无刷直流电机仿真

1、基于MATLABSIMULINK的无刷直流电动机系统仿真引言无刷直流电机（Brushless DC Motor，以下简称BLDCM），是随着电力电子技术和永磁材料的发展而逐渐成熟起来的一种新型电机。为了有效的减少控制系统的设计时间，验算各种控制算法，优化整个控制系统，有必要建立BLDCM控制系统仿真模型。本文在BLDCM数学模型的基础上，利用MATLAB的SIMULINK和S-FUNCTION建立BLDCM的仿真模型，并通过仿真结果验证其有效性。无刷直流电机仿真模型本文在MATLAB的SIMULINK的环境下，利用其丰富的模块库，在分析BLDCM数学模型的基础上，建立BLDCM控制系统仿真模型

2、，系统结构框图如图1所示。图1 无刷直流电机控制原理框图以图1为基础，按照模块化建模的思想搭建的系统的仿真模型如图2所示。整个控制系统主要包括电动机本体模块、逆变器模块、电流滞环控制模块、速度控制模块等。图2 无刷直流电机控制系统仿真模型框图电动机本体模块在整个控制系统的仿真模型中，BLDCM本体模块是最重要的部分，该模块根据BLDCM电压方程求取BLDCM三相相电流，而要获得三相相电流信号ia，ib，ic必须首先求得三相反电动势信号ea，eb，ec，整个电动机本体模块的结果如下图3所示。电机本体模块包括反动电势求取模块，中性点求取模块，转矩计算模块和位置检测模块。图3 电机本体模块反电势求取

3、模块本文直接采用了SIMULINK中的Lookup Table模块，运用分段线性化的思想，直观的实现了梯形波反电动势的模拟，具体实现如图4所示。图 4 反电势求取模块Lookup Table模块的实质是通过查表构造反电动势波形，只要把360内的反电动势的单位波形预先输入至Lookup Table模块中，就能得到其单位理想波形，由前面的数学模型知道，反电势梯形波的幅值为：e=Ke*。其中Ke为电机的反电动势系数。具体的Lookup Table参数设置参照下表 1。表 1 位置信号和单位反电动势的关系位置060120180240300360A111-1-1-11B-1-1111-1-1C1-1-1

4、-1111转矩计算模块依据数学模型建立转矩计算模型如图5所示。图5 转矩计算模块中性点求取模块求出反电动势后根据电压平衡方程来求中性点电压，具体模块如图6所示。图6 中性点求取模块4 转子位置检测模块图7 转子位置检测模块速度PID控制模块速度控制模块采用PID调节。图 8 PID控制模块参考电流模块参考电流模块的作用是根据电流幅值信号Is和位置信号pos求出三相参考电流。参考电流模块的功能通过S函数实现。图9 参考电流模块电流滞环控制模块电流滞环控制模块的作用是实现滞环电流控制，输入端l、2、3为三相实际电流，4、5、6为三相参考电流，输出为脉冲信号，滞环的环宽设为0-1之间。模块结构框图如

5、图10所示。图 10 电流滞环控制模块电压逆变模块电压逆变器模块实现的是逆变器功能，输入为位置信号和电流滞环控制模块信号及电压逆变控制信号，输出为三相端电压，其中，可以通过编写S函数实现从转子位置信号得到六个MOSFET导通开关信号。如图11所示。图 11 电压逆变模块三相的上桥臂控制信号与电流滞环控制模块得到的信号进行逻辑与运算，即可得到控制开关的逻辑信号，如图11所示。由于6个MOSFET只可能同时有两个导通，且两个管不能为同相，所以可选用二选一开关来得到三相端电压，如图12所示。在本文设计的模型中，额定电压设为72V，则端电压的一半为36V。图 12 开关功率管模块仿真结果仿真中，BLD

6、CM参数设置为：额定转速n=120rad/s，定子相绕组电阻R=1.25欧姆，定子相绕组自感L=0.055H，互感M=0.003H，转动惯量为0.006kg.m2，反电势系数为Ke=0.22V/rad/s。极对数为np=1，72V直流电源供电。在t=0.2s时，加负载2N.m。可得到系统转速，转矩，相电流，相反电动势仿真曲线如图13-16所示。图13 转速响应曲线图14 转矩响应曲线图15 相电流波形图16相反电动势波形由仿真波形可以看出，在n=120rad/s参考转速下，系统响应快速且平稳相电流和反电动势波形较为理想，转矩脉动较大。仿真结果证明了本文所提出的这种BLDCM仿真建模方法的有效性

