基于matlab的直流无刷电机控制系统的仿真

1上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真摘要 3 4 61直流无刷电机基本原理 71.1直流无刷电机的结构 91.2直流无刷电机的控制 92基于Matlab直流无刷电机控制系统仿真模型设计 2.1系统仿真组成模块 2.1.1直流无刷电机本体仿真模块 a)状态方程仿真模块 (1)数学模型 (2)仿真模型 (3)模块检测 b)反相电动势计算模块模块 (1)数学模型 (2)仿真模型 (3)模块检测 c)霍尔信号反馈模块 (1)数学模型 (2)仿真模型 (3)模块检测 d)力矩计算仿真模块 2上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真(1)数学模型 (2)仿真模型 (3)模块检测 2.1.2电压逆变器仿真模块 (1)数学模型 (2)仿真模型 (3)模块检测 2.1.3译码器仿真模块 (1)数学模型 (2)仿真模型 (3)模块检测 (1)数学模型 (2)仿真模型 (3)模块检测 3实例仿真 3.1直流无刷电机数据设置 403.2仿真结果 4结束语 5参考文献 6译文 7原文说明 3上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真一个多世纪来，电动机作为能量转换装置，其应用范围已经遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。电机主要类型主要有同步电动机、异步电动机与直流电动机三种。直流电动机运行效率高、调速性能好等优点。但普通的直流电动机由于需要机械换相和电刷，可靠性差，需要经常维护，换相时产生电磁干扰，噪声大，影响了直流电动机在控制系统中的进一步应用。直流无刷电机外形小，效率高，在现代工业自动化控制市场得到了广泛的应用，利用其生产的电动执行机构也在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，人为的加入不同的扰动和参数变化，以便考察系统在不同情况下的动、静态特性。本文以直流无刷电机的控制方法为核心，构成一个三相全控电路的直流无刷电动机控制系统，提出其设计和软件仿真实现方案，通过该模型验证设计方案的可实施性。此仿真模型主要分为直流无刷电机本体模块、逆变器仿4上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真life.TherearemaintypesofmotorsynchrandDCmotors.DCmotorperformance.ButforthecommonDCmotorhastheneedofmechanicalbrush,hasbeenwidelyusedinmodernautomationcontrolindustrial.TheBLDCactuatorhasValvecontrolinthefieldofcontempordominate.establishavisualssystemcansavetimeofdesigningacoe,Computerfhumandisturbanceandtheadditionofdifferentparaexaminethesystemindifthispaper,brushlessDCmotorcontrothree-phasefull-controlledcircuitosubmittheirdesignandrealizationofsoftwaresimulationprogram,bythemodelofdesignschemesconsistsofbrushlessDCmotorbodymodule,invertersimulationmodule,describesamathematicalmodelofeachmoduleandthesimulationmo5上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真Keywords:BrushlessDCm6上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真直流电动机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但普通的直流电动机由于需要机械换相和电刷，可靠性差，需要经常维护；换相时产生电磁干扰，噪声大，影响了直流电动机在控制系统中的进一步应用。为了克服机械换相带来的缺点，以电子换相取代机械换相的无刷电机应运而生。1955年美国D.Harrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，标志着现代无刷电动机的诞生。