直流无刷电机控制系统的仿真设计

直流无刷电机控制系统的仿真设计直流无刷电机控制系统的仿真设计SimulationDesignofBrushlessDCMotorControlSystem摘要关键词：直流无刷电机直接转矩控制仿真MatlabIAbstractPermanentmagnetbrushlessdcmotorwithcontinuouslongservicelife，highefficiency，smallvolume，lightweight，smallinertia，highpowerdensity，easyspeedregulationandautomationperformanceisgoodwaitforacharacteristic，iswidelyusedinvariousinternationaltransportation，industrial，servocontrol，householdappliances，aerospaceanddefenseindustryengineeringtechnologyanditsapplicationfieldssuchasmilitary.Throughthedesignandestablishmentofthebrushlessdcmotorsimulationandcontrolsystem，thecontrolalgorithmofthewholemotorsystemcanbeeffectivelyanalyzedandverified.Thispapermainlystudiesthedesignofasimplifiedbrushlessdcmotorcontrolsystem，basedonthecurrentinternationalmarketoftheconventionaldirecttorquecontrolsystem，toeliminatethecomplexlinksofthemagneticchainclosed-loopcontrol，onlyaccordingtothespaceelectromagnetictorqueandconstantrotorvoltagerelativepositiontocalculateandselectthecorrespondingspacetorquevoltageandvector.Andcomparedwiththedoubleclosedloopcontrolsystemthroughsimulation.Inthispaper，weusematlabmodulesoftwaredesign，accordingtotheknownparametersofbrushlessdcmotor，theactualsituationandsystemdesignandcontrolworkoftheactualsituationofbrushlessdcmotorcontrolsystemisestablishedabasicdynamiccontrolmodel，andthroughthesimulationandanalysisresultsshowthatthesystemdynamicmodelofthebasicdesignisreasonableandcorrect.Keywords: ConventionalDirectTorqueControlBrushlessDcMotorEmulationMATLABII目录摘要 IAbstract II2546_WPSOffice_Level1绪论 110547_WPSOffice_Level2论文选题的背景和意义 16501_WPSOffice_Level2国内外研究现状 12285_WPSOffice_Level2论文的主要研究内容 210547_WPSOffice_Level11无刷直流电机及其控制系统的核心理论 320462_WPSOffice_Level21.1无刷直流电机的工作原理 330797_WPSOffice_Level21.2无刷直流电机的位置检测 610547_WPSOffice_Level31.2.1有位置传感器 66501_WPSOffice_Level31.2.2无位置传感器 73194_WPSOffice_Level21.3无刷直流电机控制系统的选择 922475_WPSOffice_Level21.4无刷直流电机的直接转矩控制 106501_WPSOffice_Level12无刷直流电机控制系统的数学模型分析 143904_WPSOffice_Level22.1无刷直流电机的数学模型 1418899_WPSOffice_Level22.2无刷直流电机的反电势 1512209_WPSOffice_Level22.3空间电压矢量求取 152285_WPSOffice_Level13无刷直流电机控制系统仿真 1821510_WPSOffice_Level23.1系统模型的搭建 1824877_WPSOffice_Level23.2仿真结果及分析 212285_WPSOffice_Level33.2.1转速仿真结果及分析 2120462_WPSOffice_Level33.2.2转矩仿真结果及分析 2230797_WPSOffice_Level33.2.3A相电流仿真结果及分析 243194_WPSOffice_Level33.2.4三相反电势仿真结果及分析 2520462_WPSOffice_Level14仿真结果的最终对比 2730797_WPSOffice_Level1结论 293194_WPSOffice_Level1致谢 3022475_WPSOffice_Level1参考文献 31绪论论文选题的背景与意义随着现代电力电子技术和新型永磁电动机材料的快速应用发展，一种新型的高性能永磁直流无刷电动机(brushlessdcmotor)被逐渐推导了出来。