無(wú)刷直流電機(jī)電流滯環(huán)控制策略仿真

1、江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）學(xué) 院電氣與信息工程學(xué)院專(zhuān) 業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)生姓名班級(jí)學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師魏海峰二零一四年六月江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)論文無(wú)刷直流電機(jī)電流滯環(huán)控制策略no current hysteresis loop control strategy of dc motor江蘇科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)學(xué)院名稱(chēng)：電氣與信息工程學(xué)院專(zhuān) 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師： 魏海峰職 稱(chēng)：副教授畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：無(wú)刷直流電機(jī)電流滯環(huán)控制策略一、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)內(nèi)容及要求(包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)耍求、達(dá) 到的指標(biāo)和應(yīng)做的實(shí)驗(yàn)等)1提供條件：無(wú)刷直流電機(jī)的相關(guān)資料，mat

2、lab仿真軟件2設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求：(1) 掌握無(wú)刷直流電機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)和模型；(2) 掌握仿真軟件matlab/simulink的使用；(3) 在matlab/simulink中構(gòu)建無(wú)刷直流電機(jī)電流滯環(huán)控制系統(tǒng)；(4) 撰寫(xiě)論文，通過(guò)答辯。ill二、完成后應(yīng)交的作業(yè)（包括各種說(shuō)明書(shū)、圖紙等）（1）畢業(yè)設(shè)計(jì)論文：一份（不少于1.5萬(wàn)字）；（2）外文譯文：一篇（不少于5000英文單詞）；（3）無(wú)刷直流電機(jī)電流滯環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型：一套；三、完成ei期及進(jìn)度2013年3月17日至2013年6月13日，共13周。進(jìn)度安排：3.17-4.7：熟悉任務(wù)要求,查閱資料，翻譯外文資料；4.5- 5.5：學(xué)習(xí)、掌

3、握無(wú)刷直流電機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)和模型，完成開(kāi)題報(bào)告 及外文資料翻譯；5.5- 5.19：學(xué)習(xí)、掌握 matlab/simulink 的使用；5.20-6.1：在matlab/simulink屮構(gòu)建無(wú)刷直流電機(jī)的電流滯環(huán)控制系統(tǒng) 仿真模型，并調(diào)試；6一6.13：撰寫(xiě)畢業(yè)論文、答辯。四、主要參考資料（包括書(shū)刊名稱(chēng)、出版年月等）：（1）湯蘊(yùn)參，羅應(yīng)立，梁艷萍.電機(jī)學(xué)（第三版）機(jī)械工業(yè)出版社,2008.（2）張琛.無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用（第二版）.機(jī)械工業(yè)出版社,2004.（3）王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)（第四版）.機(jī)械工業(yè)出版社,2005.（4）陳們吋.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（第三版）.機(jī)械

4、 工業(yè)出版社，2004.（5）張志涌.精通matlab 6.5版教程.北京航天航空大學(xué)出版社,2005.（6）潘曉.matlab電機(jī)仿真糟華50例.電了工業(yè)出版社,2007.系（教研室）主任：（簽章）年月日學(xué)院主管領(lǐng)導(dǎo)：（簽章）年月日摘要眾所周知，無(wú)刷直流屯動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)具冇新型的調(diào)速系統(tǒng)。它具冇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 運(yùn)行可靠、維修方便、調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)。它采用電子換相裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有刷 直流電動(dòng)機(jī)中的電刷，解決了電機(jī)在運(yùn)行中由電刷產(chǎn)生的摩擦引發(fā)的一些不良影 響。它運(yùn)行性能高、控制方式簡(jiǎn)便、能夠產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益、發(fā)展?jié)摿薮蟆?由于電力電了技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展也口益突出。現(xiàn)如今，無(wú) 刷直

5、流電動(dòng)機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人們的f1常生活中獲得了更為普遍的使用。由于 工業(yè)牛產(chǎn)對(duì)電動(dòng)機(jī)控制精度的要求，無(wú)刷直流電機(jī)對(duì)其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定性與及吋性 的要求越來(lái)越高，這就要求我們采取合理的控制系統(tǒng)，在電動(dòng)機(jī)的發(fā)展中是極為 重耍的。木文采用pi控制器來(lái)調(diào)節(jié)速度，電流控制器采用電流滯環(huán)控制，從而形成 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電流滯環(huán)控制系統(tǒng)。本文中簡(jiǎn)單地描述了電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，分析 了電機(jī)的工作原理。在matlab/simulink環(huán)境下運(yùn)用各個(gè)相關(guān)的獨(dú)立功能模塊來(lái) 搭建無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電流滯環(huán)控制系統(tǒng)實(shí) 行仿真。仿真和試驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致，驗(yàn)證了該方法的合理性和冇效性。此 方法也適

6、用于驗(yàn)證其他控制算法的合理性，為實(shí)際電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試提 供了新的思路。關(guān)鍵詞： 無(wú)刷直流電機(jī)，matlab/simulink仿真，電流滯環(huán)控制系統(tǒng)abstractas everyone knows, the control system of brushless dc motor with speed control system model. it has the advantages of simple structure, reliable operation, convenient repair, good speed performance etc. it uses elec

7、tronic commutation device instead of the traditional electric brush dc motor, solved some adverse effects on the running of the motor by the brush friction generated by. its high running performance, control mode is simple, can produce good economic benefits, a huge potential for development. becaus

8、e of the rapid development of power electronics technology, the development of the brushless dc motor is also increasingly prominent. nowadays, the brushless dc motor in industrial and agricultural production and people's daily life was more widely used. industrial production due to the motor co

9、ntrol precision, brushless dc motor to drive the system stability and timeliness of the increasingly high demand, which requires us to take reasonable control system, the motor development is extremely important.this paper uses pi controller to adjust the speed, current controller based on hysteresi

10、s current control, thus forming a brushless dc motor hysteresis current control system. this paper describes the basic structure of motor, analyzes the working principle of moto匸 in the matlab/simulink environment using the independent functional modules related to build the mathematical model of br

11、ushless dc motor, so as to realize the simulation of brushless dc motor based on hysteresis current control system. simulation and experimental results agree with the theoretical analysis, verified the rationality and validity of the method. this method can be applied to verify the rationality of ot

12、her control algorithms, and provides a new idea for the design and debugging of the actual control system of motor.keywords： bldcm; matlab/simulink simulation; hysteresis current;目錄第一章緒論11.1研究背景11.2研究現(xiàn)狀與分析21.3研究口的及意義41.4本文的主要內(nèi)容5第二章無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理及數(shù)學(xué)模型62. 1無(wú)刷直流電機(jī)的基木結(jié)構(gòu)62. 1. 1電動(dòng)機(jī)本體62.1.2電子開(kāi)關(guān)電路72. 1.3位置傳感

