MAC经典无刷直流电机及其驱动器。从八十年代开始，国际上对无刷直流电动机展开了深入的研究，并成功地研制出了方波无刷直流电机和正弦波无刷直流电机，在随后的十多年的时间里，无刷直流电机在国际上得到了比较充分的发展。这在一些发达国家体现得尤为明显，它们那里无刷直流电动机正逐步取代其他类型的电机成为主导电机。而这也必将成为一种潮流引领世界。  电力电子技术和集成控制技术

10、的迅猛发展是无刷直流电机在近十几年来得以广泛推广及应用的另一个主要原因。上述技术的发展产生了以往未曾有过的性能优良而且价格低廉的电子元器件，这就为制造无刷直流电机创造了基本条件。据相关资料显示，20世纪80年代初期，电机的本体与电子换向电路的价格比大致为1:10，而现如今已降至不超过1:3。电子元器件的快速发展为大量推广及应用无刷直流电机创造了先决条件，使其逐步得到普及。  我国无刷直流电机的研发工作起步阶段要追溯到上世纪七十年代初期，由于起步较晚，研究主要是集中在一些高等院校及相关研究所中。经过四十多年来科研人员的不懈努力，目前我国已经有几种自主研发的系列生产，如ASM系列，TS系

11、列，IFTS系列等等。但是与发达国家相比，我国的无刷直流电机的制造工艺与加工设备与国际水准仍有着较大差距，其综合水平低于国际水平，大概只相当于国外八十年代的水平，所以要想赶超相关发达国家水平依然需要继续努力，需要进一步的研究和开发。1.1.2应用前景由于无刷电机比有刷直流电机有更多的优势，而且与无电刷结构的交流电机相比又有着良好的机械特性和控制特性，因此其具备广泛的应用前景。无刷直流电机的主要应用领域有，（1）精密电子设备领域  因为大多数精密的电子设备都是由直流电源供电，而且对电机的调速、稳速、定位控制方面有着较高要求，所以目前的这些设备中都是采用无刷直流电机驱动控制。例

12、如计算机的硬、软盘驱动，激光打字机棱镜驱动，CD机驱动，医疗诊断CT机，治疗用高速牙钻，卫星上太阳能帆板驱动，仪用通风机等等都是采用无刷直流电机。而且在这一领域中的应用依然在不断推进，将会逐步取代有刷电机。（2）工业自动化设备领域  在目前的工业自动化设备领域中，高档数控加工设备已经开始逐步取代传统结构的直流和交流电机。除此之外，如工业缝纫机、食品加工机械、轻印刷机械等一些工业加工设备也已经开始推广。最值得密切关注的是无刷直流电机在工业机器人的驱动控制中的应用。由于工业机器人的应用场合对速度、力矩以及定位控制都有较高要求，因而无刷直流电机是无疑首选。目前全世界已经有多达一百

13、多万台的各类机器人，并且以每年高于百分之二十的速率增长，对无刷直流电机的需求量很大。（3）汽车和电动车辆领域  现代汽车正朝着豪华型方向发展，自动化程度很高。汽车中使用了很多类塑电动机，而无刷直流电机则应用在许多难以维修的部件中。  与此同时，电动车作为无污染的交通工具，受到各国重视，目前正在加大投入，加紧开发。而在电动车辆中，无刷直流电机是最理想的动力源。目前主要是在电动摩托车与电动助动车使用，而且已逐步进入批量生产；也有部分电动汽车生产，预计在未来的十来年里将得到广泛普及。（4）现代家用电器领域  美国通用电气公司于1984年推出

14、了一种智能电动机，引起国际的注目。这种电机是一种以微处理器控制的无刷直流电动机，它有着具有很宽的调速范围(20l0000r/min)，而且低噪、高效，可实现一定的智能操作。这种无刷直流电机一经问世，立即受到家用电器工业设计者的青睐。这种电机最开始应用于37. 3W吊扇，可实现无级调速，后来逐步在洗衣机、空调器、冰箱等家电产品中得到广泛应用，使这些家电产品实现省电、多功能、自动控制，如定时、定温、自然调节等等。无刷直流电机在各类家电产品中都有着重要应用，可以提高家电产品的自动化程度，比如按室温自动调温的空调，根据冷藏物种类自动选择冷冻温度的电冰箱，可选择衣物种类的洗衣机等等。近些年来，无刷直流电

