無刷直流電機(jī)電流滯環(huán)控制策略仿真

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上江蘇科技大學(xué)本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）學(xué) 院 電氣與信息工程學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 學(xué)生姓名 班級學(xué)號 指導(dǎo)教師 魏海峰 二零一四年六月專心-專注-專業(yè)江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)論文無刷直流電機(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（論文）任務(wù)書學(xué)院名稱：電氣與信息工程學(xué)院 專 業(yè)：電氣工程及其自動化 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 魏海峰 職 稱： 副教授 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：無刷直流電機(jī)電流滯環(huán)控制策略一、畢業(yè)設(shè)計（論文）內(nèi)容及要求（包括原始數(shù)據(jù)

2、、技術(shù)要求、達(dá)到的指標(biāo)和應(yīng)做的實驗等）1 提供條件：無刷直流電機(jī)的相關(guān)資料，Matlab仿真軟件2 設(shè)計內(nèi)容與要求:(1) 掌握無刷直流電機(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)建無刷直流電機(jī)電流滯環(huán)控制系統(tǒng)；(4) 撰寫論文，通過答辯。二、完成后應(yīng)交的作業(yè)（包括各種說明書、圖紙等）(1) 畢業(yè)設(shè)計論文：一份（不少于1.5萬字）；(2) 外文譯文：一篇（不少于5000英文單詞）；(3) 無刷直流電機(jī)電流滯環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型：一套；三、完成日期及進(jìn)度2013年3月17日至2013年6月13日，共13周。進(jìn)度安排：

3、3.174.7：熟悉任務(wù)要求，查閱資料，翻譯外文資料；4.85.5：學(xué)習(xí)、掌握無刷直流電機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)和模型，完成開題報告及外文資料翻譯；5.55.19：學(xué)習(xí)、掌握Matlab/Simulink的使用；5.206.1：在Matlab/Simulink中構(gòu)建無刷直流電機(jī)的電流滯環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型，并調(diào)試；6.16.13：撰寫畢業(yè)論文、答辯。四、主要參考資料（包括書刊名稱、出版年月等）：(1) 湯蘊(yùn)璆, 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. 無刷直流電動機(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

4、）. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005.(4) 陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)運(yùn)動控制系統(tǒng)（第三版）. 機(jī)械工業(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) 潘曉晟. MATLAB電機(jī)仿真精華50例. 電子工業(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，無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)具有新型的調(diào)速系統(tǒng)。它具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維修方便、調(diào)速性能好等優(yōu)點。它采用電子換相裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有刷直流電動機(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

5、能高、控制方式簡便、能夠產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益、發(fā)展?jié)摿薮?。由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，無刷直流電動機(jī)的發(fā)展也日益突出?，F(xiàn)如今，無刷直流電動機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人們的日常生活中獲得了更為普遍的使用。由于工業(yè)生產(chǎn)對電動機(jī)控制精度的要求，無刷直流電機(jī)對其驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定性與及時性的要求越來越高，這就要求我們采取合理的控制系統(tǒng)，在電動機(jī)的發(fā)展中是極為重要的。本文采用PI控制器來調(diào)節(jié)速度，電流控制器采用電流滯環(huán)控制，從而形成無刷直流電動機(jī)電流滯環(huán)控制系統(tǒng)。本文中簡單地描述了電機(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)用各個相關(guān)的獨立功能模塊來搭建無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，從而實

6、現(xiàn)對無刷直流電動機(jī)電流滯環(huán)控制系統(tǒng)實行仿真。仿真和試驗結(jié)果與理論分析一致，驗證了該方法的合理性和有效性。此方法也適用于驗證其他控制算法的合理性，為實際電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試提供了新的思路。關(guān)鍵詞：無刷直流電機(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, conv

7、enient repair, good speed performance etc. It uses electronic 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 econ

8、omic benefits, a huge potential for development. Because 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

9、 widely used. Industrial production due to the motor control 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

