无刷直流电机控制系统可视化仿真模型的建立与仿真

无刷直流电机控制系统可视化仿真模型的建立与仿真

一、建立无刷直流电机控制系统的可视化仿真模型无刷直流电机（brulcm，以下简称bulcm）具有体积小、重量轻、效率高、强度小、控制精度高等优点。同时，它还具有传统电动机的良好机械性能，广泛应用于服务控制、数控机床、机器人等领域。随着无口直流电机广泛应用的扩大，控制的设计方法需要简单和低成本。为此,建立无刷直流电机控制系统的可视化仿真模型,可以有效的节省控制系统的设计时间,及时验证施加于系统的控制算法,观察系统的控制输出;同时可以充分利用计算机仿真的优越性,人为地加入不同的扰动和参数变化,以便考察系统在不同工况下的动、静态特性。该文在分析无刷直流电机数学模型的基础上,借助MATLAB语言,建立了BLDCM控制系统的仿真模型,利用该仿真模型,进行了控制系统的仿真试验,结果表明,通过该模型进行各种控制策略和算法的验证,加快了实际系统设计和调试的进程。二、u3000dm的相-q变换模型无刷直流电机由定子三相绕组、永磁转子、逆变器、转子磁极位置检测器等组成,其转子采用瓦形磁钢,进行特殊的磁路设计,可获得梯形波的气隙磁场,定子采用整距集中绕组,由逆变器供给方波电流。BLDCM一相气隙磁场感应的反电动势和相电流之间的关系,如图1所示。由于BLDCM的感应电动势为梯形波,包含有较多的高次谐波,并且BLDCM的电感为非线性,在此,采用感应电动机等d、q变换理论进行分析并不是很有效的方法,而在分析和仿真BLDCM控制系统时,直接采用相变量法,根据转子位置,采用分段线性表示感应电动势。在此,为简化仿真模型的建立,作以下的假设:定子绕组为60°相带整距集中绕组,Y形连接;忽略齿槽效应,绕组均匀分布于光滑的定子内表面;转子上没有阻尼绕组,电机无阻尼作用。则,根据BLDCM特性,可建立其电压,转矩、状态方程以及等效的BLDCM电路:1两组转子之间的互感BLDCM三相定子电压的平衡方程可以用以下的状态方程表示:式中,ua,ub,uc为三相定子电压;ea,eb,ec为三相定子的反电动势;ia,ib,ic为三相定子相电流;La,Lb,Lc为三相定子自感;Lab,Lac,Lba,Lbc,Lca,Lcb为三相定子绕相之间的互感;Ra,Rb,Rc为三相定子绕组的相电阻。由电机的结构决定,在一个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:并由三相对称的电机中,ia+ib+ic=0,以及Mib+Mic=-Mia,则,式(1)可改写为:2角速度的计算BLDCM的电磁转矩方程可表示为:Te=(eaia+ebib+ecic)/ω其中,ω为BLDCM的角速度。(3)BLDCM的运动方程可表示为:其中,B为阻尼系数,J为电机的转动惯量,Tl为负载转矩。3状态方程由式(2)的电压方程,可以得到BLDCM的状态方程,如下:4u3000bcdm的等效电路由BUDCM的电压方程,可以将其等效地表示为图2所示的等效电路,BLDCM的每一相由定子绕组电阻Rs、电感(L-M)及一个反电动势串联构成。三、电气系统模块库MATLAB凭借其强大的科学计算能力、简便的绘图功能、可视化仿真环境以及丰富的算法工具箱,成为科研和工程技术人员有力的开发工具。MATLAB针对电气传动控制领域所设计的工具箱,主要包含了以下的功能模块库:·电源模块库:包括交、直流电压源,可控电压源和可控电流源等;·基本电气元件库:包括串、并联RLC组件,饱和及线性变压器,互感等;·电力电子模块库:包括二极管、可控硅、GTO、MOSFET、IGBT和理想开关等;·电机模块库:包括各种常用的电机模型;·连接及测量模块库:包括了各种电路连接器件和电压、电流的测量模块等。利用这些功能模块,可以很方便地搭建有关电力电子系统,并且可以根据控制算法的需要,借助MATLAB的工具箱进行控制器的设计。该文针对BLDCM,在其数学模型的基础上,以MATLAB的电气系统模块库为工具,设计了BLDCM控制系统仿真模型,并实现了控制算法。