13、器82.2無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理92.3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型122. 3. 1無(wú)刷直流電機(jī)的電壓方程122. 3.2電磁轉(zhuǎn)矩132. 3. 3狀態(tài)方程132. 3.4電機(jī)的等效電路圖14第三章無(wú)刷直流電機(jī)電流滯環(huán)控制策略153.1轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)153.1.1轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性153. 1.2轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與動(dòng)態(tài)過(guò)程分析163.2電流滯環(huán)控制原理183.3轉(zhuǎn)速pi調(diào)節(jié)器原理和分析183. 3. 1 pid調(diào)節(jié)器的原理193. 3.2雙閉環(huán)pi調(diào)節(jié)的分析19第四章基于matlab的無(wú)刷直流電機(jī)電流滯環(huán)控制214matlab/

14、simulink 的介紹214. 1. 1 matlab的簡(jiǎn)介214. 1. 2 sinrjlink的優(yōu)點(diǎn)與創(chuàng)建模型步驟214.2無(wú)刷直流電機(jī)電流滯環(huán)控制系統(tǒng)各模塊的建立224.2. 1電機(jī)本體模塊224.2.2轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊264. 2.3轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊274. 2.4電流滯環(huán)控制模塊274.2.5速度控制模塊284.2.6參考電流模塊284.2.7電壓逆變器模塊294. 2.8位置傳感器模塊314.3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電流滯環(huán)控制系統(tǒng)總圖32第五章系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析335.1仿真結(jié)果335.2結(jié)論40結(jié)語(yǔ)41致謝42參考文獻(xiàn)43第一章緒論1.1研究背景在一百多年的時(shí)間里，電動(dòng)機(jī)的發(fā)展己經(jīng)得到了許多

15、的變革，種類(lèi)也呈現(xiàn)多 樣性，但現(xiàn)在最常見(jiàn)也是最主耍的是同步電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)這三 類(lèi)。電動(dòng)機(jī)的作用也就是充當(dāng)轉(zhuǎn)換裝置，來(lái)進(jìn)行機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換。三種電機(jī)運(yùn)行, 我們都知道，直流電機(jī)具有效率高、調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，但一切都應(yīng)該一分 為二看，直流電機(jī)屮存在的一些不足。傳統(tǒng)直流電機(jī)以機(jī)械形式進(jìn)行換向，存在 火花、無(wú)線電干預(yù)、噪聲和壽命短等嚴(yán)重弊端，還有一些缺陷是這些傳統(tǒng)直流電 機(jī)的結(jié)構(gòu)制造、材料選取使得其進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)的成本很高和維護(hù)修理也較為麻 煩，不管是工業(yè)還是民用方面都有很大的限制。在這種情況廠使得目而許多的 工工業(yè)、農(nóng)業(yè)、制造業(yè)等一些生產(chǎn)活動(dòng)中使用少冇直流電動(dòng)機(jī)的身影，取而代之 的是

16、三相異步電動(dòng)機(jī)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與有刷直流電動(dòng)機(jī)木質(zhì)的不同是沒(méi)有機(jī)械換向器（通常稱(chēng)為 換向器）電刷換向機(jī)構(gòu)和機(jī)械接觸點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)子位置轉(zhuǎn) 換器采用永磁磁鐵制成，其屬于電子換相器的范疇。轉(zhuǎn)子位置轉(zhuǎn)換器由兩部分組 成，其中包折功率開(kāi)關(guān)線路以及電子邏輯電路。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與有刷直流電動(dòng) 機(jī)換向裝置冇差異，但它仍然可以將直流電源在電機(jī)內(nèi)變頻交流電，將電能傳化 為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)既保持住了有刷直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)異的調(diào) 速性能，也克服掉了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)械換向器和電刷構(gòu)成的換流機(jī)構(gòu)的接觸所 造成的一系列缺點(diǎn)，成為了現(xiàn)代在機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)屮的重要組成部 分。早在20

17、世紀(jì)30年代剛開(kāi)始的階段，一些專(zhuān)家開(kāi)始研究無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，嘗 試在電機(jī)上使用電了轉(zhuǎn)向器代替電刷機(jī)械換向裝置，并取得了一些成杲。但是在 當(dāng)吋的科技水平下，大功率的電子器件的發(fā)展才剛剛起步，所以沒(méi)能找到適用于 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電子換相器件。由于上述原因，不只是停留在有刷直流電機(jī)的 研究和發(fā)展的階段，也不能投入使用。直到1955年，美國(guó)哈里森等人在無(wú)刷直流電機(jī)中的應(yīng)用上獲得一項(xiàng)專(zhuān)利， 即用晶體管電子換向器代替機(jī)械換向器于直流有刷電機(jī)的專(zhuān)利，在無(wú)刷直流電機(jī) 中取得了重大突破，形成了現(xiàn)代的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的雛形。但該電動(dòng)機(jī)中起動(dòng)轉(zhuǎn) 矩的問(wèn)題得不到解決，因此不能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。在隨后的fi子里，經(jīng)過(guò)科研人員的

18、不懈努力和探索，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)有了更進(jìn)一步的發(fā)展。1962年，無(wú)刷直流電 動(dòng)機(jī)的換向裝置霍爾元件被發(fā)明。這項(xiàng)發(fā)明促使無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品化，從而 促進(jìn)了工農(nóng)業(yè)的發(fā)展。從1970年以后，電力電子工業(yè)快速發(fā)展。出現(xiàn)了許多新 的高性能的永磁材料，做了良好的鋪墊，為無(wú)刷直流電機(jī)工業(yè)發(fā)展。1978年，在漢諾威舉辦的世博會(huì)，聯(lián)邦德國(guó)曼內(nèi)斯曼公司推出的產(chǎn)品引起 了全世界的廣泛關(guān)注。在其博覽會(huì)上的展位前大家仔細(xì)觀摩它生產(chǎn)出的mac系 列的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其相關(guān)的駅動(dòng)器。由于該產(chǎn)品的出現(xiàn)，不僅標(biāo)志著無(wú)刷直 流電動(dòng)機(jī)進(jìn)入實(shí)用階段，而且也提出了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的研究熱潮。隨著無(wú)刷直流電機(jī)逐步深化，逐步形成了完善的電機(jī)

