【基于MATLAB-SIMULINK无刷直流电机双闭环控制系统的设计案例分析3300字】

基于MATLAB-SIMULINK无刷直流电机双闭环控制系统的设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u10043基于MATLAB-SIMULINK无刷直流电机双闭环控制系统的设计案例分析 1147171.1MATLAB/SIMULINK的简介 199921.1.1MATLAB仿真软件的介绍 1214061.1.2MATLAB仿真软件的功能及特点 119581.2参数的给定 2127701.3SIMULINK模块的搭建 2176971.3.1无刷直流电动机双闭环控制整体控制框图 2263011.3.2电动机本体模块 3318251.3.3电流滞环控制模块 7263841.3.4转速控制模块 751991.3.5电流参考模块 8133841.3.6逆变器模块 10196311.4仿真结果 1031281.5结论 131.1MATLAB/SIMULINK的简介1.1.1MATLAB仿真软件的介绍1980年,美国的研究人员开发并提出了MATLAB编程语言。之后许多企业公司和其他相关专家不断努力,多次进行了扩充和修改。已经成功地开发了MATLAB7.0及以上的软件版本,受到了当今世界上众多使用者的好评。MATLAB是矩阵实验室的英文缩写,一开始就是用来处理和解决各种工程和科学上复杂的计算问题。由于MATLAB软件具有思维数据处理输入便捷、运算处理效率高、使用方便等多大优势,并且其独特的思维数据处理法和思维逻辑模型比较好地适合于专业科研人员的逻辑思维,已经逐步发展出并成为了在电子工程物理科学和新技术研究领域中一种常用软件。1.1.2MATLAB仿真软件的功能及特点1993年,在原来的一种框图逻辑仿真技术基础上的一种SIMULINK技术问世。它以MATLAB强大的系统模块和软件数据综合计算力和处理实现能力来将软件模块作为其系统设计主要依据,更加直观地通过设计使用所有的需要设计搭建的软件模块和数据软件设计框图对其功能进行系统的模拟仿真和数据计算,省去了一些繁琐的软件编程。另外SIMULINK还为我们客户提供了丰富多样的软件模拟和自动仿真应用工具,软件产品设计师和工程科学家等也都对它在SIMULINK里面的这些东西也都进行了大量添加、扩展。在这个SIMULINK的仿真平台上,只要你需要用手动拖拉接线模块,然后再重新向下拉动一条新的接线模块即可轻松完成一次仿真。在使用SIMULINK这个平台上进行搭建的编程模型,其简单而且基于数据库的可读性比较强,降低了传统用户在MATLAB窗口中进行编程时可能带来的再次使用大量编程函数的成本和复杂性。1.2参数的给定在对一台无刷直流驱动电机双闭环电路进行模拟仿真中,设置了一个如下的仿真参数:每个定子供电绕组的传动电阻值控制为1，定子供电绕组的传动电感系数值为0.02，每两相邻的定子传动绕组之间的传动电感系数值控制为-0.061，转动惯量控制在0.089，阻尼传动系数控制为0.005，极对数系数值为4，额定负载转速系数值为300，所以其带动的直流负载转矩控制在11，在转速自动控制模块中=3.3，=300。其中直流电的输出输入电压一般可以给定为220v。1.3SIMULINK模块的搭建在对一台无刷直流驱动电机双闭环电路进行模拟仿真中,设置了一个如下的仿真参数:每个定子供电绕组的传动电阻值控制为1，定子供电绕组的传动电感系数值为0.02，每两相邻的定子传动绕组之间的传动电感系数值控制为-0.061，转动惯量控制在0.089，阻尼传动系数控制为0.005，极对数系数值为4，额定负载转速系数值为300，所以其带动的直流负载转矩控制在11，在转速自动控制模块中=3.3，=300。其中直流电的输出输入电压一般可以给定为220v.1.3.1无刷直流电动机双闭环控制整体控制框图图1.1无刷直流电机双闭环控制的电机整体系统结构图无刷直流驱动电机双闭环控制模块可以再细分为转速电流控制驱动模块,参考稳压电流控制模块,电流电压控制驱动模块,逆向转变器控制模块和直流电机的驱动本体控制模块。1.3.2电动机本体模块在各种无刷直流驱动电机双闭环控制驱动系统中,电机的驱动本体控制模块最为复杂。它又按照了转速系数计算处理模块、转矩系数计算处理模块、电压改变方程计算模块及其组成相应的逆电势计算模块。（1）转速计算模块如下图5-2所示，由第二节的机械转速运动方程中经过拉普拉斯变换即可求出其传递函数，建立了一个适用于机械转速和速度测量的运动计算方程模块。