15、机已经开始取代交流电动机在家电产品中的主导地位。目前我国已有这类产品开发，也已投放市场。无刷直流电机在家电产品中的应用前景极大刺激了无刷直流电机的开发研究。根据美国通用电气公司的预测，如果用无刷直流电机取代传统的异步电动机在制冷器具中的应用，其效率可提高20%，全美国一年可省电220万kW。1.2本次设计研究的主要内容通过建立无刷直流电机控制系统的仿真模型，我们可以有效地节省控制系统的设计时间，并及时验证施加于系统的控制算法，观察系统的控制输出；同时也可以充分地利用计算机仿真的优越性，人为地改变系统的结构、加入不同的扰动和参数变化，来考察系统在不同结构和不同工况下的动、静态特性。本次设计研究的

16、主要内容有：（1）掌握无刷直流电机的工作原理；（2）掌握无刷直流电机的数学建模方法；（3）完成MATLAB中simulink环境下无刷直流电机的双闭环控制系统的仿真；（4）完成无刷直流电机的实际选型，设计出一个能实际工作的无刷直流电机控制系统。第二章 无刷直流电机的工作原理2.1无刷直流电机概述无刷直流电动机是一种用电子换向的直流电动机，又称无换向器电动机、无整流子直流电动机。它是用半导体逆变器取代一般直流电动机的机械换向器，构成没有换向器的直流电动机。这种电机结构简单，运行可靠，没有火花，电磁噪声低，广泛用于现代生产设备、仪器仪表、计算机外围设备和高级家用电器。永磁无刷直流电动机由电动机本体

17、、转子位置传感器和驱动器3部分构成。电动机本体是进行能量转换的装置，它由定子和转子构成。转子轭上装有永磁体，用来提供主磁通；定子铁芯上装有多相绕组用来输入电能。位置传感器与转子同轴，用来检测磁极位置。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是根据位置传感器信号依次向绕组供电，来实现电机的启停、正反转、调速等等。无刷直流电机的工作原理框图如图2.1所示，图2.1 无刷直流电机工作原理框图Fig2.1 working principle of BLDC下面将在随后的几节里着重介绍这三个部分。 2.2无刷直流电动机本体无刷直流电动机的本体由两个部分组成，分别是定子和转子。2.2.1 电动机定子无

18、刷直流电动机的定子是由许多硅钢片经过叠压和轴向冲压而成，选用硅钢片的目的是为了减少主定子的铁耗，在每个冲槽内都有一定的线圈组成了绕组。从传统意义上讲，无刷直流电机的定子和感应电机的定子有些类似，但是在定子绕组的分布上却有着一定的差别。大多数的无刷直流电动机的定子有三个呈星形排列的绕组，每个绕组又由许多内部结合的钢片按照一定的方式组成，偶数个绕组分布在定子周围组成了偶数个磁极。与传统有刷直流电机相比，无刷直流电机的绕组分布在定子侧，更有利于散热。电枢绕组可以是星形连接或是三角形连接，但是从系统的性能和成本方面考虑就多采用星形连接、三相对称且无中性点引出的无刷直流电动机。其电枢绕组接线形式如图2.

19、2所示， 图2.2 绕组形式Fig.2.2 Windings无刷直流电机的定子绕组可以分为梯形绕组和正弦绕组两种，它们的根本区别在于绕组的连接方式不同，从而使它们产生了不同的反电动势（BACK EMF），分别为梯形和正弦波形，因而以此来命名。梯形和正弦绕组产生的反电动势波形图如图 2.3所示。严格说来，只有具有直流电机特性的电机才能称为无刷直流电机，故本文认为正弦绕组的无刷电机为永磁同步电机，梯形绕组的无刷电机才是所要讨论的无刷直流电机。 图2.3.1 梯形绕组的反电势波形图 图2.3.2正弦绕组的反电势波形图图2.3 反电势波形图Fig.2.3 Back-EMF waveform显而易见，由