7、。总结在Matlab/Simulink仿真环境下，可以方便地建立BLDCM的仿真模型。对于个别新的Simulink模块，应用S函数来实现，可以充分发挥Matlab编程的灵活性与Simulink的简单直观性，加速无刷直流电动机调速系统的开发。参考文献1 兰宝华. 无刷直流电动机无位置传感器位置检测技术的研究，中南大学.2 叶长青，尹华杰，赵海波.无刷直流电动机驱动系统Matlab仿真建模及模型中S函数的实现J.微电机.附录referenceCurrent.m 参考电流模块S函数：function sys=mdlOutputs(t,x,u)if (u=0)&(u=pi/3)&(u=2*pi/3)&

8、(u=pi)&(u=4*pi/3)&(u=0&u=pi/3&u=2*pi/3&u=pi&u=4*pi/3&u5*pi/3 sys=0 1 0 0 1 0;else sys=0 0 0 1 1 0;end附录资料：不需要的可以自行删除设备大修规程1、目的消除设备存在的缺陷，保证生产设备恢复原有性能，有效延长设备的寿命、减小设备故障率、提高生产效益，减轻设备维修量。2、适用范围厂区主要生产设备3、职责 3.1设备经理（主管）根据生产情况，以及通过设备维修数据分析设备情况，制定设备大修计划，并且购置设备大修配件。3.2事务助理根据要大修的设备，编制设备大修记录单、设备大修验收记录单。3.3大修班班长

9、根据要大修的设备，拟定大修计划，列出大修配件名单交设备主管，准备大修所有器具，做好大修安全防护措施。3.4操作人员极力配合大修人员的工作，顺利开展大修。4、工作规程4.1大修准备工作4.1.1设备主管根据生产情况、设备情况提前一周制定大修计划，并落实到大修班和生产部门。4.1.2设备事物助理根据大修设备，编制设备大修记录单给大修班、大修验收记录单给设备主管。4.1.3大修班班长根据要大修的设备查阅资料，拟定大修安排计划，列大修配件清单交设备主管，落实大修人员，准备设备大修所需器具，做好大修安全防护措施。4.1.4设备主管购置设备大修所需配件，在大修前配齐。4.1.5操作人员在设备大修前，做好设

10、备清洁卫生，清理设备场地，挪开生产加工物品，提前停止设备，进入待修状态。4.2设备大修实施 4.2.1大修班班长组织指导大修工作，大修班根据大修要求严格对设备进行大修。 4.2.2填写设备大修单，记录在大修中更换的配件。 4.2.3设备主管在大修结束后，对大修设备进行验收，记录设备运行是否正常，运行参数是否合格，验收合格后投入运行。4.2.4设备事务助理在设备验收合格后，对大修记录、验收记录进行存档，并完善ERP平台数据记录。4.3设备大修规范4.2.1设备大修的周期为2年进行一次。4.2.2设备大修是以大修班为主、操作人员为辅，对设备有效的大修。 4.2.3根据设备秩序要求，结构要求，对设备

11、全部或部分解体，把拆卸配件归类标记、存放。 4.2.4严格检查设备机械结构部分和配件，清理结构污垢，清洗机械配件，更换润滑油，更换老化配件。 4.2.5检查设备气动、油压系统，清理气管、油管，清洗油箱、阀芯等，更换沉淀老化液压油。 4.2.6检查电气部分，更换老化线路、电器元件，更新设备配置，紧固各接线端子；检验电气设备绝缘、阻值等参数，更换检修参数不合格的电气设备；对配电箱、配电柜等进行清洁吹灰。 4.2.7没有允许，严禁改动设备原有结构，根据设备结构还原装配设备。4.2.8完成大修后，要清洁大修场所，保持设备环境的清洁卫生，对更换的配件统一规范放置。相关文件和记录 5.1设备大修单 5.2

12、设备大修验收单附件: 设备维修及故障处理流程图1设备维修流程设备操作人员发现故障填设备保修单注明设备型号（序号）设备操作人员发现故障填设备保修单注明设备型号（序号）、简述故障情况，生产班（组）长签字报机修班特殊情况可直接电话报修事后及时补写报修单机修班（组）长及时（15分钟内）安排检修或机修工接报修单直接检修维修机修人员主导，严格按照设备检修规程、安全操作、准确判断故障、按时保质完成，设备操作人员配合辅助设备配件在机修班库房或公司配件库领取（中夜班联系库房管理员）检修技术难点（问题）及时询问班（组）长和老员工，特殊辅助机具及时联系车间主任及班组长支援重大问题及时联系设备部经理（主管）直至向公司