图5-2转速计算模块其中的输入能量即电磁转矩与负载转矩可以通过对加减法进行乘除,然后再经过相应的积分方法来计算得到电动机所转向的角。（2）转矩计算模块如图1.3所示。该模型是从之前的第二章转矩方程中获得。其中输入是A、B、C三相的逆电动势及电流,输出则为电磁转矩。图5-3转矩计算模块（3）电压电势方程理论模块与电压反电势方程模块根据第二章的反电势方程以及电压方程（5-1）可以通过建立一个如图5-4所示的电压方程模块来构造反电势。图5-4电压方程和反电势模块其中一个逆电势计算模块在这里的过程计算中主要采用的是s-function这个函数。其形成原因主要可能是由于梯型反电势波的大小与一个转子的中心位置和电信号有关,A、B、C相的各种梯型反射性电波和势波之间都会直接形成一个大的梯型反电波。如下面的图表5-1所示：表5-1转子位置和反电势关系转子位置k*w*((-pos)/(pi/6)+1)k*w((pos-pi/3)/(pi/6)-1)k*w*((2*pi/3-pos)/(pi/6)+1)k*w*((pos-pi)/(pi/6)-1)k*w*((4*pi/3-pos)/(pi/6)+1)K*w*((pos-5*pi/3)/(pi/6)-1)1.3.3电流滞环控制模块如图5-5所示，给出了电流滞环控制模块。图5-5电流滞环控制模块其中的电路输入信号为一个三相的实际脉冲电流与一个三相的实际参考脉冲电流,输出信号为一个PWM相互控制的三相脉冲控制信号。1.3.4转速控制模块转速控制模块的输入电路就是一个参考转速和实际回路所反馈的转速,经过PI调节后将输出的电流信号传递到下面的一个电流参考模块，如图5-6所示：图5-6转速控制模块1.3.5电流参考模块参考脉冲电流控制模块的驱动作用主要原理是由直接输入的三相位置参考脉冲电流对比信号和直接输出三相电流的幅值比较信号通过对驱动器的控制来直接产生三相电流的参考脉冲电流,输出三相电流的参考脉冲电流直接和实际中的三相参考脉冲电流信号做一个幅值的比较,即通过对脉冲电流和延迟环的驱动控制及对模块的驱动器进行控制直接产生一个三相脉冲电流pulse信号。电流幅值输出的信号和每一个转子的输出位置三相电流输出的信号和转子输出的位置三相电流参考器输出的电流幅值信号直接也有助于形成如下图表5-2所示的相互关系:表5-2转子位置和参考电流关系转子位置000000

1.3.6逆变器模块对于逆变器而言，采用三相全桥IGBT模块如图5-7所示。图5-7逆变器模块其主要输入信号为220伏直流逆变电压以及一个由三相电流逆变控制电路模块所驱动产生的pulse电流信号,通过三相全相断桥电路进行电压逆变,再经过一个带有电压自动计量器的单元电压表,产生一个方波式直流电压。1.4仿真结果在这种无刷直流驱动电机的双闭环驱动设计中,在直流驱动电机刚运行开始启动时,给出了一个参考值的转速300r/min,同时也特别给出了直流高压电机刚启动开始高速启动它的时候需要加入一个转矩的参考值可以作为11的恒转矩驱动负载。观察结果得到电机A、B、C三相的驱动电流,A、B、C三相的电流可逆电动势和利用无铅印刷直流驱动电机转速与旋矩。观测的整个过程中我们仔细选择了A相的各个波形,下面我们为您给大家详细提供了本次观测的各种波形示意图:图5-8三相定子绕组的电流图5-8中观察到0至1秒内A相的电流变化。我们可以清楚地看到,在约0.5秒的电机启动工作完成之前,A相的电流就会减小。图5-9三相绕组的反电动势图1.9中,观测到0至1秒内a相对于电动势发生相反的变化。而且逆向电势逐步增大,随着其转速快慢地达到一个额定值而稳定不断地移动,逆向电势就会稳定地呈现成一个梯形波。图5-10无刷直流电机转速曲线图5-10中,红色代表线所示的条表示的实际值值也就是一个用于给定转速参考机的转速,而图中用一个黑色条代表线所示的实际值值也就是实际参考转速。观测了2秒内一台大型无锡带刷直流驱动电机的额定工作功率转速,单位转率为r/min。在0.25秒时一个给定的起动转速电机可以很快达到300r/min,经过一个给定电流系数循环式的调整大约在0.5秒后使该电动机的给定转速也迅快地可以达到300r/min并且电机会继续产生略微的电流超调,然后继续保持稳定地转速达到300r/min。图5-11无刷直流电机电磁转矩曲线图5-11中以红色线来表示的是电动机负载转矩,以及黑色线来表示电动机的真正电磁转矩。观测到0至2秒不等的无刷直流电机的电磁转矩变化情况,可以看出电磁转矩的值在起动时相对较大,约为18N.m。在负载起动完成后就稳定地带动11N.m的负载转换。1.5结论由图5-10可知,在额定300r/min的转速下,无刷直流电