19、系統(tǒng)理論。在第二t世 紀(jì)80年代后期，h.r.bolton基于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)理論的早期研究結(jié)果是科 學(xué)的，全而的總結(jié)。他捉岀了總結(jié)關(guān)于無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展方針，未來(lái)的研究方 向和領(lǐng)域。這些觀點(diǎn)不僅指出了無(wú)刷直流電機(jī)的進(jìn)一步研究的方向，也是無(wú)刷直 流屯機(jī)理論走向成熟的標(biāo)志。在我國(guó)，與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比，在無(wú)刷直流電機(jī)的研究起步較晚，技術(shù)水平 相對(duì)落后。中國(guó)開(kāi)始在第二十世紀(jì)90年代的無(wú)刷直流電機(jī)處于初始發(fā)展階段， 后來(lái)才技術(shù)引進(jìn)和研究。在北京舉辦的展覽，永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)被著名的徳 國(guó)博世、西門(mén)了兩個(gè)跨國(guó)公司展示同時(shí)還有無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。當(dāng)時(shí)很多學(xué)者 對(duì)其所體現(xiàn)出的先進(jìn)的技術(shù)水平十分激動(dòng)，促使

20、了他們對(duì)無(wú)刷直流屯動(dòng)機(jī)進(jìn)一步 的研究。通過(guò)專(zhuān)家和學(xué)者長(zhǎng)吋間的努力研究，我國(guó)對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的研究有了 明顯的發(fā)展，并形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模，推出了一系列的產(chǎn)品。但我國(guó)對(duì)無(wú)刷直 流電動(dòng)機(jī)的研究?jī)哟M(jìn)一步的發(fā)展，逐步縮小與擁冇先進(jìn)技術(shù)水平國(guó)家的差距?，F(xiàn)在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在生活和生產(chǎn)中的齊個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越普遍，這一切 都來(lái)源于它相對(duì)于其他種類(lèi)屯機(jī)所表現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)，例如它的內(nèi)部簡(jiǎn)單從而維護(hù)起 來(lái)相當(dāng)便捷并且維修成木低廉，它的速度調(diào)節(jié)效果較其他電機(jī)而言表現(xiàn)的更為突 岀，并口工作效率高。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)推動(dòng)了工業(yè)化發(fā)展的改革，進(jìn)一步完善了 屯機(jī)系統(tǒng)的組成部分。1.2研究現(xiàn)狀與分析在過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，盡管各

21、類(lèi)交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)在電能轉(zhuǎn)換 為機(jī)械能的系統(tǒng)應(yīng)用中占據(jù)了主要的位置，但是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)也同樣受到了大 家的廣泛關(guān)注。從第二十世紀(jì)90年代以來(lái)，人們的生活水平有了顯著的提高， 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)也越來(lái)越趨于自動(dòng)化，智能化，效率高，小型化。由于含有的優(yōu)點(diǎn) 冇精度高，速度快，效率高，直流無(wú)刷電機(jī)在家用電器和工業(yè)機(jī)器人等工業(yè)生產(chǎn) 設(shè)備中的應(yīng)用需求不斷增長(zhǎng)，逐漸成為人們生產(chǎn)和生活中不可缺少的一部分。在 當(dāng)今社會(huì)，曲于能源和資源的逐步匱乏，人們開(kāi)始提倡節(jié)能減排，這就需要高效 率的生產(chǎn)設(shè)備來(lái)輔助推行，而無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正好具備高效率的優(yōu)點(diǎn)，體現(xiàn)出它 巨大的應(yīng)用價(jià)值。永久磁鐵作為一種高性能的永磁材料在無(wú)刷電動(dòng)機(jī)

22、中用于轉(zhuǎn)子的制造，通過(guò) 它所產(chǎn)生的氣隙磁通能夠保持為一個(gè)恒定的數(shù)值，能夠使用于電動(dòng)機(jī)的恒轉(zhuǎn)炬運(yùn) 行。用于電機(jī)的恒功率運(yùn)行，雖然無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)不能通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的磁 通實(shí)現(xiàn)弱磁控制，但能夠獲得所需要的磁場(chǎng)削弱控制通過(guò)改善電機(jī)的控制方法。 永磁材料有很多種類(lèi)，一種貝有高矯頑力的永磁材料，剩磁，每單位體積可以在 其類(lèi)別有較人的氣隙磁通特性，即稀十永磁材料。稀土永磁材料的利用能夠人人 地縮小電動(dòng)機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子的半徑，減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。伺服設(shè)備，工業(yè)機(jī)器人和數(shù) 控車(chē)床的傳動(dòng)系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)特性和良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，這就使得無(wú)刷直流電 動(dòng)機(jī)相比丁 交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)而言表現(xiàn)出了更多的優(yōu)越性得到了更

23、好的體現(xiàn)。目前由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展勢(shì)頭很好，并且其得到了廣泛的應(yīng)用, 既涉及到航空航天等國(guó)防事業(yè)，也能在我們f1常生活中隨處可見(jiàn)，例如電瓶車(chē)、 電動(dòng)汽車(chē)以及家用電器等。而今，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的研究目標(biāo)重要集中在卜列幾個(gè)方面：(1) 無(wú)機(jī)械式轉(zhuǎn)子位置傳感器控制。轉(zhuǎn)子位置傳感器在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)過(guò)程屮是最為薄弱的環(huán)節(jié)。因?yàn)樗粌H降低了 系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，同時(shí)也增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，也在電機(jī)內(nèi)部 也占據(jù)一定的空間。這個(gè)問(wèn)題迫使人們研發(fā)無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)子位置傳感器?？照{(diào)和電腦 周邊設(shè)備所需的無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)了位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)，它體現(xiàn)了非機(jī)械式轉(zhuǎn)了位 置傳感器中的應(yīng)用。無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)子位置的傳感器操作實(shí)際上就是

24、要求無(wú)機(jī)械傳感器 的前提下，傳輸和轉(zhuǎn)換的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行吋的電壓和電流的數(shù)據(jù)信息，知道具體位置的轉(zhuǎn)了磁極的相對(duì)成熟，無(wú)機(jī)械式轉(zhuǎn)了位置傳感器的控制方法如2反電動(dòng)勢(shì)法包括直接反電動(dòng)勢(shì)法、間接反電動(dòng)勢(shì)法以及派生出來(lái)的反 電動(dòng)勢(shì)積分法等。定子三次諧波檢測(cè)法。續(xù)流二極管電流通路檢測(cè)法。盡管上述所提出的方法都有其各口的局限性和不足z處，但仍在不斷地加以 完善5（2）轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)存在于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)當(dāng)中，其隨著電動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的升高而不斷 加劇，并11使得屯動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩顯著下降?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是無(wú)刷直流電 動(dòng)機(jī)的主要缺點(diǎn)，如何降低電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)炬脈動(dòng)成為提高無(wú)刷直流電機(jī)性能的一個(gè) 重要問(wèn)題。（3）智能控