而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段，是在1978年的MAC经典无刷直流电动先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具有有刷直流电动机外部特性的电子换相电机。无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且结构简单、运行可靠、易于控制。其应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。在结构上，与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的定子绕组作为直流无刷电动机可分为方波直流电动机(BLDCM)和正弦波直流电动机7上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真 (PMSM),BLDCM用电子换相取代了原直流电动机的机械换相，由永磁材料做转子，省去了电刷；而PMSM则是用永磁材料取代同步电动机转子中的励磁绕组，省去了励磁绕组、滑环和电刷。在相同的条件下，驱动电路随着直流无刷电机应用领域的不断扩大，控制系统设计的要求也日益提高：简易、成本低廉、控制算法台理、开发周期短等都作为衡量其控制系统优劣的标准。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，人为的加入不同的扰动和参数变化，以便考察系统在不同情况下的动、静态特性。本文以直流无刷电机的控制方法为核心，构成一个三相全控电路的直流无刷电动机控制系统，提出其设计和软件仿真实现方案，通过该模型验证设计方1直流无刷电机的基本原理直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能。但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90°,这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电8上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真机的性能须用复杂控制技术才能达到。永磁无刷直流电机同其它电机相比具有的优点：1)永磁无刷直流电动机没有电刷、而是利用电子换相，故克服了任何有电2)永磁体安装在转子上，电枢绕组装在定子上，故导热性能好，产生的热量更容易散发出去。结构也变得简单，体积小，重量轻，转动惯量小，并且节省了空间，使其磁场损失也减少。改善了电机的动态特性。3)它的效率与转速永远保持同步关系，不会发生失步、震荡等现象。它的起动调速特性类似于直流电机，控制简单，同时也克服了同步机的缺点。又具有功率因数好的优点。4)稀土永磁材料的高磁能积，使得电机可明显降低重量、减小体积.转矩惯量比大，过载能力强，尤其低转速时输出转矩大。现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多，提升驱动电机的性能。微处理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直交坐标系统中，适当控制交流电机在两轴电流分量，达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。此外已有很多微处理机将控制电机必需综上所述，直流无刷电机就是是以电子方式控制交流电机换相，其拥有类似直流电机的特性，但又排除了直流电机机构上缺失，从而成为了现代自动化控制行业的主流电机产品。91.1直流无刷电机的结构直流无刷电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。其原理框图如下：位置传感图1.1直流无刷电机的原理框图电动机本体在结构上与永磁同步电机相似，但没有笼型绕组和其他启动装置。其定子绕组一般制成多相，转子由永久磁钢按一定极对数组成。当定子绕组某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再有位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定顺序导通。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械转向器的转向作用。1.2直流无刷电机的控制三相绕组直流无刷电机的主电路主要有三相半控电路和三相全控电路两种。三相半控电路简单，但由于其对电动机本体的利用率低，每个绕组只通电1/3时间，而另外2/3时间均处于断开状态，没有得到充分的利用。因此，在本文中，采用三相全控电路的两两通电方式作为控制电路。上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真下图2即为直流无刷电机的三相全控电路简图：表示相电压(即图中A点到B点间的电压);表示三相电流(如图中电流);表示线圈电阻和电感；要让电机转动起来，首先就必须根据hall位置传感器感应到的电机转子目前所在位置，霍尔元器件一般与绕组相数相同或者比绕组相数少一半。