10、adjust the speed, current controller based on hysteresis 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 motor. In the Matlab/Simulink environment using the independent function

11、al modules related to build the mathematical model of Brushless 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. Th

12、is method can be applied to verify the rationality of other 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1.1 研究背景在一百多年的時間里，電動機(jī)的發(fā)展已經(jīng)得到了許多的變革，種類也呈現(xiàn)多樣性，但現(xiàn)在最常見也是最主要

13、的是同步電動機(jī)、異步電動機(jī)和直流電動機(jī)這三類。電動機(jī)的作用也就是充當(dāng)轉(zhuǎn)換裝置，來進(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，但一切都應(yīng)該一分為二看，直流電機(jī)中存在的一些不足。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。在這種情況下，使得目前許多的工工業(yè)、農(nóng)業(yè)、制造業(yè)等一些生產(chǎn)活動中使用少有直流電動機(jī)的身影，取而代之的是三相異步電動機(jī)。無刷直流電動機(jī)與有刷直流電動機(jī)本質(zhì)的不同是沒有機(jī)

14、械換向器（通常稱為換向器）電刷換向機(jī)構(gòu)和機(jī)械接觸點相對運(yùn)動。無刷直流電動機(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，其中包括功率開關(guān)線路以及電子邏輯電路。無刷直流電動機(jī)與有刷直流電動機(jī)換向裝置有差異，但它仍然可以將直流電源在電機(jī)內(nèi)變頻交流電，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)動。無刷直流電動機(jī)既保持住了有刷直流電動機(jī)優(yōu)異的調(diào)速性能，也克服掉了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動過程中機(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，成為了現(xiàn)代在機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和運(yùn)動控制系統(tǒng)中的重要組成部分。早在20世紀(jì)30年代剛開始的階段，一些專家開始研究無刷直流電動機(jī)，嘗試在電機(jī)上使用電子轉(zhuǎn)

15、向器代替電刷機(jī)械換向裝置，并取得了一些成果。但是在當(dāng)時的科技水平下，大功率的電子器件的發(fā)展才剛剛起步，所以沒能找到適用于無刷直流電動機(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，美國哈里森等人在無刷直流電機(jī)中的應(yīng)用上獲得一項專利，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)的專利，在無刷直流電機(jī)中取得了重大突破，形成了現(xiàn)代的無刷直流電動機(jī)的雛形。但該電動機(jī)中起動轉(zhuǎn)矩的問題得不到解決，因此不能實現(xiàn)產(chǎn)品化。在隨后的日子里，經(jīng)過科研人員的不懈努力和探索，無刷直流電動機(jī)有了更進(jìn)一步的發(fā)展。1962年，無刷直流電動機(jī)的換向裝置霍爾元件被發(fā)

16、明。這項發(fā)明促使無刷直流電動機(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，為無刷直流電機(jī)工業(yè)發(fā)展。1978年，在漢諾威舉辦的世博會，聯(lián)邦德國曼內(nèi)斯曼公司推出的產(chǎn)品引起了全世界的廣泛關(guān)注。在其博覽會上的展位前大家仔細(xì)觀摩它生產(chǎn)出的MAC系列的無刷直流電動機(jī)及其相關(guān)的驅(qū)動器。由于該產(chǎn)品的出現(xiàn)，不僅標(biāo)志著無刷直流電動機(jī)進(jìn)入實用階段，而且也提出了無刷直流電動機(jī)的研究熱潮。隨著無刷直流電機(jī)逐步深化，逐步形成了完善的電機(jī)系統(tǒng)理論。在第二十世紀(jì)80年代后期，H.R.Bolton基于無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)理論的早期研究結(jié)果是科學(xué)的，全面