20、于正弦绕组波形平滑，因此运行起来相对梯形绕组来说也就要更平稳一些。但是，正弦型绕组与梯形绕组相比有更多的绕组，因而在铜线的使用上也就更多，而且控制方法也比梯形波电动机更加复杂。所以在对电机运行精度要求不是非常高的场合，梯形波电机也就是无刷直流电机是非常合适的选择。2.2.2 电动机转子无刷直流电机的转子是由2到8对永磁体材料按照N极和S极交替排列在转子周围或是在贴在转子内壁上构成。前者称为内转子型，后者称为外转子型。目前转子的永磁体材料大多是采用钕铁硼等高矫顽力、高剩磁感应密度的稀土永磁材料制作而成。无刷直流电机转子的永久磁钢与有刷直流电机所用的磁钢相似，都是在电机气隙中建立足够的磁场，区别是

21、无刷直流电机采用了反装的形式。常见无刷直流电机的转子结构有三种形式：（1）表面粘贴式磁极，又称为瓦形磁极。这种结构是在铁心外面粘贴径向充磁的瓦片形稀土永磁体。在电机设计过程中采用瓦片形永磁体径向励磁，且取其磁弧宽度大于120电角度，就可以产生方波形式的气隙磁通密度，这会减小转矩波动。多数的无刷直流电机转子都采用这种结构。（2）嵌入式磁极，又称为矩形磁极。这种结构是在铁心内嵌入矩形永磁体，它的优点是一个极距下的磁通由相邻的两个磁极并联提供，由于聚磁作用可以提供较大的磁通；但这种结构也有一个缺点，就是需要做隔磁处理，采用不锈钢轴。(3)环形磁极。这种结构是在铁心外套上一个整体稀土永磁环，并且通过特

22、殊方法将环形磁体径向充磁为多极。该种结构的优点是转子制造工艺相对简单，适用于功率和体积都比较小的电机。2.2.3 有关电机本体设计的问题无刷直流电机的定子转子合称为电机本体。本体结构上与永磁同步电机相似，但没有笼形绕组和其他起动装置，其定子绕组一般制成多相，三相、四相、无相应用居多、无相以上的电机比较少见；转子由永磁体以一定的极对数组成。电机本体的设计是一个很复杂的过程，其基本任务是根据给定的额定值和基本技术性能要求，选用合适的材料，确定电动机格部分的尺寸，并计算其性能，以满足节省材料、制造方便、性能良好的要求，获得较大的经济效益。本体要设计的内容很多，其中包括电磁设计、结构设计、施工设计以及

23、工艺设计等。本文仅对极对数的选择进行简要的讨论，这对后面的仿真有较大影响。选择极对数应综合考虑运行性能和经济指标。图2.4为两极、四极和八极（p=1,2,4）内转子型无刷直流电机本体结构示意图。图2.4 本体机构示意Fig.2.4 Body structure一般来说增加极对数p，可以减少每极磁通，定子轭及机座截面积可相应减小，从而减少电动机的用铁量；定子绕组的端接部分将随极数的增加而缩短，所以在同样的电流密度下，绕组的用铜量也减少了；极数增加后定子绕组电感相应减少，这有利于电子器件换相。同时，当极数增加后，制造工艺也变复杂；极对数增加，考虑到极漏磁不能太大，极弧系数要减小，从而使电动机原材料

24、利用率变差；增加极数，在同样的转速下，电子器件的换相次数增多，从而增加了换相损耗。当电流密度不变时，定子绕组中的铜耗岁极数的增加而降低。一般来说电动机效率随极数的增加而有所下降。所以要根据需要合理的选择电动机的极对数。2.3 转子位置检测由于无刷直流电机利用永磁同步电机的结构代替了传统直流电机的结构，所以需要逆变装置和转子位置检测结构来实现“换相”过程。转子位置检测的方法分为以下两大类：位置传感器检测法和无位置传感器检测法。2.3.1 位置传感器检测法位置传感器在无刷直流电机中起着检测转子磁极位置、为逻辑开关电路提供正确的换相信息的作用，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

25、相。绕组换相。位置传感器种类很多，目前在无刷直流电动机常用的有电磁式位置传感器、光电式传感器、磁敏式位置传感器和旋转变压器等。电磁式位置传感器是利用电磁效应来测量转子位置，有开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关电路等多种类型。它具有输出信号大、工作可靠、寿命长、对环境要求小等优点，但这种传感器体积较大，信噪比较低，同时其输出波形为交流，一般需要经整流、滤波方可使用。光电式位置传感器是利用光电效应，由跟随电机转子一起旋转的遮光部分和固定不动的光源等部件组成，有绝对式编码器和增量式编码器之分。它具有定位精度高、价格便宜、易加工等特点，但对恶劣环境的适应能力较差，输出信号需加整形电路处理。磁敏式位置传