当转子磁场通过霍尔元件，产生电动势，输出电压一端为正电压。经过门电路后功率晶体管导通，绕组通电，电流使转子顺时针转动90°。接着，依照定子绕线决定开启(或关闭)逆变器中功率晶体管的顺序。如上图1.2中之Q1、Q3、Q5(这些称为上臂功率晶体管)及Q2、Q4、Q6(这些称为下臂功率晶体管),使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真机转子转动到hall传感器感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管);要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。基本上功率晶体管的开法可举例如下：电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命令与hall传感器信号变化的速度加以比对再来决定由下一组开关导通，以及率是否足以掌握处理软件指令的时间，另外对于hall传感器信号变化的资料存取方式也影响到处理器效能与判定正确性、实时性。至于低转速的速度控制尤其是低速起动则因为回传的hall传感器信号变化变得更慢，怎样撷取信号方式、处理时机以及根据电机特性适当配置控制参数值就显得非常重要。或者速度回传改变以译码器变化为参考，使信号分辨率增加以期得到更佳的控制。上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真电机能够运转顺畅而且响应良好，P.I.D.控制的恰当与否也无法忽视。之前提到直流无刷电机是闭回路控制，因此回授信号就等于是告诉控制部现在电机转速距离目标速度还差多少，这就是误差(Error)。知道了误差自然就要补偿，方式有传统的工程控制如P.I.D.控制。但控制的状态及环境其实是复杂多变的，若要控制的坚固耐用则要考虑的因素恐怕不是传统的工程控制能完全掌握，所以模糊控制、专家系统及神经网络也将被纳入成为智能型P.I.D.控制的重要理论，但本文中还未采用PID速度控制上述中，功率晶体管的导通过程就是两两导通方式。所谓两两导通方式是指每个瞬间有两个功率管导通，每隔1/6周期换相一次，每次换相一个功率管，每个功率管导通120°电角度。下图1.3即为接收到霍尔信号后的换相图，该图中可观察到霍尔信号(H1、H2、H3)的换相规律，反馈电压以及线圈相电流的换相规律：上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真由上图1.3可以观察出如下规律：霍尔信号H1,H2,H3按照100—110—010—011—001—101循环跳转；反电动势满足：电机转过60°电角度中，三个反电动势一个恒为1,一个横为0,另外一个呈线性方程规律。通过观察上述规律，在验证模块和仿真结果中，只要保证输出波形满足以上规律，就可证明模块或者仿真的正确性。2基于Matlab直流无刷电机控制系统仿真设计的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI),这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。综上所述，Simulink仿真具有以下的特点：●丰富的可扩充的预定义模块库；●交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图；●以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理；●通过ModelExplorer导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码；●提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成；●使用EmbeddedMATLAB模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用(Normal,Accelerator,RapidAccelerator)来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型；●图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行●可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信●模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误；控制系统仿真包括以下几个基本步骤：问题描述、模型建立、仿真实验、结果分析。1.建立数学模型控制系统模型，是描述控制系统输入、输出变量以及内部各变量之间关系的数学表达式。