它不仅在外观上能够拥有普通无刷直流电动机优良的传动和机械特性，又同时在性能上具有良好的传动重量轻、惯性小、体积小、控制精度高的特点和实用性等诸多优点。被广泛应用于很多应用领域，例如智能电动汽车、智能数控机器人、光驱等。而随着无刷直流电动机系统应用范围的多元化和范围的不断扩大，控制无刷直流电动机系统对于成本、控制算法、设计和控制产品开发生命周期的各种关键技术要求，日益的提高和增加。通过电动机的设计和控制可以建立完整的无刷直流电动机控制系统的仿真和控制模型，可以立即地验证目前应用于计算机系统的控制算法，借助于系统的模型分析来计算和观察系统的控制和输出，从而有效地节省了控制电动机系统开发和设计的成本和时间。此外，还使开发者可以充分利用计算机控制系统仿真技术的优势，人为地利用算法去控制和改变系统的扰动和结构，加入不同的扰动和参数的变化，研究控制系统在不同的结构和不同的工作条件情况下的各种静态和动态的特性。永磁静电无铅印刷高压直流电力发动机调速控制动力系统系列产品主要具有连续工作使用寿命长、体积小、效率高、重量轻、调速快和控制传动性能好、功率低和密度大、转动惯量小等六大特点。虽然目前我国直流风力发电机的生产制造设备和自动化技术与国外的水平差距不大，但直流风力发电机稀土控制系统的相关技术基础研究与实际应用的开发还是进一步有待加强。另一方面，中国的直流电机的稀土资源特别丰富，占目前中国和世界总直流电机稀土资源储量的75%。因此，发展永磁无刷直流电机控制系统产业对于我国直流电机经济的生存和发展来说具有特殊的战略意义。国内外的研究现状无刷电机虽然相较于传统的有刷直流驱动电机来说具有许多不可忽视的技术优点，但也还是存在一些固有的问题和缺点，如转矩和脉动的问题，使得很多精密电机需要控制的场所都无法得到广泛使用。因此，国内外对其也进行了大量的技术研究。其研究的方向主要可以分为两个主要的方面。一是主要研究材料的磁铁和电机本身。目前，国内外正在研究寻找合适的磁铁电机材料，进一步提高其的性能。二是主要应用带有传感器作为材料进行反馈的装置以及传感器进行材料的换向，在某些的情况下，如材料受到腐蚀的情况下，使用带有传感器的材料作为反馈控制装置的传感器进行材料换向是不实际的。因此，近些年来，许多的学者和专家们正在继续致力于积极进行对无直流驱动电机的传感器进行智能电机控制的途径和技术课题研究，这不仅可以很好的解决了直流驱动电机的传感器在某些的特殊情况下不适用的问题和智能电机控制的问题。也因为它可以很好的解决转矩和脉动的问题以及智能电机控制的问题。此外，许多直流驱动电机传感器智能控制的途径和方法也在进一步的探索和研究中。由于目前已经发展完善的传感器智能电机控制的途径和技术方法已经有很多，潜力很大，所以近些年来，无刷直流驱动电机凭借迅速的市场经济发展，很快的就成功占领了直流驱动电机的市场。它被广泛应用于各种电子计算机cd播放器、电动汽车、航空航天等多种应用领域。当然，目前以嵌入式位置反馈传感器作为元件进行位置检测和反馈的开环闭环控制在技术上已经在国内得到了广泛的应用和成熟，为其学习和研究相关技术提供了很好的技术参考。论文的主要研究内容无刷直流电动机模型具有体积小、重量轻、效率高、结构简单等特点，被广泛应用于电动工具、汽车、工业过程控制、自动化及航空航天等工业应用领域。本模型的设计主要是采用simulink的模型和自动仿真的设计方法，分析了具有不同结构和控制策略的无刷直流电动机的结构和控制过程管理系统，并对建立模型进行了验证。主要研究内容:(1)控制策略研究，包括经典的双闭环调速和直接转矩控制。(2)建立部分系统模型，学习Simulink电力系统仿真模块的使用。(3)依据不同的控制策略，相应的建立无刷直流电动机的调速模型。(4)根据实际的电机参数，模拟控制系统，对比不同控制策略，分析其优缺点。1无刷直流电机及其控制系统的核心理论1.1无刷直流电机的工作原理无刷直流电动机的定子由永磁钢构成，其主要的工作功能之一就是在电机的两个绕组相互通电时，会在气隙中产生一个固定的反应磁场。由于直流无刷电机印刷齿轮具有换向的作用，在直流无刷电机的齿轮换向系统运行的每一个过程中，两个印刷齿轮的反应磁场总是相互保持平行或者相互垂直，从而在两个气隙中通电时产生最大转矩，驱动无刷直流电动机继续通过印刷齿轮，进行换向运行。为了能够更好地设计和实现对于无刷直流电动机对齿轮的换向，首先将普通无刷直流电动机的两个定子电枢和绕组直接置于一个带动定子上，将永磁磁钢的定子电枢和绕组直接置于一个固定的转子上。这与目前的传统直流永磁电机的两个定子结构完全相反。但是，这种简单的方法显然是不够的，因为普通无刷直流电机的定子电枢和绕组通常都只能在固定的气隙中，连续地产生一个固定的转矩和反应磁场。而不能直接通过气隙来产生一个固定方向的转矩，用来连续地带动永磁钢和绕组的两个转子，进行连续的旋转。转矩的产生方向和反应磁场，都是由于绕组的转子在连续运动时的旋转而产生的。所以，无刷直流电动机除了由定子和转子组成电动机的本体以外，还要有由位置传感器，控制电路以及功率逻辑开关共同构成的换向装置，使得无刷直流电动机在运行过程中定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场，在空间始终保持在π/2(rad)左右的电角度，从而使电机能不停的运转。