26、感器是利用某些半导体敏感元件的电参数按一定规律随周围磁场变化而变化的原理制成。常见的类型有霍尔元件、磁敏电阻和磁敏二极管等。一般说来，它对环境适应能力较强，输出信号好，成本低廉，但精度不高。霍尔传感器的应用比较广泛。旋转变压器一般用在多相电机的控制中，它可以输出多路位置信号，满足多相电机控制的要求，但安装不易，价格较昂贵，普通的三相无刷直流电动机很少用旋转变压器。2.3.2 无位置传感器检测法无位置传感器控制技术是无刷直流电机研究的热点之一，国内外众多学者已经对此展开了相关研究，并取得了阶段性成果。无位置传感器控制方式下的无刷直流电机具有可靠性高、抗干扰能力强等优点，同时在一定程度上克服了位置

27、传感器安装不准确引起的换相转矩波动。发展无位置传感器控制技术是因为位置传感器的存在限制了无刷直流电机在某些特定场合下的应用，这主要体现在：置传感器可能使电机尺寸增大；位置传感器使电机与控制系统之间导线增多，使系统容易受外界干扰影响；位置传感器在高温、高压和湿度较大等恶劣工况下运行时灵敏度变差，系统运行可靠性降低；位置传感器对安装精度要求高，机械安装偏差引起的换相不准确直接影响电机的运行性能。因此无位置传感器控制技术越来越受到重视，同时，随着检测手段、控制技术的发展以及微控制器性能的提高，无位置传感器控制技术得到了迅速发展，部分技术已经实用化。依据检测原理的不同，无刷直流电机无位置传感器控制方法

28、主要包括反电势法、磁链法、电感法以及人工智能发等。在无刷直流电动机的控制中取消了位置传感器之后，就必须借助于对与电机转子位置有关的各种量的检测和计算来获得电机转子的位置信息。由此产生了许多不同的控制方案： (1)反电动势法反电动势检测法是日前较成熟的一种检测手段。由于它实现比较简单，已应用于许多领域。这种检测方法主要用于绕组星型连接、120°两两通电方式的三相六状态无刷直流电机中。其检测依据是：无刷直流电机在忽略电枢反应的前提下，稳态运行时通过检测电机未导通相的反电势过零点以获得转子位置信号，从而控制电流的切换，实现电机的正常运行。因为电机处于静止状态或低速运行时，绕组反电动势为零或

29、极小，无法利用反电势法进行检测，故采用反电势法进行转子位置检测时必须用其他方式解决电机的起动问题。(2)定子三次谐波法由于无刷直流电动机具有梯形波反电动势，而梯形波可分解为基波、三次谐波和更高次谐波之和。定子三次谐波法就是通过检测反电势波形中的三次谐波分量，其过零点即对应着反电动势的过零点，获此分量后对其积分， 当积分值为零时就可以得到相应的换相信号。此方法在低速时也可以获得， 故其起动及低速性能优于反电动势法。(3)续流二极管检测法无刷直流电机中的电力电子逆变器功率器件上反并联有二极管，由于功率管在关断过程中要通过二极管续流。因此续流二极管检测法即通过检测非导电相续流：极管的导通和截止情况来

30、判断转子的位置。这种方法在电机静止时无法检测到位置信号，且需在二极管上并联检测电路，这对于集成的功率器件很难实现，同时二极管的导通时刻并不是绕组的过零时刻，必须另加补偿电路，使得硬件电路相当复杂。(4)电感检测法电感法是通过检测绕组相电感的变化来判断转子的位置角，当两相电感的大小相等时，对应于反电势过零点，此时绕组中性点的电位为直流侧的中点电压。这种方法需要对绕组进行实时检测，难度较大。(5)卡尔曼滤波法卡尔曼滤波法是在得到反电势的基础上，用卡尔曼算法在线递推转子位置，以确定定子绕组换流时刻。由于这种方法算法复杂，对硬件要求高，且需大量调试才能确定合适的模型参数，故不宜推广。(6)涡流效应法涡