25、制。隨著信息技術(shù)的發(fā)展以及控制理論的口益完善，智能控制理論作為一種新型 的、先進(jìn)的控制理論在控制鄰域中被深入研究。模糊邏輯控制，專(zhuān)家系統(tǒng)和神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)控制是三個(gè)最重要的方法和理論于智能控制理論。在它們當(dāng)屮模糊邏輯控制 己成功地應(yīng)用到許多方面。模糊控制是一種模糊規(guī)則和成熟經(jīng)驗(yàn)有機(jī)地集成到智 能驅(qū)動(dòng)控制策略來(lái)控制。隨著無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，智能控制技 術(shù)必將受到更廣泛的重視。1.3研究目的及意義隨著社會(huì)生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，人民生活水平顯著提高，隨著設(shè)備更新生產(chǎn)， 這就要求我們制定一個(gè)新型電動(dòng)機(jī)來(lái)提高生產(chǎn)效率。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水 平的不斷提高，無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用技術(shù)也越來(lái)越成熟，鄰里和

26、范疇的應(yīng)用更為 廣泛。同時(shí)增加冇刷直流電機(jī)的使用量是沒(méi)冇用的，人們也開(kāi)始耍求其控制系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)越來(lái)越高。這些耍求包括優(yōu)良的控制性能、合適的控制算法、短的開(kāi)發(fā)周 期、低廉的設(shè)計(jì)以及搭建成本。并且無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)科學(xué)合理的控制系統(tǒng)的仿真 模型的建立，對(duì)于控制系統(tǒng)的快速分析、具體設(shè)計(jì)，快速檢測(cè)電機(jī)系統(tǒng)控制算法, 降低無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本，具有十分重要的意義。以高性能的永磁材料和電了換向裝置構(gòu)成的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)來(lái)替代傳統(tǒng)直 流冇刷屯機(jī)的機(jī)械換向器，直流冇刷屯機(jī)換向器可靠性差、維護(hù)差的致命缺點(diǎn)得 到解決。它可以使直流電機(jī)的控制性能好，具有維護(hù)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。隨著微電子技 術(shù)的快速發(fā)展和功率集成電路的

27、設(shè)計(jì)，相應(yīng)的專(zhuān)業(yè)和張動(dòng)芯片形成，無(wú)刷直流電 機(jī)控制芯片控制模塊與驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生，并從容地解決了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和控 制問(wèn)題。因此無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在控制鄰域上表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用191 o此課題研究的目的是在掌握一定的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)知識(shí)的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)掌握 知識(shí)、運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)一定的工程意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)，學(xué)會(huì)和熟悉 一定的工程設(shè)計(jì)方法，為進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和能力的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。1.4本文的主要內(nèi)容本文主要講述的是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電流滯環(huán)控制策略，在這一控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn) 速控制器采用pi調(diào)節(jié)器，電流控制器采用滯環(huán)調(diào)節(jié)。首先，我告訴你有關(guān)的無(wú) 刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，工作原理及數(shù)學(xué)模型。其次，對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)

28、機(jī)的轉(zhuǎn) 速控制器及電流控制器的采用元件及相關(guān)原理加以闡述。在無(wú)刷直流電機(jī)電流滯 環(huán)控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制方法，反電動(dòng)勢(shì)和電流的變化趨勢(shì)進(jìn)行了比較，顯示 了滯環(huán)電流控制的特點(diǎn)。在無(wú)刷直流電機(jī)電流滯環(huán)控制的數(shù)學(xué)模型分析的基礎(chǔ) 上，在simulink提供使用不同的模塊，構(gòu)建了電流滯環(huán)無(wú)刷直流電機(jī)控制系 統(tǒng)仿真模型。并對(duì)該系統(tǒng)中的各個(gè)工作模塊加以說(shuō)明，同時(shí)在其仿真模型上加以 示波器，從而得到無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、相電流以及反電動(dòng)勢(shì)的波形。 通過(guò)以上內(nèi)容對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)電流滯環(huán)控制策略的理解。第二章 無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu).原理及數(shù)學(xué)模型2. 1無(wú)刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)2. 1. 1電動(dòng)機(jī)本體無(wú)刷直流電動(dòng)

29、機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖21所示。它由三部分組成，包括電子開(kāi) 關(guān)電路，電機(jī)木體、位置傳感器。在這一部分中，介紹了無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)原 理。圖21所示在整個(gè)結(jié)構(gòu)的電機(jī)本體與永磁同步電機(jī)是相似的，但忽略了-些 啟動(dòng)裝置和籠型繞組。電動(dòng)機(jī)木體內(nèi)的定子繞組通常由多相線圈制成，而電機(jī)轉(zhuǎn) 子由永磁磁鐵這類(lèi)高性能的永磁材料制成，并且轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)有一定的要求。上 圖屮電機(jī)本體的三相定子繞組，與電子開(kāi)關(guān)連接電源開(kāi)關(guān)元件對(duì)應(yīng)連接。觀察圖 21可知，電機(jī)定了繞組的a相，e相，c相繞組分別與功率開(kāi)關(guān)元件的vi, v2, v3連接。位置傳感器與電機(jī)轉(zhuǎn)了連接，以便跟蹤轉(zhuǎn)了的運(yùn)行狀態(tài)何。當(dāng)在一相繞組的定子繞組電機(jī)通電時(shí)，該相繞組

30、電流及傳子永磁磁場(chǎng)形成電 磁轉(zhuǎn)矩，并產(chǎn)生相互作用，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)了轉(zhuǎn)動(dòng)。與電機(jī)轉(zhuǎn)了相連接的位置傳感器 時(shí)刻跟蹤著轉(zhuǎn)子磁極的位置，并將其位置信息轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，通過(guò)該電信號(hào)來(lái)控 制電子開(kāi)關(guān)線路的關(guān)斷與導(dǎo)通。通過(guò)對(duì)電機(jī)主體各部分的合作，每相繞組在定子 繞組中以特定的順序傳導(dǎo)，定子電流和轉(zhuǎn)子位置，并以特定的順序換相變化。電 子開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通同步轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度的秩序，實(shí)現(xiàn)機(jī)械換向器的作用。所以在其基本結(jié)構(gòu)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，可以認(rèn)為是由電了開(kāi)關(guān)電路，永磁同 步屯機(jī)和位置傳感器的屯機(jī)系統(tǒng)。其原理框圖如圖22所示。圖2-2無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的原理框圖無(wú)刷直流屯動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子永久磁鐵的相似性于冇刷直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)部定子上永久 磁鐵的