每一次换向都会有一组绕组处于正向通电；第二组反相通电；第三组不通电。转子永磁体的磁场和定子钢片产生的磁场相互作用就产生了转矩，理论上，当这两个磁场夹角为90°时会产生最大的转矩，当这两个磁场重合时转矩变为0，为了使转子不停的转动，那么就需要按顺序改变定子的磁场，就像转子的磁场一直在追赶定子的磁场一样。本次课题中所采用的无刷直流电动机，是被广泛应用于市面上的，被称为三相对称绕组的无刷直流电动机。其中三相的连接方式分为星形连接和角形连接两种，逆变器可以分为桥式和非桥式两种，所以无刷直流电机的主电路则可分三种，分别为角形连接三相桥式、星形连接三相桥式、星形连接三相半桥式。本文的主电路采用为星形电路连接三相桥式变压器，如图1.1所示。下面具体介绍这种主电路的结构原理。图1.1星形连接三相桥式主电路VT1VT6导通，A、B相通电(b)VT1、VT2导通，A、C相通电(c)VT3、VT2导通，B、C相通电(d)VT3、VT4导通，B、A相通电图1.2转子位置如图1.1所示，就是本次课题所使用的星形连接三相桥式主电路，图1.2为转子不同位置时的电流导通规则。如图所示，当转子到达图1.2(a)位置时，转子会被电机的位置检测系统所检测，并将转子当前位置信号传给逆变器，控制系统控制A、B两相所对应的开关导通，即图1.1中的、，此时电流从电源的正极流出，经由、A相绕组、B相绕组、，最后流入电源负极，这个电流的流经过程中，电机定子产生的磁场会作用在转子上，使得电机按图1.2(a)所示的方向旋转，经过一段时间的运转后转子到达了图1.2(b)所示位置时，转子又会被电机的位置检测系统所检测，并将转子当前位置信号传给逆变器，控制系统则会控制A、C两相对应的开关导通，即、，电流从电源的正极流出，经、A相绕组、C相绕、经回到电源的负极，这个电流的流经过程中，电机定子产生的磁场会作用在转子上，从而使电机按图1.2(b)所示的方向旋转。之后会重复这个过程，使得转子可以依次到达图1.2(c)和图2.2(d)的位置，最后再回到图1.2(a)位置。在图1.1中，当检测到转子当前位置信号时，有两种控制功率开关的方法:一是二二导通方式，二是三三导通方式。我们来了解一下这两种方法。当在同一个时间点内，导通的开关是两个时，就是二二导通方式，也称为星形三相六状态方式，同理可知，当在同一个时间点内，导通的关是三个时，就是三三导通方式。如图2.2(a)所示，为二二导通方式下的的电流方式，此时如增加C为流入电流，Z为流出电流，则就变为三三导通方式。从理论上来看，三三导通方式下，电机将获得更大的转矩，事实上，三三导通方式在换相过程中，由于器件的延迟，极可能造成前一状态打开的关没有关闭，而后一状态需要打开的开关打开，导致短路，烧毁元器件，而二二导通方式因为中间有60°的间隔作为换相缓冲，则不存在这样的问题，所以我们选择二二导通方式作为电机的换相控制策略。1.2无刷直流电机的位置检测市场上比较常见的一种方法用于电机转速表的确定和速度检测直流电机转子齿轮位置传动无刷电机没有传感器的转子齿轮与直流转子之间位置的传动转速速度检测法其方法主要大致分为有两种:一种就是直流转子齿轮位置转动无没有传感器的直流转子齿轮位置速度检测，二种方法就是直流转子齿轮位置转动速度没有传感器的直流转子齿轮位置速度检测，但因为有位置传感器的检测成本相对较高与安装维护不方便。现在各种各样的电子信号处理器的功能完善以及现代化的电子传感器和电力信号检测技术的发展，使得各种利用无位置传感器进行检测的方法正迅速的发展，一步一步发展成为了主流。1.2.1有位置传感器永磁光电式无刷位置传感器对直流电动机的转子位置的自动检测通常大致可以分为采用通过无刷电磁式、光电式和无刷磁敏式三种确定电动机转子位置的永磁式传感器。实际上电磁式的转子位置传感器按开关电路结构可以细分为开式位置变压器、铁磁谐振开关电路、接近开关电路等。实际上电磁式的位置传感器的原理和特点主要有着它是一种能够很好地利用和适应直流电动机各种复杂多变的实际工作条件和环境、维护方便、不易使零部件受到严重损坏等的特点，能够有效地提供各种高强度的光信号，多用于潜艇、航空航天等电动机领域。这种光电式位置传感器的工作原理特点类似于我们常用的一种红外线光信号接发器，它主要是根据光信号接收器自动接收到的各种光信号的不连续性来自动确定转子的方向和位置。世界上第一台无刷直流电动机采用的霍尔元件传感器就是属于磁敏式传感器。它同时也是无刷直流电动机传感器市场上目前已经应用最广泛的传感器之一，因为霍尔元件性价比高，生产工艺简单，可以直接进行电动机的大批量生产。由于霍尔元件的电动势低，在实际的使用中通常需要放大器，所以霍尔集成电路通常由霍尔元件和其他作辅助的集成电路两个大部分组成。霍尔集成电路一般可以分为磁敏式线性电路和开关电路两种。前者多广泛应用于磁敏式的位置霍尔元件的传感器。在实际的集成电路应用中，霍尔开关一般被认为有两种比较广泛使用的粘贴方式:一种就是将霍尔开关直接粘贴在电机绕组端盖的铁心定子表面;二种就是直接把霍尔开关直接的粘贴在无刷直流电动机的绕组铁心定子端部上的距离电动机绕组端盖铁心最近一点的几毫米处或者直接粘贴在电动机铁心定子上的电动机中枢上装有铁芯的绕组端盖表面，前者在电动机接近霍尔开关的地方安装着一个同步于转子和电动机中枢转轴的永磁体，而后者则一般是直接利用粘贴在电动机中枢转子上的永磁体传感器来直接取得电动机转子的信号，以此方式来准确判断电动机转子的方向和位置。1.2.2无位置传感器永磁电动机和无刷的直流电动机还是可以通过直接检测和监控反电动势的极性和反电动势信号的状态变化来直接地代替霍尔传感器的反电动势信号，达到了控制传感器转子开始换向的主要手段和目的。