31、流效应法是在永磁转子表面粘贴一些非磁性的导电材料，利用定子绕组高频开关工作时非磁性材料上的涡流效应，使开路相电压的大小随转子位置角而变化，从而通过检测开路相电压来判断转子位置。这种方法不依靠反电势，能保证电机的顺利起动和可靠运行，但对电机的制造工艺有很大要求。除了上述几种位置检测方法之外，近年来还出现了基于状态观测器的估算方法一一将电机三相电压、电流经过坐标变换，在派克方程的基础上估算出电机转子位置。这种方法有稳定性好、鲁棒性好、适用面广的特点，但它的算法复杂，计算量大：人工智能控制检测法一一利用模糊控制策略建立相电压、相电流和转子位置角之间的关系，用检测到的电压和电流信号来估计转子位置信息，

32、这种方法是随着微机技术的发展而发展起来的，目前还只是用于一些特殊的场合。本实验采用反电动势过零点的检测方法。一般的永磁无刷直流电动机是由三相逆变桥来驱动的，根据转子位置的不同，为了产生最大的平均转矩，在一个电角度周期中，具有6个换相状态。在任意一个时间段中，电动机三相中都只有两相导通，每相的导通时间间隔为120°电角度。例如，当U相和V相已经持续60°电角度时，W相不导通。这个换相状态将持续60°电角度，从而V相不导通，到W相开始导通的过程，称为换相。换相的时刻取决于转子的位置，也可以通过判断不导通相过零点的时刻来决定。通过判断不导通相反电动势过零点，是最为常用也

33、最为适合的无位置传感器控制方法。2.4无刷直流电机电子换相器在一般的直流电动机中，电枢绕组元件有某一支路进入另一支路式，元件中的电流和电动势都要改变方向。绕组元件中电动势方向的改变，是由绕组元件的元件边在电枢旋转过程中，轮流切割定子的N极和S极磁通直接产生，而绕组而绕组元件中电流方向的改变，是由换向器和电刷所组成的机械整流装置来完成。为消除一般直流电动机所存在的一些弊病，人们研发出的以电子换相代替机械换向的直流无刷电动机，实质上是一个由电动机本体、功率开关主电路及转子磁极位置传感器等三部分组成的闭环系统。这里我们暂且称为无刷直流电机的基本系统。把基本系统中的功率开关电路、转子磁极位置传感器及相

34、关的电子电路合并在一起称为电机换向器。其主要功能是确保直流无刷电动机在运行过程中，定子、转子两磁场始终基本上保持正交，以提高运行效能。2.4.1三相半控电路常见的三相半桥式驱动电路如图2.5所示。图中，LA、LB、LC分别是电机定子A、B、C三相绕组，T1、T2、T3为功率器件，分别于电机三相绕组相连。来自转子位置传感器的信号Ha、Hb、Hc经放大后启动功率器件进而控制电机换相。在换相过程中，定子各相绕组在气隙中所形成的旋转磁场是跳跃的，在一个周期内每相通电120°电角度。由此可见，采用三相半桥式驱动方式的无刷直流电机控制系统驱动元件少、成本较低、控制简单，但是其转矩波动较大、电机绕

35、组利用率低，每个绕组只通电1/3周期时间，在运行过程中其转矩的波动较大，Tm/2到Tm而且直流无刷电动机的电源线需要引出中性线，而且反转控制相对困难。因此这种驱动在实际应用中较少采用。图2.5 三相半桥式驱动电路Fig.2.5 Three-phase half-bridge driver circuit2.4.2三相全控电路图2.6 三相全控驱动电路Fig.2.6 Three-phase full-controlled drive circuit图2.6给出了一种全控桥电路，电动机绕组为Y联接。功率器件为6只MOSFET管，起绕组开关之用。他们的导通方式又可分为两两导通和三三导通两种方式。(1