31、作用，可以產(chǎn)生足夠的氣隙磁場(chǎng)的直流電動(dòng)機(jī)是用來(lái)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行何。2. 1.2電子開(kāi)關(guān)電路無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)冇電子開(kāi)關(guān)電路，它在電機(jī)內(nèi)部起到換向器的作用，它控制 電機(jī)定了每相繞組關(guān)斷與導(dǎo)通時(shí)間和電機(jī)定了每相繞組的傳導(dǎo)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 的屯子開(kāi)關(guān)電路主要出兩部分組成，包括位置傳感器的信號(hào)處理m元和電源開(kāi)關(guān) 邏輯單元，除此開(kāi)關(guān)邏輯單元是來(lái)控制電機(jī)電路的關(guān)鍵。首先，為了使無(wú)刷直流 電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩，使用功率開(kāi)關(guān)邏輯單元，并將電源電流按邏輯關(guān)系，分配給無(wú)刷直 流電機(jī)的定子每個(gè)繞組。其次，利用位置傳感器采集電機(jī)定子各相繞組的順序和 時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)信息。位置傳感器中產(chǎn)生的是電信號(hào)，其不能直接用來(lái)控制

32、功率邏 輯開(kāi)關(guān)單元，還需將該屯信號(hào)經(jīng)過(guò)一定邏輯處理才行?？傊?，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的 組成框圖,如圖23所示問(wèn)。圖2-3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的組成框圖直流無(wú)刷電動(dòng)帕2. 1. 3位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)采用電了換向器更換直流有刷電機(jī)的機(jī)械換向裝置。在結(jié)構(gòu)上，電樞繞組存在于直流無(wú)刷電機(jī)的定子上而在冇刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn) 子上。永磁磁極存在于直流無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子上而在有刷直流電動(dòng)機(jī)的定子上。在 正常情況下，直流電源通過(guò)電子換向裝置無(wú)定子電樞繞組磁場(chǎng)電源直流電機(jī)，電 機(jī)內(nèi)部?jī)右欢ǖ奈恢?。通常情況卜，供電的直流電源經(jīng)過(guò)電了換向裝置來(lái)給無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)上的定 子繞組供電，只能在屯動(dòng)機(jī)內(nèi)部的某些位置產(chǎn)生固定的電樞磁場(chǎng)。該電樞磁

33、場(chǎng)與 電動(dòng)機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子所產(chǎn)牛的永磁旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用獲得電磁轉(zhuǎn)矩，但該電磁轉(zhuǎn)炬不是 一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值，有很大的波動(dòng)。要想使無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)能夠在正反轉(zhuǎn)運(yùn)行中實(shí) 現(xiàn)平穩(wěn)連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)，必須耍在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部添加位置傳感器，由位置傳感器來(lái)跟蹤 轉(zhuǎn)了的位置從而來(lái)確定定了繞組的止確換相。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)除了電動(dòng)機(jī)木體和 電子開(kāi)關(guān)線路還需要位置傳感器，通過(guò)轉(zhuǎn)子上的位置傳感器來(lái)控制電子開(kāi)關(guān)線路 的關(guān)斷和導(dǎo)通。位置傳感器實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)定子繞組的正確換相，并使得定子繞組 所產(chǎn)牛的電樞磁場(chǎng)與永磁轉(zhuǎn)子所產(chǎn)牛的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部空間上形成90。， 從而獲得最大的電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)冋。位置傳感器由兩部分組成，其屮包括位置傳感器定子以

34、及位置傳感器轉(zhuǎn)子。 定了屈于電動(dòng)機(jī)的靜止部分，而轉(zhuǎn)了屈于運(yùn)動(dòng)部分。目而，位置傳感器已有了很 多種類(lèi)，以轉(zhuǎn)子上的位置傳感器為例就有耦合式、諧振式、敏感式和接近式等種 類(lèi)。耦合式是指電動(dòng)機(jī)內(nèi)部變壓器耦合和高頻空心線圈耦合的狀態(tài)。諧振式是指采用電容和電感等元件形成的諧振電路。在該諧振電路屮，滿(mǎn)足 一定的諧振條件，位置傳感器的輸出信號(hào)將能夠達(dá)到最強(qiáng)，再通過(guò)控制電了開(kāi)關(guān) 線路來(lái)實(shí)現(xiàn)定子屯樞繞組的關(guān)斷和導(dǎo)通。敏感式位置傳感器從字面上可知即采用敏感元件制成的位置傳感器，該位置 傳感器能夠采集電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息，并通過(guò)輸出電信號(hào)來(lái)控制電子開(kāi)關(guān)線路 以及定子電樞繞組各相的導(dǎo)通順序。常用的敏感元件冇光敏元件和磁

35、敏元件等。 我們經(jīng)常用到的光敏兀件和磁敏兀件有光電二極管、霍爾元件等冋o2.2無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理定子在冇刷直流電動(dòng)機(jī)曲永磁體組成，其主要作用是在電動(dòng)機(jī)氣隙中產(chǎn)生磁 場(chǎng)。有刷直流電動(dòng)機(jī)屮轉(zhuǎn)子電樞繞組通電后產(chǎn)生電樞磁場(chǎng)，再通過(guò)電刷的換向作 用，使得其與永磁定子所產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)相互保持垂直，從而獲得最大的電磁轉(zhuǎn) 矩來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)連續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng)。相反，采取無(wú)刷機(jī)械換向器的直流無(wú)刷電機(jī)，轉(zhuǎn)子 由永磁體構(gòu)成磁極，定了形成電動(dòng)機(jī)定了電板繞組。但只能做這些改變是不夠的, 在定子電樞各相繞組的直流供電電源只能產(chǎn)生固定的氣隙磁場(chǎng)，氣隙磁場(chǎng)不能與 永磁轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩按照恒定方向驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，除

36、 了電機(jī)本體由定子電樞繞組以及永磁轉(zhuǎn)子，無(wú)刷直流電機(jī)也需要位置傳感器和電 子開(kāi)關(guān)電路。氣隙磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生于使用電子換向器的直流無(wú)刷電機(jī)定子電樞繞組和 轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)彼此71 /2）rad左右的電角度。從而形成恒定方向的最大的電磁傳 矩來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)何。以三相星形繞組無(wú)刷直流電機(jī)控制的半橋電路為例，說(shuō)明其工作原理及特 點(diǎn)。圖24為三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電路原理圖。在該電路圖屮的位置傳感器采用 光敏元件vp1、vp2、vp3,而功率邏輯單元由三只功率晶體管vi、v2和v3 構(gòu)成。圖24觀察可以看出，三只冇感光元件vp1, vp2, vp3不同的安裝位置, 均勻地分布在屯機(jī)端。無(wú)刷直流屯動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上安裝