17、的總結(jié)。他提出了總結(jié)關(guān)于無刷直流電機(jī)的發(fā)展方針，未來的研究方向和領(lǐng)域。這些觀點不僅指出了無刷直流電機(jī)的進(jìn)一步研究的方向，也是無刷直流電機(jī)理論走向成熟的標(biāo)志。在我國，與西方發(fā)達(dá)國家相比，在無刷直流電機(jī)的研究起步較晚，技術(shù)水平相對落后。中國開始在第二十世紀(jì)90年代的無刷直流電機(jī)處于初始發(fā)展階段，后來才技術(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)被著名的德國博世、西門子兩個跨國公司展示同時還有無刷直流電機(jī)的驅(qū)動。當(dāng)時很多學(xué)者對其所體現(xiàn)出的先進(jìn)的技術(shù)水平十分激動，促使了他們對無刷直流電動機(jī)進(jìn)一步的研究。通過專家和學(xué)者長時間的努力研究，我國對無刷直流電動機(jī)的研究有了明顯的發(fā)展，并形成了一定的生

18、產(chǎn)規(guī)模，推出了一系列的產(chǎn)品。但我國對無刷直流電動機(jī)的研究有待進(jìn)一步的發(fā)展，逐步縮小與擁有先進(jìn)技術(shù)水平國家的差距?，F(xiàn)在無刷直流電動機(jī)在生活和生產(chǎn)中的各個領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普遍，這一切都來源于它相對于其他種類電機(jī)所表現(xiàn)出的優(yōu)勢，例如它的內(nèi)部簡單從而維護(hù)起來相當(dāng)便捷并且維修成本低廉，它的速度調(diào)節(jié)效果較其他電機(jī)而言表現(xiàn)的更為突出，并且工作效率高。無刷直流電動機(jī)推動了工業(yè)化發(fā)展的改革，進(jìn)一步完善了電機(jī)系統(tǒng)的組成部分。1.2 研究現(xiàn)狀與分析在過去相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，盡管各類交流電動機(jī)和直流電動機(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，但是無刷直流電動機(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

19、以來，人們的生活水平有了顯著的提高，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)也越來越趨于自動化，智能化，效率高，小型化。由于含有的優(yōu)點有精度高，速度快，效率高，直流無刷電機(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，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，由于能源和資源的逐步匱乏，人們開始提倡節(jié)能減排，這就需要高效率的生產(chǎn)設(shè)備來輔助推行，而無刷直流電動機(jī)正好具備高效率的優(yōu)點，體現(xiàn)出它巨大的應(yīng)用價值。永久磁鐵作為一種高性能的永磁材料在無刷電動機(jī)中用于轉(zhuǎn)子的制造，通過它所產(chǎn)生的氣隙磁通能夠保持為一個恒定的數(shù)值，能夠使用于電動機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。用于電機(jī)的恒功率運(yùn)行，雖然無刷直流電動機(jī)不能通過改變電動機(jī)

20、內(nèi)部的磁通實現(xiàn)弱磁控制，但能夠獲得所需要的磁場削弱控制通過改善電機(jī)的控制方法。永磁材料有很多種類，一種具有高矯頑力的永磁材料，剩磁，每單位體積可以在其類別有較大的氣隙磁通特性，即稀土永磁材料。稀土永磁材料的利用能夠大大地縮小電動機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子的半徑，減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。伺服設(shè)備，工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控車床的傳動系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)特性和良好的動態(tài)響應(yīng)，這就使得無刷直流電動機(jī)相比于交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)而言表現(xiàn)出了更多的優(yōu)越性得到了更好的體現(xiàn)。目前由于無刷直流電動機(jī)的發(fā)展勢頭很好，并且其得到了廣泛的應(yīng)用，既涉及到航空航天等國防事業(yè)，也能在我們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見，例如電瓶車、電動汽車以及家用電器等。而今，無