36、)两两通电方式是指每一瞬间有两只功率器件导通，每隔1/6周期换相一次，每次换相一个功率管，每次有一个功率器件换相，每个功率管导通120°电角度。功率管T1和T2导通时，电流从T1管流入A相绕组，再从C相绕组流出经T2回到电源。如设流入绕组的电流所产生的转矩为正，则从绕组流出的电流所产生的转矩为负，它们的合成转矩，其大小为Ta。当电动机转过60°电角度后，由T1，T2通电换成T2，T3通电，这时电流从T3流入B相绕组再从C相绕组流出，经T2回到电源，此时合成的转矩，其大小同样为Ta，但合成转矩Tbc的方向转过了60°电角度。而后每次换相一个功率管，合成转矩矢量方向就

37、随着转过60°电角度，但大小始终保持Ta不变。 所以，同样一台直流无刷电动机，每相绕组通过与三相半控电路同样的电流时，采用三相Y连接全控电路，在两两换向的情况下，其合成转矩增加了Ta倍。每隔60°电角度换向一次，每个功率管通电120°，每个绕组通电240°，其中正相通电和反向通电各120°。采用三相全控电路时的转矩波动比用三相半控时小得多，仅从0. 87Tm到Tm。(2)三三通电是指每一瞬间均有三只功率管同时导通，每隔60°换向一次，每个功率管通电180°。它们的导通次序是T1T2T3, T2T3T4, T3T4T5, T4

38、T5T6, T6T1T2, T1T2T3。当T6T1T2导通时，电流从T1管流入A相绕组，经B相和C相绕组(这时B和C两相绕组为并联)分别从T6和T2流出。这时流过B相和C相绕组的电流分别为流过A相绕组的一半，其合成转矩大小为1.5。经过60°电角度后，换向到T1T2T3通电，即先关断T6而后导通T3(注意，一定要先关T6而后通T3，否则就会出现T6和T3同时通电，则电源被T3和T6短路，这是绝对不允许的)。这时电流分别从T1和T3流入，经A相和B相绕组(相当于A相和B相并联)再流入C相绕组，经T2流出。其方向与-C相同，转过了60°，大小仍然是1.5 Ta。再经过60&#

39、176;电角度后，换向到T1T2T3通电，而后依此类推。在这种通电方式里，每瞬间均有三个功率管通电。每隔60°换向一次，每次有一个功率管换向，每个功率管通电180°。第三章 无刷直流电动机数学模型的建立无刷直流电动机的转子为永磁材料，定子三相绕组互差120°，各相反电势为梯形波。其电压，电势和电流为非正弦的，不能用矢量表示，只能用电动机本身的相变量来建立电动机的数学模型。以“三相六拍120°方波型”驱动为例来分析建立无刷直流电动机的数学模型。为简化分析，假定：（1）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；（2）忽略齿槽、换相过程和

40、电枢反应等的影响；（3）电枢绕组在定子内表面均匀连续分布；（4）磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗。3.1电压方程对于凸装式的转子结构，我们可以忽略凸极效应，因而定子三相绕组的自感为常数，三相绕组间的互感也为常数，且两者都与转子的位置无关。设每相绕组的相电阻均相等记为R，每相绕组的自感数值也相等记为L，且任意两相绕组间的互感也相等记为M。则三相绕组的电压平衡方程可表示为： =+p (3.1)式中：ua,ub,uc分别为三相定子绕组的端电压； ia,ib,ic分别为三相定子绕组的相电流； ea,eb,ec分别为定子相绕组电动势；p为微分算子，p=d/dt。由于三相绕组为星形连接且没有中线，故有ia+

41、ib+ic=0 (3.2)在方程两边同乘M，并整理得Mia+Mib=-Mic (3.3)将方程（2），(3)代入式（1），整理得=+p (3.4)永磁无刷直流电机的电压方程等效电路如图3.1所示，图3.1 永磁无刷直流电动机的电压方程等效电路Fig.3.1 Voltage equation equivalent circuit of BLDC3.2电磁转矩方程电磁转矩是有定子绕组中的电流与永磁材料转子产生的磁场相互作用产生的。其表达式为：Te=(euiu+eviv+ewiw) (3.5)永磁无刷直流电动机的电磁转矩方程和普通直流电动机相似，其电磁转矩大小与磁通以及电流的幅值成正比，因此控制逆变