控制系统模型可分为静态模型和动态模型，静态模型描述的是控制系统变量之间的静态关系，动态模型描述的是控制系统变量之间的动态关系。最常用、最基本的数学模型是微分方程与差分方程。2.建立仿真模型由于计算机数值计算方法的限制，有些数学模型是不能直接用于数值计算的，如微分方程，因此原始的数学模型必须转换为能够进行系统仿真3.编写仿真程序控制系统的仿真涉及很多相关联的量，这些量之间的联系要通过编制程序来实现，常用的数值仿真编程语言有C、FORTRAN等，近年来发展迅速的综合计算仿真软件，如Simulink也可以用来编写仿真程序，而且编写起来非常迅速、界面友好，已得到广泛应用。4.进行仿真实验并分析实验结果在完成以上工作后，就可以进行仿真实验了，通过对仿真结果的分析来对仿真模型与仿真程序进行检验和修改，如此反复，直至满意的实验效本文针对直流无刷电机，为仿真其控制系统，首先构思出所需要的模块，针对每一模块，根据已知的数学公式，建立出数学模型。接着，确定好数学模型后，就可在Simulink模块库中选择最适合的模块，建立仿真模型。而后，检查各模块的正确性，确认无误后，连接各模块，组成总的仿真模型。最后，进行总体测试，加入实际数据，进行检测。2.1系统仿真组成模块根据直流无刷电机控制系统的原理，结合参考资料，确定本文系统仿真模块主要包括直流无刷电机本体仿真模块、电压逆变器仿真模块、译码下图2.1为系统仿真的框架图上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真所电路二置学62三流电三淀艾器三流电三淀艾器图中最右侧为直流无刷本体仿真模块，当其接受到逆变器模块输出的电压信号，将其转化成霍尔信号输出到译码器模块中；译码器模块是有数字逻辑电路搭建而成的3-6译码模型，其接收到直流无刷本体模块输出的霍尔信号后，根据真值表将三个布尔型信号转换成六个控制功率晶体管的布尔型信号；为开环控制系统速度，加入PWM波，通过改变占空比达制系统速度的功能；将PWM波与晶体管控制信号的下臂信号与，再输入到逆变器模块中。输入的信号控制逆变器模块中晶体管的开关，线圈两两导通，产生电压信号。最后，这些电压信号输入直流无刷本体模块中，形成新一轮霍尔信号。以此类推，不同晶体管的导通导致不同线圈的导通，从而产生不同的电压信号，霍尔传感器按照一定规律变换，以此不断循环下2.1.1直流无刷电机本体仿真模块无刷直流电动机所采用的电动机本体，在结构上与稀土永磁同步电动机相似，但是没有笼形绕组和其它起动装置。其定子绕组一般制成多相(三相、四相、五相不等),转子由稀土永磁体按一定极对数(2p=上海工程技术大学毕业设计基于Matlab2、4、…)组成。电动机转子的稀土永磁体磁钢与稀土永磁有刷电动机中所使用的永久磁钢作用相似，均是在电动机的气隙中建立足够的磁场，其不同之处在于无刷直流电动机中永久磁钢安装在转子上，而有刷直流电动机的磁钢安装在定子上。直流无刷电机本体模块是整个系统仿真中最重要的一部分，直流无刷电动机为实现无电刷换向，首先要求把直流无刷电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上。定子线圈每60°安装有一个霍尔传感器，共三个，转子旋转到一定角度，霍尔传感器导通，对应晶体管导通，进入下一状态，对应的两线圈导通，将转子吸附到下一位置上。霍尔信号反馈模块和力矩计算模块。a)状态方程仿真模块状态方程模块是直流无刷电机本体模块中十分重要的一部分，已知电动势和力矩，怎样求出电流、转子速度，转动角度。若是常规利用公式线性算法，必将有很大的工作量，也肯定会影响系统仿真的速度。因此，我们利用Simulink所带的状态方程模块，方便计算出所学的参量。(1)数学模型：●状态方程定义：状态时系统动态信息的集合，在表征系统信息的所有变量中，能够全部描述系统运行的最小数目的一组独立变量称为系统的状态变量，其选取不是唯一的。所谓状态方程是由系统状态变量构成的一阶微分方程组。它具有n个状态，r个输入和m个输出的线性时不变系统，用矩阵符号表示X=AX+BU输入向量U是r维的；输出变量Y是m维的；状态矩阵A是n*n维的；输入矩阵B是n*r维的；输出矩阵C是m*n维的；前馈矩阵D是m*r维的；直流无刷电机电压方程为：由于，每个电压方程与其它两方程存在着线性关系，即已知两方程可求出另外一方程；因此，取公式2.2、2.3;上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电对比式2.1、式2.6,可观察出，式2.6即为本模型的状态方程，其中：上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真将A、B、C、D的参数输入入仿真模块中，即可输出X、Y、U的参数值。(2)仿真模型状态方程模块仿真模块，选用Simulink自带的State-Space模块，输入A、B、C、D的值，即可输出ia、ib、ic、Wm、θm的波形，如下图2.2所示。