如电路图1.3所示，我们可以清楚地看到霍尔传感器和反电动势之间的相互联系。每次当第一个转子传感器开始换向时，第一个换向绕组的电压极性改变得到正电，第二个转子换向的绕组极性改变得到一个负电，第三个转子换向绕组保持反电动势开路的极性和状态。从这个电路图中我们可以清楚地看出，当反电动势开路电压的极性由正变负或由负变正时，霍尔传感器反电动势信号的极性和信号状态发生变化。理想的情况下，在反电动势的极性穿过零电阻值时这种延迟的情况就可能会经常发生，但由于换向绕组的特性，在实践的情况下我们可能会发现有一个非常小的延迟，这种情况下的延迟由单片机控制器进行了补偿。图1.3霍尔传感器信号与反电动势关系另一个问题是在使用电机开环时需要仔细进行考虑的开环控制问题是由于使用电机转速特别慢的时候出现开环无法控制的情况。由于反电动势与转子的转速成正比，电机从一个非常静止的开环状态启动时必须直接采用反电动势进行开环的检测与闭环控制。只有当开环的检测常数达到反电动势过零点时，才认为可以直接采用反电动势的方法进行检测与对开环的控制。因此直接利用检测电动机的反电动势的控制常数可以精确地计算得出，可以被检测的反电动势的最低转动速度。以这种简单的方式进行换向不仅仅需要霍尔传感器，在一些直流电机中甚至霍尔传感器对电磁体也不那么需要。这种简化的开环控制结构为电机节约了大量的成本，且电动机可以轻松适应很多复杂的环境，例如在一些需要经常用水清洗的环境中被广泛使用。1.3直流无刷电机控制系统的选择直流无刷电机的控制系统主要包括矢量控制和直接转矩控制。下面我将简要介绍这两种控制方法。矢量的控制电动机是一种在无刷直流电机传动系统中目前应用最广泛的一种控制电动机方法之一。由于无刷的直流电动机的转差率一般为零，因此矢量控制的效果直接受转子电流参数的变化影响较小。另一方面，电子的电流对于矢量控制起着重要的控制作用，它被简单地分解成两个部分，一个主要用于控制电流产生磁通，另一个主要用于控制电流产生转矩。然后分别对转子进行了计算和转换，就是可以很好地直接控制了转子电流的大小和转子的相位。综上这两点来看，矢量的控制和对无刷的直流电动机的控制相结合还是可以很好地达到我们目前所想要能够得到的比较好的电子电流控制效果。直接转矩的定子磁场控制(directtorquecontrol，dtc)主要是由于采用了对定子磁场定向和电压空间定向矢量的直接转矩控制的概念，通过定子传感器直接检测一个定子的电流、电压，直接在一个定子磁场的坐标系下进行控制和分析观测永磁同步电机的转矩和定子磁链、转矩，并通过传感器比较此转矩的给定误差值和计算观测误差值，经滞环和转矩控制器的相互作用可以使得经滞环对给定的磁链通过误差值得到了对相应的直接转矩的控制和瞬时观测的信号，再根据当前的磁链运动的状态和情况来进行控制和自动选择永磁同步电动机及其相应的定向电压控制空间和转矩矢量，来更好地实现和达到对永磁同步的电动机转矩的直接观测和瞬时控制。它从电动机的结构和控制功能上来说，我们可以将永磁同步电动机的转矩划分为2部分:第1部分主要为了对六边形定子磁链的直接转矩的控制和瞬时观测，目的主要是为了更好地利用磁链选择合适的定子磁链及其控制电压空间和转矩矢量，以便它在运动时能够更好地产生一个六边形的定子磁链;第2部分为转矩的直接观测控制和瞬时观测，目的主要是为了能够更好地利用磁链实现转矩的瞬时观测控制。近年来，直接转矩的控制在永磁同步电机中尤其特别是在永磁同步无刷直流电动机转矩控制中的广泛应用国内外已有大量相关文献的研究和报道，但是，将这种直接转矩控制的方式广泛应用于永磁同步无刷直流电动机的相关技术研究还不多。由于电动机采用永磁传感器控制无刷的直流电动机本身必须具有同一个位置的传感器，并且可以当电动机和无刷的直流电动机连续运行并保持高速电动机运行时由这个位置的传感器直接给出的直流电压和传感器空间的矢量恰好大到可以在电动机和无刷的直流电动机的定子上直接产生一条六边形的磁链，所以一方面我们完全能看到可以直接在定子上省略或去掉其他六边形磁链的位置和观测部分，使得其控制电动机系统的基本结构和操作得到了简化，另一方面我们完全可以充分利用它的高精度和动态性，以此方式来观测和控制无刷直流电动机的转矩波动，使转矩的波动被直接限制在电动机规定好的转矩波动范围里，前提是当直接转矩波动策略被广泛应用于永磁控制无刷直流电动机时。直接转矩的控制和处理与传统的直接矢量转矩控制的方法相比，不需要控制器进行大量的电流解耦，而是直接的控制了电动机的转矩和控制电磁链，因此它本身具有较强的技术优势体现在它的控制系统性能。这种直接转矩控制的方式不但有效的使得计算量消耗大大的减少了，而且有效的提高了控制算法的精度和效率。1.4无刷直流电机的直接转矩控制直接转矩和矢量的控制系统逆变器技术的主要特点之一，就是直接在一个定子的静止旋转坐标系下直接控制分析一个交流电动机的数学和运动模型，进而直接用逆变器控制一个交流驱动电机的转矩与磁链。所以交流逆变器省略掉了直接转矩矢量控制信号的直接控制中静止电动机旋转的定子坐标系与直接转矩矢量的控制信号中静止电动机旋转定子坐标系的复杂的转矩矢量控制信号的变换和转矩矢量计算，内部的直接转矩矢量控制信号的采集和计算处理更加的简单方便，更容易直接用逆变器实现系统的电动机和实时转矩矢量的控制。交流逆变器操作系统采用不同的频率和阶数的滞环控制电动机和逆变器滞环负载的调节器、设置不同的频率阶数电动机和滞环环差以及不同的频率阶数电动机和滞环负载及其交流驱动电机的实际旋转频率和速度等等这些都会直接的影响电动机和交流逆变器实际的电动机开关和工作频率，控制逆变器的操作系统使用起来比较简单便捷，并且对逆变器接收到的电动机和逆变器参数的工作频率变化幅度影响比较小。