37、了遮光板。在光源照射 在旋轉(zhuǎn)的遮光板上時(shí)，光線在沒(méi)有遮光板遮擋的情況卜穿過(guò)照射在光皺元件上。 光敏元件依次得到光源照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)，通過(guò)該響應(yīng)信號(hào)就可判斷電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)子磁極所在的位置。圖2-4三相繞組無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)從圖2-4中可看出，一個(gè)角度大約為240。大半圓形的遮光板遮擋住了光敏元 件vp2和vp3,只有光敏元件vp1被光源照射。被光源照射的光敏元件vp1產(chǎn) 生一個(gè)電壓信號(hào)促使晶休管vi導(dǎo)通。定子繞組aa，和外接直流電源形成閉合冋 路，定子繞組aa，在電流的功用下形成電樞磁場(chǎng)并與永磁轉(zhuǎn)子所構(gòu)成的磁場(chǎng)相 互作用形成電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)了順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。遮光板隨著轉(zhuǎn)了的轉(zhuǎn)動(dòng)也相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng) 轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)

38、120。時(shí)，遮光板則逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)120。，此時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)至圖25b所示 的位置，遮光板遮住了光敏元件vp1和vp3,光敏元件vp2被光源照射。被光 源照射的光墩元件vp2也產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)促使晶體管v2導(dǎo)通。定了繞組b-b' 和外接直流電源形成閉合回路，定子繞組aa，上的電流斷開(kāi)而流入定子繞組 b-b定子繞組電流流過(guò)繞組bb，由電樞磁場(chǎng)的作用下，形成了以永磁轉(zhuǎn)子磁場(chǎng) 相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。所以，當(dāng)轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)子位置順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 120。，如圖所示的25c,遮光板轉(zhuǎn)動(dòng)120。，遮光板覆蓋感光元件vp1和vp2, 光敏元件vp3被光源照射。被光源照射的光敏元件vp3也產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)促

39、 使晶體管v3導(dǎo)通。定子繞組bblk的電流斷開(kāi)而流入定子繞組c-co定子繞組cc在電流的作用下形成電樞磁場(chǎng)并與永磁轉(zhuǎn)了所形成的磁場(chǎng)相互作用生成電 磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)了繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，最后乂回到了圖2-5a的位置問(wèn)。圖2-5開(kāi)關(guān)順序及定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)示意圖綜上所述，定子繞組上的電流每經(jīng)過(guò)120。進(jìn)行一次換相，并且換相過(guò)程是交 替運(yùn)行的沒(méi)有任何停頓。隨著定子繞組上電流的換相同時(shí)產(chǎn)生電樞磁場(chǎng)，其磁場(chǎng) 狀態(tài)也分為三種，每種磁場(chǎng)狀態(tài)相互間隔120。電角度。定子繞組的換相電流的交 替情況和開(kāi)關(guān)順序及定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的過(guò)程相一致，在這里，就不在加以闡述了。 通過(guò)電動(dòng)機(jī)電子換相器的作用，電動(dòng)機(jī)內(nèi)的轉(zhuǎn)子就能持續(xù)平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動(dòng)了。圖

40、26 顯示電機(jī)的傳導(dǎo)順序。a-a41l b11一 r-c 01l- a tn-0*120*240360，480°3圖2-6各相繞組的導(dǎo)通示意圖2.3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)有電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器及電子開(kāi)關(guān)線路三部分組成。其屮在電動(dòng)機(jī)本體屮的轉(zhuǎn)子采用永磁磁鐵材料，該轉(zhuǎn)子能在電動(dòng)機(jī)內(nèi)的氣隙屮產(chǎn)生磁場(chǎng)。在木章2.2節(jié)中可知定了各相繞組的電流是方波電流，而轉(zhuǎn)了所形成的磁場(chǎng)是梯形波磁場(chǎng)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在其內(nèi)部氣隙磁場(chǎng)的感應(yīng)下形成的反電動(dòng)勢(shì)也呈現(xiàn)梯形波。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的定了各相繞組的相電流和其反電動(dòng)勢(shì)的關(guān)連如圖27所示。由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)包含更多的與電感非線性諧波電勢(shì)，它不能對(duì)感

41、應(yīng)電機(jī)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)采取d、q變換理論分析?，F(xiàn)如今，我們?cè)诖蠖鄶?shù)情況 下采用相量變化法來(lái)對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和仿真。圖2-7 a和反電動(dòng)勢(shì)和電流波形2. 3. 1無(wú)刷直流電機(jī)的電壓方程無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)三相定子電壓的平衡方程可用如下的狀態(tài)方程表現(xiàn):飛00_%0仇0+_uc_00r-uc式中，5u（三相定子電壓（v）；(1)laph+ lcecl l、 laahacba 厶 s l l, l ca cb cec三相定子的反電動(dòng)勢(shì)（v）；三相定子相電流（a）；厶、£、l三和定了口感（h）；r。、«、rc三相定子繞組的相電阻（q）;p為微分算子(d/ dt) o由電機(jī)的

42、機(jī)構(gòu)決定，在360。電角度內(nèi)，轉(zhuǎn)子的磁阻不隨轉(zhuǎn)子位置的變化而 變化，并假定三相繞組對(duì)稱(chēng)，則有：-厶=r = l, 5 = la = lba - lbc - lca - lch - m ra = rb = re = r由于三相對(duì)稱(chēng)的電機(jī)中，z；+必+/=0,以及mib+m,.=-mia,則式(1)可改寫(xiě)為:r 00_l-m00la=0 /? 0+0厶0pb+(2)_0 0 r_lc00 l-mkj2. 3.2電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程可表示為:其中，血為無(wú)刷一直流電機(jī)角速度(rad/s) o無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程口j表示為：t<=tl + bo)+j 警其中,b是阻尼系數(shù)(n

43、m-s/rad)o j是電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg m2),兀是負(fù)載轉(zhuǎn)矩(n-m)u7,o2. 3. 3狀態(tài)方程由(2)式的電壓方程經(jīng)過(guò)矩陣運(yùn)算，可得無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)方程:100l-m1p0l-m0001lmr00lajj<ub-0r0lb-ebu00riel c jl cl c j2. 3.4電機(jī)的等效電路圖依據(jù)（2）式的電壓方程，能夠?qū)o(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電機(jī)等效表現(xiàn)為圖2-8 所示的等效電路。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子上的各相繞組由電阻r、電感（lm）和 一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)e串聯(lián)構(gòu)成。圖2 8無(wú)刷直流電機(jī)的等效電路圖無(wú)刷一直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型創(chuàng)建好后，為了便于剖析，現(xiàn)假定：定子三相繞組完全對(duì)稱(chēng)，空間互