图3为BLDCM控制系统的仿真模型,各部分的结构和功能分述如下:1反电动势模块的建立在BLDCM控制系统仿真模型中,BLDCM模型的建立最为重要。由图2所示的等效电路,可方便的建立起电机的仿真模块,其中,反电动势模块的建立利用可控的电压源,由输入的相电流进行调节,动态的输出反电动势(EMF)。反电动势模块的输出为梯形波,如图1所示。2gm信号采集由一个固定频率的三角波uc及直流电压信号ur的合成而产生出PWM信号。由于BLDCM控制系统要求的相电流为方波电流,PWM调制信号,只需为等幅、等宽、等距的PWM信号,以此PWM信号就可以方便的控制逆变器的功率开关器件。PWM信号的产生如图4所示。3反电动势波形至波底时的关闭方法BLDCM控制系统中逆变器的可靠换相,是通过BLDCM内部的转子位置信号进行控制的。通过对图1的分析,可知,当某相的反电动势波形达到波顶时,该相所对应的上桥臂功率开关导通,经过120°电角度后关闭;当反电动势波形到达波底时,下桥臂的功率开关导通,经过120°电角度后关闭。于是,可以利用BLD-CM的反电动势波形的几个关键时间点,作为BLDCM的换相信号。逆变器各功率开关的换相逻辑信号如图5所示。4测量旋转模块由式(4),可得,通过MATLAB可构成转速及电角度测量模块,如图6所示。5规划相关系数并进行磁场计算由式(3),可得转矩输出的仿真模块,如图7所示,三相相电流与相应的反电动势相乘,求和后与计算出的转速信号相除,得到BLIDCM的电磁转矩。6pi控制器的控制BLDCM控制系统的控制结构,一般采用双闭环控制,外环为速度环,内环为电流环,不同的是所采用的控制器算法,在此,仿真系统采用了通用的PI调节器进行速度和电流的控制。如图3所示,速度给定信号与速度反馈信号比较后,送入速度调节器(PI控制器);速度调节器的输出与电流反馈信号比较后,送入电流调节器(PI控制器),输出PWM调制信号,对三角波进行调节,根据换相逻辑,顺序控制功率开关器件的导通,由此可以控制逆变器输出的电压幅值,相应的就可以控制定子绕组的相电流,从而使逆变器输出的电流跟随给定电流的变化,且稳态运行时无静差。7方波电流输出系统逆变器采用MATLAB内的通用逆变器模块构成,内含3对IGBT功率开关器件,并反并联续流二极管,逆变器根据电流调节器所控制的PWM信号,顺序导通和关断,产生方波电流输出。四、系统的模型仿真根据上述所建立的BLDCM控制系统的仿真模型,进行了转速调节的仿真试验。BLDCM的参数以实际BLDCM控制系统所用的电机参数为参考;定子绕组电阻Rs=3.25Ω,定子绕组自感L=11.1mH,互感M=4.56mH,转动惯量J=16kgcm2,额定电流I=4.5A,额定转速n0=1500r/min,额定转矩T=10Nm,极对数P=2,三相380V交流供电。为验证所设计的BLDCM控制系统仿真模型,给定转速n=1500r/min(阶跃响应),空载启动,在转速达到稳态后,于t=0.05s加入负载(负载突变),得到三相定子电流、转速和转矩的响应曲线,分别如下图8～11所示。在给定转速1500r/min的阶跃输入下,系统速度响应如图8所示,由图中可见,系统在很短的时间内就进入了稳态,当负载突变时(t=0.05s)转速有轻微的波动,系统对负载的扰动有较好的抗干扰性能。系统的转矩响应曲线如图9所示,在启动初始阶段,转矩有较大的峰值,这是因为在BLDCM启动时,BLDCM的反电动势还没有来得及建立起来,相电流较大,造成了转矩峰值,在反电动势建立后,转矩迅速下降到稳态值,并保持较为平滑,转矩脉动很小;当负载突变时,转矩迅速调整到相应的稳态。图10为系统直流母线的电流响应曲线,启动时的电流有较大的峰值,随着反电动势的建立,该电流迅速下降到稳态指,并保持较平滑的电流波形,电流脉动很小。图11为A相电流的波形,在经过启动阶段短暂的波动后,进入稳态,电流波形与上述理论分析的BLDCM相