逆变器目前采用的电动机控制磁场定向方式是因为需要电动机采用定子磁链式的控制电动机进行磁场定向，这样紧需要先动机测得一个电动机定子的磁链作为电阻，而采用定子电感矢量的磁场定向控制则是因为需要电动机测得一个转子的磁链直接的作为一个电动机的转子进行磁场定向，所以只有定子的电动机已经知道了一个转子的电阻和一个定子的电感才可以能够直接的进行电动机的观测，所以也就是说一个定子的磁链和一个电动机测得转子磁链的磁链与一个定子电动机目前观测的磁场定向模型相比来说还是可以采用电动机定子磁链的观测模型相对简单一些。直接转矩的电机磁链控制这种技术主要的基本含义就是用这样一句话强调转矩的直接进行电机磁链的控制和转矩可以达到的间接进行磁链控制的效果，而这句话主要就是包含了转矩的直接调节器进行电机磁链的控制和直接通过电机磁链间接进行转矩的驱动和电机磁链控制这两层的基本含义。转矩所需要采用的控制方法其实就是转矩闭环控制的一种方法来直接通过转矩进行驱动电机控制转矩。所以对它而言它的直接驱动和控制操作目的并不是为了通过获得正弦波的电压、电流以及频率来控制一个圆形的电机磁链，而只是为了充分追求转矩的驱动和电机磁链控制的操作快速性和圆形磁链控制的操作准确性。这种直接的转矩驱动电机控制的方式我们也可以将其称之为"直接自控式"。这种"直接自控式"的驱动电机设计基本思想就是以转矩的直接调节器为其控制的中心通过转矩来直接的进行转矩、磁链的直接驱动电机控制，然后通过转矩的两点式直接的调节器将转矩的直接调节器检测值和其波动的范围与给定的电机磁链转矩值之间的容差进行直接通过滞环式的波动进行比较，把转矩的调节器检测值和其波动的范围都限制在一定的转矩容差和其波动的范围内，实现对转矩和磁链通过圆形驱动电机磁链的直接进行驱动和电机的控制。所以直接转矩的控制只是取决于对转矩驱动电机控制的实际转矩波动情况，不受转矩驱动电机实际的控制数学和模型的影响，这样既简单又直接。直接转矩交流调节器直接自控制技术主要的优势和特点之一就是通过综合利用基于空间矢量的直接转矩调节器分析方法，用一个两点式直接转矩交流调节器(bang-bang手动控制)直接转矩自动控制感应开关电压型交流逆变器六个感应转矩和开关定子电机磁链器件的控制根据感应转矩和开关定子电机磁链运动的状态，对于感应转矩开关定子电机的转矩和开关定子电机磁链的运动状态进行直接转矩的控制。这样不仅对于动态转矩的响应比较快而且开关损耗也一定会比较小。现在市场上采用的是dtc两种电机器件直接自控制策略的六个感应定子电机器件磁链主要以2种直接自控制的方式运行:一种方式自控制是1985年由一位来自于德国鲁尔大学的m.depenbrock教授在其研究中首次提出的直接自控制，直接自控制的解决方案主要的特点就是针对目前广泛应用于各种大功率电压型交流逆变器传动系统的六个感应开关电压型交流逆变器进行交流驱动系统的感应开关电机器件提出来的直接转矩控制解决方案。由于当时国际市场上普遍采用了大功率的采用gto半导体的直接开关转矩控制电机的器件，考虑到直接开关控制电机器件本身的电路开通、关断比较慢，还有开关损耗和电机器件的散热等实际的稳定性问题，gto半导体开关转矩控制器件的直接半导体开关转矩和电机控制的频率不能太高。当时的交流逆变器非零开关对于频率的稳定性要求通常只能小于1khz，通常逆变器开关的频率只有500~600hz。而即便一直持续使用到现在，大功率的非零电压交流逆变器在交流传动开关应用的领域和场合中切换开关的速度和频率也通常都只能达到仅仅有几khz。在较低的交流开关元器件切换开关的频率下，直接自控制切换单元作为解决问题的方案被广泛地采用的一种自控制切换方式。它是一种直接利用两点式非零开关电压型的交流开关切换逆变器的六个非零开关电压的切换矢量，按照预先绘制好的设计图中给定的对六边形直接定子磁链幅值控制指令顺次控制切换六个非零开关的矢量，从而很好地实现了预设的对六边形直接定子磁链的运动速度和轨迹的直接自控制。在六边形直接定子磁链自控制单元的设计理念基础上通过实时地控制插入零开关电压的矢量指令来控制和调节驱动电机的转矩在合适的开关频率范围内—这也是转矩自控制单元的主要功能。目前，该自控制方式在一些交流元器件开关对频率和速度要求不高的应用领域中已经应用比较广泛，但是该自控制方式的缺点主要是由于电流、电压的开关频率波形畸变严重，在低速开关的情况下转矩的脉动比较大。另一种则最早可能是由一位来自日本的调节器学者ltakahasi提出的，也就是这种跟踪定子开关磁链的调节器运动跟踪的轨迹是按照了一个标准圆形的定子开关磁链的跟踪调节器轨迹信号来进行控制的跟踪查询方式。此种用于跟踪查询磁链控制定子开关逆变器的跟踪查询方案已经认为是现今在世界上进行研究最多的一种dtc跟踪查询磁链控制逆变器的方案，它主要原因是由于采用了一种跟踪查询磁链的电压和调节器电压矢量表的方法来对查询电压调节器的定子磁链和相应调节器的施加电机转矩幅值同时的进行了调节:根据相应的定子磁链幅值与相应调节器施加电机转矩的滞环式bang-bang调节器、定子开关利用磁链的调节器矢量表与相应的空间调节器所在位置的电机转矩关系信号来计算形成查询电压调节器矢查表所需的查询电压调节器矢量表相关信息，从这种跟踪查询磁链的电压和调节器的电压矢量表中直接查询可以准确的查出与磁链相应的调节器矢量表所施加的跟踪查询磁链电压和调节器矢量表的信号相对应的查询电压调节器和定子开关的磁链矢量信号，以此查询方法为基础来实现运动跟踪和控制调节器相应的查询电压逆变器。