37e5.000:0337e5.00:00-0.027InitialcondiOKCancel(3)模块检测为检测状态方程模块的正确性，这里为方便下面反电动势计算模块输出的检测，本文通过观察Wm速率输出波形来判断本模块的正确性，从而方便下面各个模块的检测。下图2.3为状态方程输出速率Wmtt图中转速Wm单位为r/s,时间t单位为s。由图可观察出，刚刚运行时，速率不断上升，当达到一定速率时，Wm逐渐趋于平稳，最终保持同一速率运行。刚开始的上升状态是由于电机自身启动的过程产生的误差，可以忽略。由已知参数可知，无负载速度应大于10000r/s,观察图中可确定，转速大于10000r/s,且稳定在20000转左右。因此，可以确定状态方程模块正确。b)反相电动势计算模块(1)数学模型：由方程1.5,1.6,1.7可得到反相电动势数学方程如下：上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真F(θe)用于表示梯形波反电动势。(2)仿真模型根据数学方程可设计出反电动势仿真模型，其结构图如下图2.4所示：图2.4反电动势计算模块结构图图中，Ke表示直流无刷电机反电动势常量。(3)模块检测为检测搭建模块的正确性，通过观察本模块输出反电动势的波形可以判断。由图2.4可知，反电动势计算模块的输入为状态方程模块的输出Wm,和霍尔信号反馈模块的输出Trapezabc。Wm波形已经在状态方程输出端被证实正确，霍尔信号反馈模块的输出Trapezabc也将在下面的验证中成立，因此只需输出反电动势波形正确，即可证明反电动势计算模块的正下图2.5为反电动势ea,eb,e。的波形图上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真图2.5反电动势输出波形由图中可观察出三种颜色的梯形波，分别为三个反电动势的输出波形，对比上图与图1.3中反电动势的波形，反电动势满足电机转过60°电角度中，三个反电动势一个恒为1,一个横为0,另外一个呈线性方程规律。因此，可得到结论，反电动势计算模块正确。(c)霍尔信号反馈仿真模块：在实际直流无刷电机中，通常利用霍尔传感器反馈位置信号。常见的磁敏式位置传感器由霍尔元件或霍尔集成电路构成。霍尔元件位置传感器由于结构简单、性能可靠、成本低，是目前应用最多的一种位置传感器。霍尔元件所产生的电动势很低，往往需要外接放大器，很不方便，随上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真着半导体技术的发展，将霍尔元件与附加电路封装成三端模块，构成霍尔集成电路。霍尔集成电路有开关型和线性型两种，通常用开关型作为位置传感器。因此，本文通过霍尔信号反馈仿真模块来模拟出霍尔传感器，将角度信号转换成布尔型的霍尔信号反馈给译码器。(1)数学模型：P表示电极对数F(θe)用于表示梯形波反电动势，求取梯形波反电动势，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。因此，本文采取分段线性法：将一个运行周期0-360°分为6个阶段，每60°为一个换向阶段，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。根据转子位置将运行周期分为4个阶段：0～2π/3,2π/3~π,π~5π/3,5π/3～2π。以第一阶段0～2π/3为例，A反相电动势处于正向最大值，设为1;第二阶段A反相电动势呈线性变化，可算出方程；同理可求出第三第四状态。据此规律，可以推得转子位置和反电动势之间的线性关系，公式2.11为一上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真上述表达式将被用于直流无刷本体模块中力矩测量子模块中的Lookup-table模块中使用，输出的电角度，即霍尔位置信号。(2)仿真模型：●Look-Up-Table概述前FPGA中多使用4输入的LUT,所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线的16x1的RAM。当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入RAM,这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。在本仿真中，我们需要通过查找角度，得到对应的霍尔信号以及反电动势梯形波信号。因此，首先应该列出角度与霍尔信号以及反电动势的数值关系，在以下仿真中我们列出了表格2.1和表格2.2。接着，找到Simulink模块库中的Look-upTable模块，将表格中的数值使用矩阵形式对应输入到模块中。●仿真模型建立根据数学模型中的公式2.10,输入信号转子角度加上1/2的极对数，即得到电角度。但要使电角度进行接下来的运算，必须将其转换成0~2π内的角度。因此，应用Fcn自定义函数模块，定义函数ren(u,2*pi),将大于或小于0~2π的角度转换为角度范围内的值。