21、刷直流電動機(jī)的研究目標(biāo)重要集中在下列幾個方面：（1）無機(jī)械式轉(zhuǎn)子位置傳感器控制。轉(zhuǎn)子位置傳感器在電動機(jī)驅(qū)動過程中是最為薄弱的環(huán)節(jié)。因為它不僅降低了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，同時也增加了系統(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。這個問題迫使人們研發(fā)無機(jī)械轉(zhuǎn)子位置傳感器?？照{(diào)和電腦周邊設(shè)備所需的無機(jī)械轉(zhuǎn)子位置傳感器無刷直流電機(jī)，它體現(xiàn)了非機(jī)械式轉(zhuǎn)子位置傳感器中的應(yīng)用。無機(jī)械轉(zhuǎn)子位置的傳感器操作實際上就是要求無機(jī)械傳感器的前提下，傳輸和轉(zhuǎn)換的電動機(jī)運(yùn)行時的電壓和電流的數(shù)據(jù)信息，知道具體位置的轉(zhuǎn)子磁極的相對成熟，無機(jī)械式轉(zhuǎn)子位置傳感器的控制方法如下：·反電動勢法包括直接反電動勢法、間

22、接反電動勢法以及派生出來的反電動勢積分法等。·定子三次諧波檢測法。·續(xù)流二極管電流通路檢測法。盡管上述所提出的方法都有其各自的局限性和不足之處，但仍在不斷地加以完善。（2）轉(zhuǎn)矩脈動控制。轉(zhuǎn)矩脈動存在于無刷直流電動機(jī)當(dāng)中，其隨著電動機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的升高而不斷加劇，并且使得電動機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩顯著下降?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)矩脈動是無刷直流電動機(jī)的主要缺點，如何降低電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)矩脈動成為提高無刷直流電機(jī)性能的一個重要問題。（3）智能控制。隨著信息技術(shù)的發(fā)展以及控制理論的日益完善，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，專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是三個最重要的方法

23、和理論于智能控制理論。在它們當(dāng)中模糊邏輯控制已成功地應(yīng)用到許多方面。模糊控制是一種模糊規(guī)則和成熟經(jīng)驗有機(jī)地集成到智能驅(qū)動控制策略來控制。隨著無刷直流電動機(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新型電動機(jī)來提高生產(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，無刷直流電機(jī)的應(yīng)用技術(shù)也越來越成熟，鄰里和范疇的應(yīng)用更為廣泛。同時增加有刷直流電機(jī)的使用量是沒有用的，人們也開始要求其控制系統(tǒng)的設(shè)計越來越高。這些要求包括優(yōu)良的控制性能、合適的控制算法、短的開發(fā)周期、低廉的設(shè)計以及搭建成

24、本。并且無刷直流電動機(jī)科學(xué)合理的控制系統(tǒng)的仿真模型的建立，對于控制系統(tǒng)的快速分析、具體設(shè)計，快速檢測電機(jī)系統(tǒng)控制算法，降低無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計成本，具有十分重要的意義。以高性能的永磁材料和電子換向裝置構(gòu)成的無刷直流電動機(jī)來替代傳統(tǒng)直流有刷電機(jī)的機(jī)械換向器，直流有刷電機(jī)換向器可靠性差、維護(hù)差的致命缺點得到解決。它可以使直流電機(jī)的控制性能好，具有維護(hù)簡單的特點。隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展和功率集成電路的設(shè)計，相應(yīng)的專業(yè)和驅(qū)動芯片形成，無刷直流電機(jī)控制芯片控制模塊與驅(qū)動模塊產(chǎn)生，并從容地解決了無刷直流電動機(jī)驅(qū)動和控制問題。因此無刷直流電動機(jī)在控制鄰域上表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用。此課題研究的目的是在掌握一

25、定的無刷直流電動機(jī)知識的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)掌握知識、運(yùn)用知識解決問題的能力，培養(yǎng)一定的工程意識和創(chuàng)新意識，學(xué)會和熟悉一定的工程設(shè)計方法，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刷直流電動機(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)的無刷直流電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，工作原理及數(shù)學(xué)模型。其次，對無刷直流電動機(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，反電動勢和電流的變化趨勢進(jìn)行了比較，顯示了滯環(huán)電流控制的特點。在無刷直流電機(jī)電流滯環(huán)控制的數(shù)學(xué)模型分析的基