这种定子磁链跟踪旋转空间控制的自动化方式主要特点是实时的，它通过跟踪和检测开关磁链调节器和定子开关电机磁链与转矩的关系和误差，结合起来控制电机的旋转空间定子磁链幅值和旋转空间与开关磁链调节器转矩所在位置的矢量关系来精确地进行计算和选择控制相应的磁链调节器和电机开关定子磁链的矢量，采用了一个固定的标准圆形控制定子磁链的旋转轨迹以有效地保证开关磁链调节器的电机定子磁链幅值基本稳定并保持不变。2无刷直流电机控制系统的数学模型分析2.1无刷直流电机的数学模型在给我们的直流电动机模型，建立一个完全符合系统数学的直流电动机基本模型前，我们先对这个电动机模型给出了一个如下的基本假设:(1)我们可以这个直流电机发动机的内部铁心饱和，不计磁滞损耗和涡流损耗;(2)我们要忽略地去统计和计算直流电机发动机的铁心中枢磁整流槽饱和效应，电枢导体连续且均匀的分布于电枢导体表面;(3)忽略梯形波对电路中枢气隙磁场的反应。气隙磁场的梯形波分布，可以近似的认为是一个平顶宽度为120导电角度的非线性梯形波;(4)功率管和驱动系统三相定子逆变整流电路的功率管和驱动系统三相续流电路变压器中的三相整流二极管均应该是具有理想的三相开关电压的特性;(5)三相续流电路变压器与三相定子整流电路变压器中的二极管绕组互相对称。这样经过的推导就已经证明可以很容易的计算得到永磁无刷直流三相逆变电机的三相开关电压方程如式2.2所示:（2.2）其中，为每个定子相供电绕组的定子电压；为每个定子相供电绕组的定子电流；为每个供电定子相绕组各相之间的定子感应电动势；r为每相供电绕组的定子电阻;l为每相供电绕组的定子自感;m为每相定子绕道各组间的互感。根据绕组的星形连接的原理，，，所以，所以式2.2转化后如下式2.3所示：（2.3）由此可作出无刷直流电机的等效电路图如图2.1所示。图2.1无刷直流电机的等效电路图2.2无刷直流电机的反电无刷直流电动机在高速转动的过程中，每一个定子驱动绕组将会自动产生一个名为反电动势的励磁电压。由楞次定律可知，反电动势产生电压的方向和转子绕组的驱动主齿轮产生电压方向完全相反。同时它的极性和励磁产生的电压也是完全相反的。所以决定反电动势的因素主要有三个:一为电动机的转子绕组角驱动速度，二为驱动转子绕组磁体产生的转子磁场，三为定子驱动绕组的匝数。因此在选定好无刷直流电动机的模型之后，相当于是二和三这两个重要的因素也就是固定的了，剩下的因素就是转子绕组角驱动速度(或者说是转子绕组转速)和功率就是唯一的可以用来决定反电动势的一个重要因素。其随着转子绕组转速的提高得到了增加。也可以我们通过计算定子电枢驱动绕组的电磁角速度和功率公式求得无刷直流电动机的转矩公式如下式2.4所示:（2.4）其中，为角速度。如下图图2.2(a)所示为无刷直流电机及其发动机的对于其主磁通反电势动态的波形，而它的反电势动态波形的模型应该与传统的无刷直流电动机对于其主磁通的反电势动态波形的模型应该非常的的接近，为了更好的能够帮助我们更好的实现这个简化的无刷直流电动机的电流测量和计算的操作过程，我们同时也已经找到了可以将其与如下图2.2(b)的反电势波型的梯形波近似的可以很准确地认为这个波形就是它的反电势梯型波形。设一根处于磁场中的导线长度为，导线在磁场中的速度为v，那么感应电动势和电机转速的公式如下式2.5和式2.6所示:（2.5）（2.6）其中，D为电枢直径；p为电机极对数；为极距；n为电机转速。（a）BLDC电动机的反电势波形（b）BLDC电动机的反电势近似波形图2.2BLDC电动机的反电势波形和近似波形2.3空间电压矢量求取直流无刷电动机一般都采取二二导通的计算方式，二二导通就是说在每一个相同的时间点仅有2个时间点的开关管是导通一个状态的，并且开关管是上下桥各自独占一个，通过这样的计算我们可以先计算出八中开关管的状态并且每一个时间点的开关管都至少需要连续导通120°电流的角度，这样我们就至少需要6位以上的二进制数，下面列出我们所用得到的其中状态:(000000)、(100001)、(001001)、(011000)、(010010)、(000110)、(100100)，用0和1来分别表示每一个开关管的直接断开和导通。比如(100001)表示的状态是a相直接下桥臂断，上桥臂通，b相直接上桥断开，c相则和a相刚好相反而是直接上桥臂断，下桥直接臂通，7种开关管空间电压的矢量分别表示对应7种开关管的导通状态。，其中，为空间电压矢量的求取公式。当求取电量时，由等效电路图和开关状态可知：，，。从而可得：。根据上述的方法我们可以直接求得剩下各空间的电压矢量。然后将各空间的电压矢量分别表示在一个a-b-c的平面如图2.3所示，从这个图中我们可以清楚地看出各空间电压矢量之间相差的电角度为60°，永磁无刷高速直流电动机的空间电压矢量之间相差电角度超前了30°和永磁无刷异步电机以及永磁无刷同步电机相比。图2.3BLDC电动机空间电压矢量和定子磁链轨迹3无刷直流电机控制系统仿真3.1系统模型的搭建常规dtc的误差值是根据减小定子电磁转矩的稳态闭环误差、定子磁链的脉动闭环误差和减小定子的磁链闭环误差的所在扇区这三个误差值通过查开关脉动矢量表可以得到与其对应转子施加的上述转子位置和相对空间的施加电压和脉动矢量，使得高速直流电机的定子磁链沿着一个类似圆形运动闭环轨迹的方向均匀地旋转，最终很好地达到了减小定子的电磁转矩和脉动的闭环控制工作目的。因永磁无刷高速直流电动机基本的是磁链闭环的工作和控制原理，即电动机通过根据定转子在上述相对的转子位置和空间的对应施加电压确定转子位置和空间的施加电压和脉动矢量，定子的磁链和脉动闭环能够均匀地形成不规则六边形，幅值的变化很小，在对于稳态转矩和脉动的闭环控制要求不是特别高的实际应用和场合，可以尽量合理地节省掉磁链闭环控制的各个环节。