由电角度与霍尔信号关系可列出下表2.1上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真电角度100110010011001101100表2.2电角度与力矩梯形波关系表1111111备注：H1、H2、H3为霍尔信号，其关系可参见图1.3上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真Table5中，按照上述Look-upTable中所描述的方法，将表格中的角度以及对应的霍尔信号状态输入进模块中，其输出即为霍尔信号H1、H2、H3。由公式2.7取特殊值可推导出以下表格2.2Table2中，按照上述Look-upTable中所描述的方法，将表格中的角度以及对应的霍尔信号状态输入进模块中，其输出即为F(θ),用Mux工具合成向量形式trapezabc,为下面力矩计算做准备。综上所述，可搭建出仿真模型，如图2.6所示上图中，输入为thetam,将其经过增益转化成thetae(即电角度)。上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真但此时输出角度可能为超出0°~360°的角度，这样就会影响下部仿真。因此，使用Fcn(自定义函数模块),应用ren(u,2*pi)函数，将超出范围的角度转换成0°~360°的角度。最后，将角度输入上述Look-up(3)模型检测检测霍尔信号反馈模块，只需观察其输出霍尔信号H1,H2,H3是否符合图1.3中，霍尔信号的变换关系，即可确定模块的正确与否。下图2.7为三个霍尔信号输出图2.7霍尔信号输出波形观察图中波形，从上到下一次为H1,H2,H3的波形，观察波形霍尔信号符合：100-110-010-011-001-101规律(图中对应关系有部分误差，但而反相电动势可表示为：TE、TL表示电力矩和负载力矩；T表示转子惯量；kr表示摩擦系数；Wm表示转子的角速度；Ke表示反相电动势常量；Kt表示扭矩常量上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真k因此，它们的相乘形式为点乘形式进行。在本试验中，取负载力矩为0。力矩计算模块的输入为霍尔信号反馈模块输出Trapezabc和状态方程模块输出电流ia,ib,ic。下图2.9霍尔信号反馈模块输出Trapezabc的波形图早在，反电动势计算模块中，就已证明反电动势梯形波Trapezabc上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真是正确的。因此，此处输入波形正确。下图2.10态方程模块输出电流ia,ib,ic波形图三电流波形满足直流无刷电机电流变化规律，即ia+ib+ic=0,因此输入波形无误。模块输出信号为力矩Te-T1,下图2.11力矩输出信号的波形上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真图2.11力矩计算模块输出波形个功率管导通，每隔1/6周期换相一次，每次线圈导通。例如，当Q1,Q6导通时，线圈A、C导通，此时A、C中有电流通过而B中无。上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统图2.12电压逆变器模块原理图下表2.3为MOS管导通情况以及线圈端电压的关系表：2.3晶体管导通与线圈电压关系表导通晶体管导通线圈此利用电压差模块来得到Vab,以及Vbc。关于输入信号，将译码器输出的六个晶体管导通与否信号用向量合并元件合并后，连接到点。如下图2.13所示：上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真图2.13逆变器仿真模块不同的状态，如表2.3中所示，观察输出电压是否一致。图2.14逆变器模块检测仿真图例如，状态Q1,Q4开通时，输出电压Vab应该为24V,输出电压Vbc应该为-12V,下图2.15为输出波形，与上述规律相符，模块成立。上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真2.1.3译码器仿真模块将直流无刷电机本体反馈回的霍尔信号转换成逆变器输入所需的晶体管控制信号，必须通过译码器来进行3-6转换。因此，为完全符合霍尔信号和晶体管信号的转换条件，自主建立3-6译码器是关键。本模型就是符合这些条件的译码器仿真模块。(1)数学模型要搭建出逻辑电路，首先必须写出输入输出信号的真值表，本模块中输入为霍尔信号，输出为逆变器模块晶体管控制信号。下表2.4即为译码器仿真模块输入输出的转换表格：输出110010100001000011100011100011000111001000001101100000Q4=H1*H3;Q5=H1*H2;Q6=H3*H2;(2)仿真模型通过数学模型中的逻辑表达式，可以建立仿真模型。由此，将3个霍开/关信号逆变器模块译码过程电机本体霍尔信号图2.16译码电路仿真模型(3)模块检测输入一组或几组霍尔信号，观察输出波形是否满足表2.4中的规律即可证上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真明模块的正确与否。