26、礎(chǔ)上，在SIMULINK提供使用不同的模塊，構(gòu)建了電流滯環(huán)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型。并對該系統(tǒng)中的各個工作模塊加以說明，同時在其仿真模型上加以示波器，從而得到無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、相電流以及反電動勢的波形。通過以上內(nèi)容對無刷直流電機(jī)電流滯環(huán)控制策略的理解。第二章 無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理及數(shù)學(xué)模型2.1 無刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)2.1.1 電動機(jī)本體圖2-1 無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖2-1所示。它由三部分組成，包括電子開關(guān)電路，電機(jī)本體、位置傳感器。在這一部分中，介紹了無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理。圖2-1所示在整個結(jié)構(gòu)的電機(jī)本體與永磁同步電機(jī)是相似的，但忽略

27、了一些啟動裝置和籠型繞組。電動機(jī)本體內(nèi)的定子繞組通常由多相線圈制成，而電機(jī)轉(zhuǎn)子由永磁磁鐵這類高性能的永磁材料制成，并且轉(zhuǎn)子的極對數(shù)有一定的要求。上圖中電機(jī)本體的三相定子繞組，與電子開關(guān)連接電源開關(guān)元件對應(yīng)連接。觀察圖2-1可知，電機(jī)定子繞組的A相，B相，C相繞組分別與功率開關(guān)元件的V1，V2，V3連接。位置傳感器與電機(jī)轉(zhuǎn)子連接，以便跟蹤轉(zhuǎn)子的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)在一相繞組的定子繞組電機(jī)通電時，該相繞組電流及轉(zhuǎn)子永磁磁場形成電磁轉(zhuǎn)矩，并產(chǎn)生相互作用，從而帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。與電機(jī)轉(zhuǎn)子相連接的位置傳感器時刻跟蹤著轉(zhuǎn)子磁極的位置，并將其位置信息轉(zhuǎn)化成電信號，通過該電信號來控制電子開關(guān)線路的關(guān)斷與導(dǎo)通。通過對電機(jī)主

28、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。電子開關(guān)的導(dǎo)通同步轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度的秩序，實現(xiàn)機(jī)械換向器的作用。所以在其基本結(jié)構(gòu)的無刷直流電動機(jī)，可以認(rèn)為是由電子開關(guān)電路，永磁同步電機(jī)和位置傳感器的電機(jī)系統(tǒng)。其原理框圖如圖2-2所示。圖2-2 無刷直流電動機(jī)的原理框圖無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子永久磁鐵的相似性于有刷直流電動機(jī)內(nèi)部定子上永久磁鐵的作用，可以產(chǎn)生足夠的氣隙磁場的直流電動機(jī)是用來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而驅(qū)動電動機(jī)運(yùn)行。2.1.2 電子開關(guān)電路無刷直流電動機(jī)有電子開關(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)定子每相繞組關(guān)斷與導(dǎo)通時間和電機(jī)定子每相

29、繞組的傳導(dǎo)。無刷直流電動機(jī)的電子開關(guān)電路主要由兩部分組成，包括位置傳感器的信號處理單元和電源開關(guān)邏輯單元，除此開關(guān)邏輯單元是來控制電機(jī)電路的關(guān)鍵。首先，為了使無刷直流電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩，使用功率開關(guān)邏輯單元，并將電源電流按邏輯關(guān)系，分配給無刷直流電機(jī)的定子每個繞組。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間進(jìn)行數(shù)據(jù)信息。位置傳感器中產(chǎn)生的是電信號，其不能直接用來控制功率邏輯開關(guān)單元，還需將該電信號經(jīng)過一定邏輯處理才行?？傊?，無刷直流電動機(jī)的組成框圖，如圖2-3所示。圖2-3 無刷直流電動機(jī)的組成框圖2.1.3 位置傳感器無刷直流電機(jī)采用電子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