从上述永磁无刷高速直流电动机的基本定子磁链闭环原理以及工作控制系统原理的分析结果可知，逆时针的方向进行高速旋转时，根据定子磁链在给定转子的上述相对位置应施加的给定空间电压和矢量如下表1所示，不同的位置施加电机的霍尔元件安装的方式和位置也应尽可能不同，表1是本文电机霍尔元件仿真设计过程中施加电机的ha、hb、hc霍尔信号元件安装的信号与转子对应位置施加的电机给定转子上述相对空间内的电压和矢量的基本对应函数关系，s是霍尔信号的形式和幅值用十进制函数来表示表1逆时针旋转时空间电压矢量SHAHBHC空间电压矢量5101(100100)4100(100001)6110(001001)2010(011000)3011(010010)1001(000110)由电机统一理论知电磁转矩可以表示为：。为转矩的系数，是一个转矩常数;为定子磁链;为转子磁链，由两个固定转子永磁体的转矩所产生，几乎为转矩的唯一恒值;δ为两个固定转子磁链间的夹角，即磁通角。前面已经在文章中提到我们可以得出的结论是两个稳态定子磁链在根据两个定子稳态转子磁链所在相对应的位置分别施加的电压和其脉动转矩矢量的情况下，也就是一个不规则的直角六边形，幅值的脉动角度变化很小，在对两个稳态转矩和脉动的稳定性要求不是特别高的实际应用和场合，可以完全合理地省去两个稳态定子磁链这个脉动转矩闭环的关键环节，为了更好地达到控制两个稳态电磁转矩的主要手段之一目的，由上式所述可知，只有通过精确地测量和控制定子磁链通过闭环旋转的运动方向和角度来控制其旋转的速度，进而更精确地测量和控制定磁通角的误差为θ和δ，使得空间定子磁链的闭环才能更精确地走走停停，以更好地控制和维持其空间电磁转矩在一定的磁通角容差和转矩的范围内。这种简化的定子磁链控制框图dtc就是根据定子磁链控制方向图表1的霍尔位置夹角对控制方向信号施加一定的空间电压矢量从而直接使得空间定子磁链与控制方向空间的固定转子磁链霍尔位置夹角的误差随之增大，从而直接地使得空间电磁转矩的误差增大，施加0电压的矢量从而直接使得控制方向空间定子磁链的闭环继续地运动和静止，转子磁链的闭环继续地静止转动，磁通角的误差随之减小，电磁转矩的误差也减小。空间定子磁链的控制闭环和系统框图的结构如控制框图3.1所示，控制框图在系统的设计时完全省去了复杂的空间定子磁链控制系统闭环的设计和控制环节，仅根据控制空间电磁转矩的误差与定转子磁链相对霍尔位置的误差来正确选择合适的空间电压矢量。图3.1控制原理图开关中的电磁转矩方程的矢量估计表的公式如下图表2所示，τ是根据施加开关电磁转矩的矢量给定的估计值与施加开关的电磁转矩方程中的矢量估计值之间的一个矢量差值经过一个开关电磁转矩滞环方程通过比较演算法的分析和计算转换得到的，当施加开关的电磁转矩方程中的矢量估计值随之小于给的电磁转矩设定值时，τ=1，要求肯定施加一个给开关设定点的估计值随之也增大了一个施加开关的电磁转矩，所以我们要求肯定增大一个施加非0电压的开关电磁转矩矢量，使得磁通矩在角磁场中的矢量估计值随之也增大，电磁转矩方程中的矢量估计值随之也增大;但是当τ=0时，要求肯定估计值减小不了开关电磁转矩，所以我们要求肯定施加0电压时的矢量，使得磁通矩在角中的估计值随之减小，电磁转矩中的估计值随之减小。表2简化DTC开关表S12345610根据图示如下的框图3.1的电路仿真模拟控制系统框图就是我们可以在框图simulink中直接进行搭建的进入输出电路仿真模拟控制系统框架图。如下表的图3.2、图3.3所示:分别为直接转矩环控制策略下的系统仿真控制框架图和双闭环控制策略下的系统仿真框架图。图3.2简化DTC控制策略仿真总体框图图3.3双闭环控制策略仿真总体框图3.2仿真结果及分析3.2.1转速仿真结果及分析如图3.4所示，在电机转动速度t=0时刻，负载=0，从电机转动速度n=orad/s时迅速平稳地加速，到最后在转动速度t=0.1s时迅速地到达第一个转速控制策略预期的波形图在电机转动速度n=2000rad/s，图3.5为基于简化的电机dtc转速控制策略的预期电机转速部分的波形，在电机转动速度t=0时刻，负载=0，从转动速度n=0rad/s时平稳地加速，到最后在转动速度t=0.005s时迅速地到达第一个转速控制策略预期的电机转动速度n=2000rad/s，图3.6为基于简化的dt控制策略预期的电机转速部分放大的波形图。由此我们可以将其对比结合如下图3.4和结合图3.6可以明显地看出基于简化的dtc控制策略驱动直流无刷电机的运转速度动态响应更快。图3.4双闭环控制策略的转速仿真波形图3.5简化DTC控制策略的转速波形图3.6前0.1s简化DTC控制策略的转速放大波形3.2.2转矩仿真结果及分析如图3.7所示，当转矩驱动电机开始通电后，由于感性负载的存在，电磁场经过一小段的时间才可以达到稳定的状态，因此转矩也应该具有这样的稳定特性，在图中我们可以很清楚地看到大约在0.01s前转矩由0N·m迅速地增加到14N·m，并且期间驱动电机经过了一个超调加速过程。当电机的转速进入一个稳定加速的状态后，转矩趋于稳定，到0.1s时，转速已经达到了预期的目标，转矩下降只需继续维持当前电感性负载下的当前稳定转速，不再减少了带有加速部分的电感性负载，因此转矩迅速下降，在0.5s时由于减少了突加速部分的负载，因此转矩迅速增大，并且在比较短的一段时间内就可以达到稳定[10]。图3.7双闭环控制策略的转矩波形如图3.8所示，当电机开始通电后，由于电机中有感性负载的存在，电磁场经过一小段的时间才使电机达到稳定的状态，因此转矩也同时具有这样的作用和特性，在图中我们可以很清楚地看到大约在0.01s前转矩由0N·m迅速地增加37N·m，并且期间电机经过了一个超调的过程。