下图2.17为输入霍尔信号0-1-0,图2.18为输出波形即晶体管开通信号应为0-1-0-0-1-0。观察上述波形可观察出，输入输出波形与表格中译码器规律相符。因此，可证明，译码器模块是正确的。上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真2.1.4PWM波形仿真模块脉冲调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。制的实现变得更加容易了。简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON),要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽本文中为控制电机的速率，这里采用PWM波形仿真模机开环速度的方式。自定义一占空比，输入PWM波形仿真模块中。而后，固定占空比的PWM波与译码电路输出的晶体管控制信号通过门电路“与”模块合并，一同输入逆变器模块中。从而达到，控制系统速率的效果。脉冲宽度调制波通常由一列占空比不同的矩形脉冲构成，其占空比与信号的瞬时采样值成比例。图2.19所示为脉冲宽度调制系统的原理框图和波形图。该系统有一个比较器和一个周期为Ts的锯齿波发生器组成。语音信号如果大于锯齿波信号，比较器输出正常数A,否则输出0。因此，从图中可以看出，比较器输出一列下降沿调制的脉冲宽度调制波。上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真(2)仿真模型C(3)模块检测PWM波形的变化。下图2.21所示为占空比为0.1是的输入输出波形：1下图2.22所示为占空比为0.3是的输入输出波形：上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真对比图2.21与图2.22,可观察出，PWM波德占空比随着输入占空比对应3实例仿真3.1直流无刷电机数据设置J表示转子惯量取0.005Kgm²;kr表示摩擦系数取1.38e-8Nm.s;P表示电极对数取2;R表示线圈电阻取12.5R;L表示线圈电感取0.0091mH;3.2仿真结果本文意图为验证，采用霍尔传感器的直流无刷电机控制系统的稳定基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真下图3.1为整个仿真模型的仿真图：00tetOFTHEO06TRHcMtanttttwnrumcK为验证此仿真模型的正确性●首先，验证模型是否可以得到稳定正确的霍尔信号：在HALLPOSITION(即霍尔反馈信号仿真模块),连接示波器，观察输出波形，是否满足图1.3中霍尔信号的规律。观察出的波形如下图3.2所示：上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真观察波形可得出结论：霍尔信号波形符合图1.3中规律，证明控制系统中进行了换相●接着，从电流的角度观察模型的正确性。由公式2.4可知，ia+i+ic=0,因此可通过观察输出电流的波形来确认仿真模型是否正确。在状态方程模块输出端iaibic出加入示波器，并观察输出电流波形得到以下图3.3。上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真观察电流波形，不难看出电流满足公式2.5中规律，即三相线圈中电流满足规律。综上所述，本文直流无刷电机控制系统仿真模型成立。目前直流无刷电机在国内工控市场的知名度不高，普及率较低。许多用户当变频器异步电动机满足不了要求时就盲目直接采用伺服电动机，而很多情况可以用价格低的无刷直流电动机实现。采用伺服电机类似大马拉小车，不仅控制相对复杂，而且也是对资源的浪费。随着经济的发展，大量能源的消耗加快了地球温室化，威胁着人类生存。节能减排是全球面临的严峻课题，国家发展改革委员会启动了《节能中长期专项规划》,其中的一项就是电机系统节能工程。"十一五"期间的节能目标，电机系统运行效率提高2个百分点，节电200亿千瓦时。中国各类电动机总容量约5.8亿千瓦，占总耗电量的60%以上，其中交流电动机占90%,整体运行效率比先进国家低10%以上。推广使用高效节能的直流无刷电机正可谓利国利民。本文在分析直流无刷电机以及其控制系统的数学模型的基础上，基于Matlab/Simulink仿真软件建立了直流无刷电机三相全控(两两通电方式)的仿真，完成了其开环控制系统的基本功能。其仿真模型的证实为之后实际研发直流无刷电机控制器打下了理论基础。但本模型仍有需要改进上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真的地方。在PWM波产生模块前可加入PID控制器，设定参照标准速度，将其与系统反馈速度同时输入PID控制器，控制器输出相应占空比，即可实现调节系统速度的功能。