30、繞組存在于直流無刷電機(jī)的定子上而在有刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上。永磁磁極存在于直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子上而在有刷直流電動機(jī)的定子上。在正常情況下，直流電源通過電子換向裝置無定子電樞繞組磁場電源直流電機(jī)，電機(jī)內(nèi)部有一定的位置。通常情況下，供電的直流電源經(jīng)過電子換向裝置來給無刷直流電動機(jī)上的定子繞組供電，只能在電動機(jī)內(nèi)部的某些位置產(chǎn)生固定的電樞磁場。該電樞磁場與電動機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的永磁旋轉(zhuǎn)磁場相互作用獲得電磁轉(zhuǎn)矩，但該電磁轉(zhuǎn)矩不是一個穩(wěn)定的數(shù)值，有很大的波動。要想使無刷直流電動機(jī)能夠在正反轉(zhuǎn)運(yùn)行中實現(xiàn)平穩(wěn)連續(xù)的轉(zhuǎn)動，必須要在電動機(jī)內(nèi)部添加位置傳感器，由位置傳感器來跟蹤轉(zhuǎn)子的位置從而來確定定子繞組的正確換相。無

31、刷直流電動機(jī)除了電動機(jī)本體和電子開關(guān)線路還需要位置傳感器，通過轉(zhuǎn)子上的位置傳感器來控制電子開關(guān)線路的關(guān)斷和導(dǎo)通。位置傳感器實現(xiàn)了電動機(jī)定子繞組的正確換相，并使得定子繞組所產(chǎn)生的電樞磁場與永磁轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場在電動機(jī)內(nèi)部空間上形成，從而獲得最大的電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動。位置傳感器由兩部分組成，其中包括位置傳感器定子以及位置傳感器轉(zhuǎn)子。定子屬于電動機(jī)的靜止部分，而轉(zhuǎn)子屬于運(yùn)動部分。目前，位置傳感器已有了很多種類，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。耦合式是指電動機(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。在該諧振電路中，

32、滿足一定的諧振條件，位置傳感器的輸出信號將能夠達(dá)到最強(qiáng)，再通過控制電子開關(guān)線路來實現(xiàn)定子電樞繞組的關(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機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息，并通過輸出電信號來控制電子開關(guān)線路以及定子電樞繞組各相的導(dǎo)通順序。常用的敏感元件有光敏元件和磁敏元件等。我們經(jīng)常用到的光敏元件和磁敏元件有光電二極管、霍爾元件等。2.2 無刷直流電機(jī)的工作原理定子在有刷直流電動機(jī)由永磁體組成，其主要作用是在電動機(jī)氣隙中產(chǎn)生磁場。有刷直流電動機(jī)中轉(zhuǎn)子電樞繞組通電后產(chǎn)生電樞磁場，再通過電刷的換向作用，使得其與永磁定子所產(chǎn)生的氣隙磁場相互保持垂直，從而獲得最

33、大的電磁轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動電動機(jī)連續(xù)地轉(zhuǎn)動。相反，采取無刷機(jī)械換向器的直流無刷電機(jī)，轉(zhuǎn)子由永磁體構(gòu)成磁極，定子形成電動機(jī)定子電樞繞組。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，氣隙磁場不能與永磁轉(zhuǎn)子的磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩按照恒定方向驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，除了電機(jī)本體由定子電樞繞組以及永磁轉(zhuǎn)子，無刷直流電機(jī)也需要位置傳感器和電子開關(guān)電路。氣隙磁場會產(chǎn)生于使用電子換向器的直流無刷電機(jī)定子電樞繞組和轉(zhuǎn)子永磁磁場彼此左右的電角度。從而形成恒定方向的最大的電磁轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。以三相星形繞組無刷直流電機(jī)控制的半橋電路為例，說明其工作原理及特點。圖2-4為三相無刷直