44、差120。電角度，參數(shù)相同；永磁轉(zhuǎn)子在無(wú)刷直流屯動(dòng)機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)為梯形波，定子各相繞組的 反電勢(shì)為梯形波；忽略定子鐵心齒槽效應(yīng)的影響；忽略電子開(kāi)關(guān)線路屮的功率邏輯開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng) 機(jī)運(yùn)行的影響，功率邏輯開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)的電壓壓降恒定，關(guān)斷后等效電阻無(wú)窮 大；忽略定了繞組電樞反應(yīng)的影響；無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)的氣隙磁場(chǎng)均勻，不計(jì)磁滯損耗與渦流損耗。第三章 無(wú)刷直流電機(jī)電流滯環(huán)控制策略3.1轉(zhuǎn)速.電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)3. 1. 1轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性關(guān)于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)這種正、反轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)的調(diào)速體系，盡量地縮短電動(dòng)機(jī)的起 動(dòng)過(guò)程和制動(dòng)過(guò)程的吋段是提高社會(huì)生產(chǎn)

45、效能的重要因素。圖3-1 所示，電動(dòng) 機(jī)在起動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程當(dāng)中，電動(dòng)機(jī)容許的最大電流堅(jiān)持不變，從而得到最大的加 速度。當(dāng)電動(dòng)機(jī)速度達(dá)到所需的轉(zhuǎn)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn) 態(tài)時(shí)，電機(jī)電流就必須立即卜降，從而使電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡。從 圖31中口j以看出，起動(dòng)電流和制動(dòng)電流呈矩形波，轉(zhuǎn)速變化呈梯形波。圖3-1時(shí)間最優(yōu)的理想過(guò)渡過(guò)程在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的過(guò)程屮只冇電流起到負(fù)反饋的作用，沒(méi)冇產(chǎn)生轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。 當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，電流負(fù)反饋不在發(fā)揮作用，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋開(kāi)始發(fā)揮作用。 圖3-2顯示，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和屯流調(diào)節(jié)器實(shí)行串聯(lián)，并以轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋 來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

46、的輸出成為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再以電 流調(diào)節(jié)器的輸出來(lái)控制電力電子變換器upe。該調(diào)速系統(tǒng)采用雙閉環(huán)系統(tǒng)，電流 環(huán)稱(chēng)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)稱(chēng)為外環(huán)。電動(dòng)機(jī)為了在運(yùn)行屮獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能， 轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用pi調(diào)節(jié)器。但在木文中無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用pi調(diào)節(jié)器，而電流調(diào)節(jié)器采用滯環(huán)調(diào)節(jié)器網(wǎng)。3. 1. 2轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與動(dòng)態(tài)過(guò)程分析如圖3-3所示的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中w宓和wge(s)分 別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。t-;n圖3-3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖從圖3-4中可以看出，電流厶從零迅速遞增到/伽，隨后在一段

47、時(shí)間內(nèi)維持其值不變，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到所需值時(shí)電流又開(kāi)始下降并經(jīng)調(diào)節(jié)后到達(dá)穩(wěn)態(tài)值從 轉(zhuǎn)速變化波形中可看出轉(zhuǎn)速先是緩慢上升，隨后以恒定的加速度加速上升。當(dāng)達(dá) 到所需的轉(zhuǎn)速時(shí)由于屯流的數(shù)值還沒(méi)冇變化，轉(zhuǎn)速任然再上升，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)后轉(zhuǎn)速 才趨于穩(wěn)態(tài)。電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程分為電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個(gè)階段。 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也同樣經(jīng)歷了快速進(jìn)入飽和、飽和以及退飽和三種狀態(tài)。° qg z3 &f圖3-4雙閉環(huán)肓流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速和電流波形雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程有以卜'三個(gè)特點(diǎn)：（1）飽和非線性控制；（2）轉(zhuǎn)速超調(diào)；（3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)屮的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電

48、流調(diào)節(jié)器所起的作用可以歸納如下:1、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中最主要的部分，為了實(shí)現(xiàn)無(wú)誤差，其通 常采用pi調(diào)節(jié)器。2）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。3）其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流。2、電流調(diào)節(jié)器的作用1）電流調(diào)節(jié)器中的電流與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出量的變化保持關(guān)聯(lián)。2）對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及吋抗擾的作用。3）在轉(zhuǎn)速上升的過(guò)程中保證電動(dòng)機(jī)獲得其允許的最大電流，縮短轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 的時(shí)間。4）當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)載或者堵轉(zhuǎn)時(shí)，電流調(diào)節(jié)器起動(dòng)自動(dòng)保護(hù)的功能，迅速減小 電流的數(shù)值，從而避免了電機(jī)的損壞。當(dāng)電動(dòng)機(jī)故障排除后，乂能夠恢復(fù)正常的 運(yùn)行冋。3.2電流滯環(huán)控制原理在木文中，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電流控

49、制器采用滯環(huán)控制，轉(zhuǎn)速控制器采用 pi控制。電動(dòng)機(jī)的電流隨著參考電流的變化而變化。電流滯環(huán)控制采用pwm逆 變器。圖35表示的是滯環(huán)型pwm逆變器。其工作原理是：當(dāng)給定電流值與反饋電流值的瞬時(shí)值之差達(dá)到滯環(huán)寬度正邊 緣時(shí)，逆變器的開(kāi)關(guān)管vt1導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管vt2關(guān)斷，電動(dòng)機(jī)接通直流母線的正 端，電流開(kāi)始上升。反z,當(dāng)給定電流值與反饋電流值的瞬時(shí)值z(mì)差達(dá)到滯環(huán)寬 度負(fù)邊緣吋，逆變器的開(kāi)關(guān)管vt1關(guān)斷，開(kāi)關(guān)管vt2導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)接通直流母 線的負(fù)端，電流開(kāi)始下降。選擇適當(dāng)?shù)臏h(huán)環(huán)寬，即可使實(shí)際電流不斷跟蹤參考 電流的波形，實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制。2）滯環(huán)電流跟蹤型pwm逆變器單項(xiàng)結(jié)構(gòu)示總圖（b）滯環(huán)電漁跟蹤

50、型pwm逆變器輸岀電流電壓波形圖3-5 滯環(huán)電流跟蹤型pwm逆變器3.3轉(zhuǎn)速pi調(diào)節(jié)器原理和分析3. 3.1 pid調(diào)節(jié)器的原理pid (比例積分微分)在我們身邊的各個(gè)領(lǐng)域都可以見(jiàn)到它的身影，如自動(dòng) 控制原理、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等控制方而，是一個(gè)常見(jiàn)的數(shù)學(xué)物理術(shù)語(yǔ)。在控制系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)過(guò)程中，最主要的內(nèi)容是對(duì)是pid控制器的參數(shù)的一個(gè)整定過(guò)程。它主 要是依據(jù)被控制進(jìn)程的特征來(lái)確定pid控制器的參數(shù)：比例系數(shù)、積分吋間和 微分時(shí)間，其大小就跟這個(gè)過(guò)程有關(guān)。對(duì)pid控制器參數(shù)整定有許多方式來(lái)設(shè) 定，歸納起來(lái)有一下兩種：其一是理論計(jì)算整定法。這種方法跟其數(shù)學(xué)模型有關(guān) 聯(lián)，通過(guò)一系列的理論計(jì)算過(guò)程來(lái)準(zhǔn)確的設(shè)定