[1]张琛.直流无刷电动机原理及应用.机械工业出版社，2004[2]直流无刷电机的发展-山社电机株式会社的博客-工控博客.htm[3]黄声华.永磁交流伺服系统国内外发展现状[C].微电机工业“十一五”发展论坛.西安微电机研究所，2005。[4]莫会成.控制电机发展及建设[J].微电机，2005[5]王正林.Matlab/Simulink与控制系统仿真(第二版).电子工业出版社，2008.7[6]正田英介(日).电机电器[M].北京：科学出版社，2001.Implementation.MasterThesis[8]MillerTJE.BrushlessPermanent-MagnetandDrives[M].0xford,NewYork:ClarendonPress,1989.[9]IonelDM,EasthamJF,BetzerT.FiniteMagnetics(S0018-9464),1995,31(6):3749-3751.[10]Duanehanselman.精通Matlab7.清华大学出版社，2006.5[11]MichaelBarr.脉冲调制的基本原理及其应用实例，2002.7[12]ThomasSalem,TimAHaskew.SimulaProceedingsoftheTwenty-SeventhSout(SSST'95).USA,1995:18-22.[13]孙建忠，白风仙.特种电机及其控制[M[14]莫会成.永磁交流伺服电动机转矩波动分析[J].微电机，2007[16]薛定宇，陈阳泉.基于Matlab/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2002.[17]纪志成，沈艳霞，姜建国.基于Matlab无刷直流电机系统仿真建模的新方法[J].系统仿真学报，2003,15(12):1745-1749.(JIZhi-cheng,SHENYan-xia,JIANGJian-guo.ANovelMethodforModelingandSimulatioMatlab[J].JournalofSystemSimulation,2003,15(12):1745-1749.)[18]王兆安电力电子技术(第4版).机械工业出版社.2005上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真[19]STMicroelectronics[20]AtmelApplicationNotes:FullyIntegratedBLDCMo上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真 Profibus-DP串行通信是一种控制罗托克执行机构的理想化通信方式。使用Profibus-DP的网络为执行机构的连接提供高性价比的方式，无论在什么位置都可以行之有效的与中央集控系统连接。Profibus-DP串行通信可运行在一定通信速率范围内，并且为控制执行机构提供控制机制，以及阀门位置的反馈数据。最新的罗托克Profibus-DP选配卡支持标准的DP-VO周期数据交换和DP-V1非周期数据交换，用于诊断，建立和历史数据回溯。EDD文件用来支持最新的西门子PDM组态软件在配置中的使用，而DTM文件支持最新非专利FDT组态软件的使用。标准GSD文件支持所有复杂的系统，包括基础的和正在建造的系统。图一●国际开放标准IEC61158/EN5170上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真想要了解更多关于Profibus的信息请访问网站http://www.P.Profibus支持西门子和三菱等领先技术PLC厂家。罗托克ProfibusDP-V1模块上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真Profibus模块被安装在执行机构的机壳里面，接口直接和执行机构电路连接。一旦被安装，所有通用指令与启动执行机构的信号反馈和一些历史数据一起，都在ProfibusDP,RS485高速总线中可利用。具备一些关于系统变量和执行机构性能的用户设置，例如执行机构的从属地址。这些不仅仅通过使用红外通讯器连接到IQ和IQT执行机构，还通过适合的工具通过网络组态相应的寄存器。在Profibus运行时，GSD文件就可以通过简单的文本编辑器来进行编辑从而修改内部参数。图二双通道Profibus模块上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真地址一1200米9600波特ProfibusDP模块作为一从属设备，它支持PLC使用VO通信模式进行数据速度(Band)Profibus单通道模块上海工程技术大学毕业设计基于Matlab的直流无刷电机控制系统仿真据公路连接，同时一路为仪器模拟信号发射机附加的输入信号(电流或者电压)被提供。n*□AProfibus双通道模块上海工程技术