42、器输出方波电流的幅值即可控制转矩大小。为产生恒定的电磁转矩，要求定子电流为方波，反电动势波形为梯形波，且在每半个周期内，方波电流的持续时间为120°电角度，两者应该严格同步。由于在任意时刻，定子只有两相导通，则电磁功率Pe为： Pe=euiu+eviv+ewiw =2EmIm (3.6) 电磁转矩又可以表示为： Te=Pe/w= 2EmIm/w (3.7)式中：Em为定子绕组各相反电动势的幅值； Im为定子绕组各相电流的幅值； w为电动机的机械转速。3.3转子运动方程转子的运动方程为：Te-TL-Bw=J （3.8）式中：Te为电动机电磁转矩； TL为负载转矩； J为转子转动惯量；

43、W为转子机械角速度； B为阻尼系数。第四章 无刷直流电动机的MATLAB仿真实现无刷直流电动机系统进行建模，仿真得到系统工作时各种参数、数据变化趋势和实验结果，能够有效地指导和验证控制系统的设计。本设计采用Mathworks公司的MATLAB作为仿真工具，其中的Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。使用其中的S-Function模块，结合编写C MEX S-FUNCTION，结合Simulink内含的丰富的数学运算逻辑模块和电力电子模块，能够准确地构造出无刷直流电动机及其控制模型。在Simulink中对无刷直流电动机仿真建模，国内外已进行了广泛的研究。电动机绕组反电

44、动势波形可采用傅里叶变换法和有限元法实现。虽然这种方法得到的反电动势波形比较准确，但是结合控制系统仿真时会极大影响仿真速度。此外，可以根据能够反映转子位置变化的绕组电感模块来获得反电动势波形，但如果永磁无刷直流电动机的相电感很小，转子位置变化引起的电感变化量可忽略，那么该方法对小电枢电感的永磁无刷直流电动机的建模并不适用；也可以使用分段线性法实现梯形波反电动势，并采取一些改进的仿真办法实现电动机控制系统模型。但在这些文献中，电动机的换相是基于电流滞环控制的，需要三个电流互感器测量三相电流，具体实现时成本较高，开关噪声较大。在Matlab中进行BLDC建模仿真方法的研究已受到广泛关注，已有提出采

45、用节点电流法对电机控制系统进行分析，通过列写m文件，建立BLDC仿真模型，这种方法实质上是一种整体分析法，因而这一模型基础上修改控制算法或添加、删除闭环就显得很不方便；为了克服这一不足，提出在Matlab/Simulink中构造独立的功能模块，通过模块组合进行BLDC建模，这一方法可观性好，在原有建模的基础上添加、删除闭环或改变控制策略都十分便捷，但该方法采用快速傅立叶变换(FFT)方法求取反电动势，使得仿真速度受限制。本文提出了一种新型的BLDC建模方法，将控制单元模块化，在Matlab/Simulink建立独立的功能模块：BLDC本体模块、电流滞环控制模块、参考电流模块和三相逆变模块，对这

46、些功能模块进行有机整合，即可搭建出无刷直流电机系统的仿真模型。在建模过程中，梯形波反电动势的求取方法一直是较难解决的问题，本文采用分段线性法成功地化解了这一难点，克服了建模方法存在的不足。Matlab针对电气传动控制领域所设计的工具箱SimPowerSystemToolbox2.3已经提供了PMSM（永磁同步电机）的电机模型，但没有给出BLDC（无刷直流电机）的电机模型。因此，本文在分析无刷直流电机数学模型的基础上，借助于Matlab强大的仿真建模能力，在Matlab/Simulink中建立了BLDC控制系统的仿真模型。该BLDC建模仿真系统采用的是双闭环控制方案。仿真模型主要包括：BLDC本

47、体模块、电流滞环控制模块、参考电流模块和三相逆变模块等。下面逐一介绍各部分的搭建与功能。4.1无刷直流电机本体模块在整个控制系统的仿真模型中，BLDC本体模块无疑是最重要的部分，其结构框图如图4.1所示，图4.1 无刷直流电机本体模块Fig.4.1 Body module of BLDC无刷直流电机本体模块由以下几个模块搭建而成，它们是电压方程模块、电磁转矩方程模块、转速方程模块、位置计算模块。下面依次介绍以下这几个模块。4.1.1 电压方程模块电压方程模块根据BLDC的电压方程式(3.4)求取BLDC三相相电流，其结构框图如图4.2所示，图4.2 BLDC本体模块电压方程结构框图Fig.4.