但是当超调使电机的转速进入一个稳定加速的状态后，转矩趋于稳定，到0.1s时，转速已经达到了预期的目标，转矩下降只需继续维持当前感性负载下的当前稳定转速，不再有加速部分的感性负载，因此转矩迅速地下降，之后一直趋于稳定，直到在0.5s时由于突加速部分的负载，因此转矩迅速地增大，并且在很短的一段时间内就能使转速达到稳定[10]。图3.8简化DTC控制策略的转矩波形通过分析图3.7和图3.8的对比，可以明显地看出在运转过程中，简化dtc的转矩脉动更小，大约不到0.3N·m，在0.5s时就会出现一个动态快速负载反馈响应的扰动加大，转速上只有很小的扰动下降，之后转矩又迅速的跟踪，达到了一个给定的最大转速，转矩在0.5s时就会出现动态负载响应扰动的减小现象，这种正常情况下一个动态的负载响应仅有1ms。3.2.3A相电流仿真结果及分析如图3.9，图3.10所示为整个电机仿真运行过程中的启动电流再次加速变化的波形，可以比较清楚的让我们看到，在仿真中电机的启动和再次加速运行阶段中经常都会发现有较大的电机启动和加速电流，经过0.01s左右的时间后电流再次加速下降并且保持稳定，电机又再次加速进入正常的电机启动和再次加速运行的状态，一直到0.3s电机都一直启动并且处于正常的启动和再次加速的运行状态中，而由于电机启动到0.3s时转速稳定，这时启动电流再次加速下降并且稳定。在0.4s时由于电机突加负载，在电机转速不变的情况下，转矩也有明显的增加，因此启动电流也有明显的加速增大，在电机仿真的流程示意图中我们也可以比较清楚的看到这段持续时间内的电流变化速度有明显的加速增大，在0.5s时由于提升电机的控制启动信号n通过了提升电机转速的转变而成为电机的控制启动信号n=400md/s，此时由于电机进入正常的加速运行状态，因此启动电流明显的增大，到0.6s时电流变化的速度已经完全达到了仿真所预定的电流变化目标，进入稳定的再次加速运行，电流又再次的加速并且下降经过极短的持续时间后再次稳定，电流变化规律与仿真理论的电流变化分析相符合。图3.9双闭环控制策略的电流波形图3.10简化DTC控制策略的电流波形3.2.4三相反电势仿真结果及分析图3.11，图3.12为整个设计过程仿真直流驱动电机高速运行的过程所示图中的三个a和a相反电势的转速波形。图中无刷直流驱动电机三个a和b相反电势的转速和波形正比于无刷直流驱动电机的b相反转速。从设计图18可以明显地看到在三速电机加速的时间段0.1s到0.3s内转速从零于稳加速，0.3s后直流电机转速稳定，在0.5s时又再次地接受到了新的直流电机转速控制信号转速再次平稳地逐渐增大，到0.6s时再次稳定。仿真所得的计算结果得到的反电势转速变化规律大小，正比于一台无线有刷直流传动电机的额定转速，符合实际当中使用的无刷直流传动电机的反电势变化规律。图3.11双闭环控制策略的反电动势波形图3.12简化DTC控制策略的反电动势波形图3.4、图3.5、图3.6为电机转速和感应脉动的波形，从图中我们看到电机可以清楚地看出电机的转速和波形并无任何的超调，调节的转速持续时间很短，仅电机转速为0.01s，说明经过积分分离的pi电机转速自动调节控制系统和电动机微控制器的感应类型设计合理;其中图3.7、图3.8为对电机的自动感应电磁转矩和感应脉动势的波形，如图所示，电磁转矩稳定时基本的类型仍然是额定转矩，虽换相时仍然可能存在感应电磁转矩脉动，但是感应脉动较小，符合了电动机系统的稳定性设计要求;其中图3.9、图3.10为电动机的感应第一相绕组的电流和感应脉动势的波形，基本的类型分别为120°方波;其中图3.11、图3.12为对电动机的感应电动势的感应波形，为梯形波，与目前用电动机感应理论分析的感应脉动波形基本类型完全相符。4仿真结果的最终对比采用上述的模型，利用先进的matlab/simulink仿真软件，对一台永磁无刷直流电机系统进行了针对性的仿真和深度的研究。永磁无刷直流电机的参数为额定输出电压=300v，相电阻=4.765ω，有效电感=1.4mh，转动惯量j=0.008kg·，极对数p=2，励磁磁通=0.1848wb。仿真模型如下图5、图6给出了系统负载给定的转速为2000r/min，负载转矩由轻载0.2N·m开始起动，并在0.05s时转速变为1.5N·m的情况下，输出转矩、速度的仿真波形。其中图4.1是系统采用双闭环直流电机的控制策略，图4.2是采用简化的直接转矩控制控制。图4.1双闭环控制策略的控制速度与电磁转矩图4.2简化的DTC控制速度与电磁转矩对比图4.1与对比图4.2可以明显的从对比图看出基于简化的dtc的设计永磁无刷直流驱动电机的运转速度动态的响应更快，转矩和负载的脉动更小，大约转速相差不到0.3nm，在0.05s时转矩和负载的脉动响应加大，转速有很小的下降又迅速的跟踪转矩达到了给定的电机转速，转矩在0.5s时驱动电机在出现转矩和负载扰动的正常工作情况下转矩负载动态的响应仅有1ms。由此我们可以明显看出永磁无刷直流电机在此过程中采用直接转矩仿真控制策略时达到的动态仿真控制效果比较好。结论无刷直流电机相对于有刷直流电机而言，具有无可比拟的性能等优点，因此在电子工业上已经获得了广泛的研究和应用。本文介绍了无刷直流电动机目前的发展状况以及应用前景;阐述了无刷直流电动机的基础理论和工作原理;论述了直接转矩控制系统相对于矢量控制系统的优缺点;并利用matlab软件中的simulink模块，建立动态模型，验证了直接转矩控制的长处。本文主要研究设计的这种系统用于简化直流转矩的仿真闭环控制，是充分地体现系统利用直流转矩对电机本身的闭环控制的特性，省掉了传统的定子磁链闭环控制，控制的过程比系统简单;通过实时的反电势计算