51、系統(tǒng)控制器的參數(shù)。但在某些場(chǎng)合, 我們還需要需要根據(jù)工程實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)整設(shè)定并改變。其二是工程整 定方法。對(duì)于這種方法，它不能被系統(tǒng)的歸納出來(lái)，rfl于工程實(shí)踐中積累的經(jīng)驗(yàn) 有很大聯(lián)系，如果經(jīng)驗(yàn)豐富，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這種方法非常的簡(jiǎn)單易用，在各種工程實(shí) 際運(yùn)用過(guò)程屮總有它的身影，非常廣泛。就其工程整定的方法，乂可以細(xì)分為一 下幾種：臨界比例的方法、反應(yīng)曲線的方法和衰減法。三種方法的特點(diǎn)都不大相 同，但也有相同的地方，那就是在工程整定的過(guò)程中都是首先通過(guò)試驗(yàn)來(lái)分析， 之后根據(jù)工程實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)所得出的公式來(lái)對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。所有的這些 方法所得的控制器的參數(shù)并不盡如人意，在工程最后我們都需要做

52、最后的調(diào)整設(shè) 定與改善。現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。數(shù)字pid控制器的控制作用有以卜幾種：(1) 比例調(diào)節(jié)器；(2) 比例積分調(diào)節(jié)器；(3) 比例積分微分調(diào)節(jié)器。3. 3.2雙閉環(huán)pi調(diào)節(jié)的分析論文中無(wú)刷直流電機(jī)雙閉環(huán)系統(tǒng)用到的是數(shù)字pi調(diào)節(jié)器，pt調(diào)節(jié)器是電力 拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)屮最常見(jiàn)的一利|控制器，在微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)屮，當(dāng)采樣頻率 足夠高時(shí)，可以做一下的過(guò)程來(lái)處理：第一步根據(jù)模擬控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法來(lái)對(duì) 調(diào)節(jié)器進(jìn)行策劃，然后再對(duì)其進(jìn)行離散化，最后得到的數(shù)字控制器的算法，這里 所描述的過(guò)程就是模擬調(diào)節(jié)器的數(shù)字化。pi調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)如式(3-1)所示，wpi (s) = © + 丄=

53、e + 1(3-1)tsts式中kppi調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)；rpi調(diào)節(jié)器的積分放大系數(shù)。采用模擬控制是，可用運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)pi調(diào)節(jié)器，其線路原理和特性如 圖3-6所示圖3-6比例積分(p1)調(diào)節(jié)器的原理和特性第四章基于matlab的無(wú)刷直流電機(jī)電流滯環(huán)控制4.1 matlab/simulink 的介紹4. 1. 1 matlab 的簡(jiǎn)介matlab是matrix&laboratory兩個(gè)詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實(shí)驗(yàn)室）。 它是美國(guó)的一家公司發(fā)布的，它是一種現(xiàn)代高科技的運(yùn)用于計(jì)算的環(huán)境，它的主 要面向?qū)﹀枋菍?duì)于那些當(dāng)今的科學(xué)計(jì)算、設(shè)計(jì)程序等等。它在當(dāng)今的高科技生產(chǎn) 實(shí)踐屮占據(jù)了領(lǐng)

54、先的地位，其屮最主要的原因是它的功能非常強(qiáng)大，比如說(shuō)在數(shù) 據(jù)分析方面、對(duì)電機(jī)的控制系統(tǒng)的仿真與建模等方面都發(fā)揮了很大的作用，而且 還很好的解決了科學(xué)和控制等過(guò)程中存在的各類(lèi)問(wèn)題。matlab是我們常用的三大軟件之一，用它來(lái)處理問(wèn)題相比于其他的軟件 來(lái)說(shuō)要相對(duì)容易的多，而且功能強(qiáng)大，基于以上諸多優(yōu)點(diǎn)，所以它在我們生活和 社會(huì)生產(chǎn)屮的應(yīng)用非常廣泛。特別是在數(shù)學(xué)數(shù)值的計(jì)算的領(lǐng)域它發(fā)揮了巨大的潛 能。我們用戶(hù)用它主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算、信號(hào)的檢測(cè)、圖像的處理的功能 等等。4. 1. 2 simulink的優(yōu)點(diǎn)與創(chuàng)建模型步驟在matlab中的simulink的壞境下，我們叮以使用它僅僅用很簡(jiǎn)單的操 作

55、就能完成對(duì)屯機(jī)的控制系統(tǒng)的建模還有仿真的功能。其中，相對(duì)于其他的很多 應(yīng)用軟件來(lái)說(shuō)，simulink擁有很多的長(zhǎng)處，比如說(shuō)：（1）適應(yīng)面廣?？蓸?gòu)成的系統(tǒng)包扌乩線性、非線性系統(tǒng)；離散、連續(xù)及混 合系統(tǒng)；單任務(wù)、多任務(wù)離散事件系統(tǒng)。（2）它的結(jié)構(gòu)是采用分層的方式而口很簡(jiǎn)單、條理清晰，i大i此，它適用于 很多方面的設(shè)計(jì)。（3）仿真更為精細(xì)。它的運(yùn)作環(huán)境下有很多的模塊，其中有不少的模塊和 實(shí)際應(yīng)用屮的差不多，為我們用戶(hù)提供了很多的方便。（4）在它的環(huán)境下提供的多種模型能夠很好的進(jìn)行硬件方而等的移植。 創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)simulink模型一般步驟如下：（1）我們首先把電機(jī)控制系統(tǒng)的方程全部給描述出來(lái)。（2）然后我們?cè)俅蜷_(kāi)它的模塊，在它的環(huán)境下工作。（3）為待建模型，開(kāi)啟空白模型窗。（4）我們依據(jù)所學(xué)的理論上的模型，在空白的地方選擇我們電機(jī)控制系統(tǒng) 的模塊。（5）如杲我們選取的模塊不太恰當(dāng)?shù)脑?，我們可以首先把那些?duì)系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)冇影響的參數(shù)給設(shè)定好。（6）然后我們?cè)僖罁?jù)所學(xué)的理論上的模型把控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊之間的信 號(hào)給連接在一起。（7）最后我們對(duì)整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)考慮，把它z屮的不是結(jié)構(gòu)的參數(shù)給設(shè) 定好。（8）我們依據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)把電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真的開(kāi)始和終止時(shí)間等待都給 設(shè)定好。（9）然后很好的保存為了方便找到它我們給它取個(gè)適當(dāng)?shù)拿?。?0）建