48、2 The BLDC body module voltage equation在整个控制系统的仿真模型中，BLDC本体模块是最重要的部分，该模块根据BLDC电压方程式（3.4）求取BLDC三相相电流，而要获得三相相电流信号ia，ib，ic，必须先求得三相反电动势信号ea，eb，ec。而在BLDC建模过程中，梯形波反电动势的求取方法一直是较难解决的问题，反电动势波形不理想会造成转矩脉动增大、相电流波形不理想等问题，严重时会导致换相失败，最终导致电机失控。因此，获得理想的反电动势波形是BLDC仿真建模的关键问题之一。本文采用了分段线性法，如图4.3所示，将一个运行周期0°360°

49、;分为6个阶段，每60°为一个换相阶段，每一相的每一个运行阶段都可用一段直线进行表示，根据某一时刻的转子位置和转速信号，确定该时刻各相所处的运行状态，通过直线方程即可求得反电动势波形。分段线性法简单易行，且精度较高，能够较好的满足建模仿真的设计要求。因而，本文采用分段线性法建立梯形波反电动势波形。理想情况下，二相导通星形三相六状态的BLDC定子三相反电动势的波形如图4.3所示。图中，根据转子位置将运行周期分为6个阶段：0/3，/32/3，2/3，4/3，4/35/3，5/32。以第一阶段0/3为例，A相反电动势处于正向最大值Em，B相反电动势处于负向最大值-Em，C相反电动势处于换相

50、阶段，由正的最大值Em沿斜线规律变化到负的最大值-Em。根据转子位置和转速信号，就可以求出各相反电动势变化轨迹的直线方程，其它5个阶段，也是如此。据此规律，可以推得转子位置和反电动势之间的线性关系，如表4.1所示，从而采用分段线性法，解决了在BLDC本体模块中梯形波反电动势的求取问题。图4.3 无刷直流电机反电势波形图Fig.4.3 back EMF waveforms of BLDC表4.1 转子位置和反电动势之间的线性关系表Table 4.1 Linear relationship between the rotor position and

51、0;the back-EMF转子位置eaebec0/3K*w- K*wK*w*(per-pos)/(/6)+1)/32/3K*wK*w*(pos-/6-per)/(/6)-1)- K*w2/3K*w*(per+2*/3-pos)/(/6)+1)K*w- K*w4/3- K*wK*wK*w*(pos-per)/(/6)-1)4/35/3- K*wK*w*(per+4*/3-pos)/(/6)+1)K*w5/32K*w*(pos-5*/3-per)/(/6)-1)- K*wK*w表中：K为反电动势系数(V/(r/min)，pos为角度信号，w为转速信号，转数per=fix(pos/(2*

52、pi)*2*pi (4.1)fix函数是实现取整功能。根据上式，用M文件编写反电势系数的S函数如下：反电动势 S 函数(emf.m) %=%BLDCM模型中反电动势函数%=function sys,x0,str,ts =emf(t,x,u,flag) switch flag case 0, %初始化设置sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizes; case 3, %输出量计算 sys = mdlOutputs(t,x,u); case 1,2,4,9 %未定义标志 sys = ; otherwise %错误处理error('unhandled flag = 

53、9;,num2str(flag); end %=%mdlInitializeSizes 进行初始化，设置系统变量的大小%=function sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizes() sizes = simsizes; %取系统默认设置sizes.NumContStates = 0; sizes.NumDiscStates = 0; sizes.NumOutputs = 3; sizes.NumInputs = 2; sizes.DirFeedthrough = 1; sizes.NumSampleTimes = 1; sys = simsizes(sizes); x

54、0 = ; str = ; ts = -1 0; %=%mdlOutputs 计算系统输出%=function sys=mdlOutputs(t,x,u) global k; global Pos; global w; k=0.060; % V/(r/min)反电动势系数 w=u(1); % 转速(rad/s) Pos=u(2); % 角度(rad) if Pos>=0 & Pos<=pi/3 sys=k*w,-k*w,k*w*(-Pos)/(pi/6)+1); elseif Pos>=pi/3 & Pos<=2*pi/3sys=k*w,k*w*(Pos-pi/3)/(pi/6)-1)