13、分管领导汇报一般情况当班必须检修完毕，如特殊情况必须与下班交接（故障情况、检修进度等）做好记录检修完毕操作人员进行试车验收，填写维修情况、维修时间（报修单）设备部主管（专项助理）每周收集统计报修单，考评机修工检修时间及设备维修时间，周会通报设备部经理（主管）每月根据设备维修时间统计，分析（改进）设备维修状况、设备运行状况及操作与维修人员综合素质，形成月度总结上报公司2设备事故处理流程设备操作人员、车间主任、班组长或相关发现人员上报设备操作人员、车间主任、班组长或相关发现人员上报设备部、机修班维修人员或安全巡检人员提出设备部经理（主管）主导召集设备事故分析会，设备操作人员、所属车间主任班组长、机

14、修班（组）长、相关维修人员参加，生产部、安环部有关人员列席（如发生人生伤害事故由安环部主导）由设备操作人员、车间主任、班组长或相关发现人员阐述事故经过，维修人员叙述维修经过、损坏情况及原因分析，设备部经理（主管）作出事故结论，编制事故报告（含处理意见）事故按照三不放过原则处理落实（事故原因分析不清、责任不落实、无改进整改不放过）事故发生班组（车间）对相关责任人责任进行分解落实，并在班组召开分析会总结经验教训，进行预防整改，杜绝事故人力资源部及财务部根据事故报告对相关责任人进行扣款及绩效处罚设备大修单设备名称: 大修序号:规格型号制造厂家制造编号制造时间本厂编号大修时间使用部门安装地点主要附属设

15、备序号名称规格型号单位数量制造厂制造号备注12345易 损 配 件12345大 修 记 录序号大修项目大修概述效果备注12345678910 制表人： 大修人： 审核人：设备维修记录单 位： 年 月 日设备编号设备名称规格型号开工时间竣工时间修理工时修理内容更换部件及消耗材料部件及材料名称数量单价（元）总价（元）合计验收情况遗留问题修理单位：检验员：使用单位验收人：设备部门： （公章）经办人：设备到货验收及移交记录设备名称型 号规 格 外形尺寸生产厂合 同 号出厂日期出厂编号重量公斤资产编号主 要 附 机 、随 机 附 件 及 工 具张技 术 资 料张序号名 称规格及型号应供量实收量名 称份份

16、备 注说 明 书合 格精度检验单另件图册工具清单备件清单验收及移交记事：设备原值装备管理部门验收日期使用单位设备管理部门领用日期设备台账设备名称型号制造厂家供应厂家出厂编号出厂日期购买日期本厂编号维保人备注设备闲置（报废）设备台账序号设备名称本厂编号规格型号生产厂家数量单位闲置（报废）原因存放地点备注设备维修联络（派工）单报修单位编号： 维修单位编号：报修单位报修人报修时间上联 白色 报修单位存档上联 白色 报修单位存档维修单位维修人维修时间报修设备信息（规格型号及位号、编号）：报修设备故障描述：设备维修描述： 报修单位负责人意见（签名）：要求完成时间：维修单位负责人意见（签名）：预计完成时间

17、：公司审核完成结果： 结果评价：备注：1、操作人员及生产管理人员应对所使用设备基本结构、使用性能、操作方法有全面的了解，因此对报修设备故障描述尽量做到准确、详细、全面，以便于故障判断、配件及工具准备、人员调配，提高维修效率，确保生产时间。 2、维修人员及设备管理人员应对所维修设备结构、故障判断、维修方法有全面了解，因此对所维修设备故障点、故障原因、维修措施、预防方法进行全面描述，以便于强化预防、积累维修经验、该设备性能，提高维修效率及质量，降低维修费用。 3、设备维修完成时间力求做到高效、科学合理。公司有特殊要求严格按公司批准执行。设备维修联络（派工）单报修单位编号： 维修单位编号：报修单位报修人报修时间下联 红色 维修单位存档下联 红色 维修单位存档维修单位维修人维修时间报修设备信息（规格型号及位号、编号）：报修设备故障描述：设备维修描述： 报修单位负责人意见（签名）：要求完成时间：维修单位负责人意见（签名）：预