34、流電動機(jī)電路原理圖。在該電路圖中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V1、V2和V3構(gòu)成。圖2-4觀察可以看出，三只有感光元件VP1，VP2，VP3不同的安裝位置，均勻地分布在電機(jī)端。無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上安裝了遮光板。在光源照射在旋轉(zhuǎn)的遮光板上時，光線在沒有遮光板遮擋的情況下穿過照射在光敏元件上。光敏元件依次得到光源照射時會產(chǎn)生響應(yīng)信號，通過該響應(yīng)信號就可判斷電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁極所在的位置。圖2-4 三相繞組無刷直流電動機(jī)從圖2-4中可看出，一個角度大約為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

35、VP1產(chǎn)生一個電壓信號促使晶體管V1導(dǎo)通。定子繞組A-A'和外接直流電源形成閉合回路，定子繞組A-A'在電流的功用下形成電樞磁場并與永磁轉(zhuǎn)子所構(gòu)成的磁場相互作用形成電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)。遮光板隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動也相應(yīng)轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)過時，遮光板則逆時針轉(zhuǎn)過，此時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)至圖2-5b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。被光源照射的光敏元件VP2也產(chǎn)生一個電壓信號促使晶體管V2導(dǎo)通。定子繞組B-B'和外接直流電源形成閉合回路，定子繞組A-A'上的電流斷開而流入定子繞組B-B'。定子繞組電流流過繞組B-B'由電樞

36、磁場的作用下，形成了以永磁轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動。所以，當(dāng)轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)子位置順時針旋轉(zhuǎn)，如圖所示的2-5c，遮光板轉(zhuǎn)動，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)生一個電壓信號促使晶體管V3導(dǎo)通。定子繞組B-B'上的電流斷開而流入定子繞組C-C'。定子繞組C-C'在電流的作用下形成電樞磁場并與永磁轉(zhuǎn)子所形成的磁場相互作用生成電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動，最后又回到了圖2-5a的位置。圖2-5 開關(guān)順序及定子磁場旋轉(zhuǎn)示意圖綜上所述，定子繞組上的電流每經(jīng)過進(jìn)行一次換相，并且換相過程是交替運(yùn)行的沒有任何停頓。隨

37、著定子繞組上電流的換相同時產(chǎn)生電樞磁場，其磁場狀態(tài)也分為三種，每種磁場狀態(tài)相互間隔電角度。定子繞組的換相電流的交替情況和開關(guān)順序及定子磁場旋轉(zhuǎn)的過程相一致，在這里，就不在加以闡述了。通過電動機(jī)電子換相器的作用，電動機(jī)內(nèi)的轉(zhuǎn)子就能持續(xù)平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動了。圖2-6顯示電機(jī)的傳導(dǎo)順序。圖2-6 各相繞組的導(dǎo)通示意圖2.3 無刷直流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型無刷直流電動機(jī)有電動機(jī)本體、位置傳感器及電子開關(guān)線路三部分組成。其中在電動機(jī)本體中的轉(zhuǎn)子采用永磁磁鐵材料，該轉(zhuǎn)子能在電動機(jī)內(nèi)的氣隙中產(chǎn)生磁場。在本章2.2節(jié)中可知定子各相繞組的電流是方波電流，而轉(zhuǎn)子所形成的磁場是梯形波磁場。無刷直流電動機(jī)在其內(nèi)部氣隙磁場的感應(yīng)下形

38、成的反電動勢也呈現(xiàn)梯形波。無刷直流電動機(jī)的定子各相繞組的相電流和其反電動勢的關(guān)連如圖2-7所示。由于無刷直流電動機(jī)包含更多的與電感非線性諧波電勢，它不能對感應(yīng)電機(jī)的無刷直流電動機(jī)采取d、q變換理論分析?，F(xiàn)如今，我們在大多數(shù)情況下采用相量變化法來對無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和仿真。圖2-7 A相反電動勢和電流波形2.3.1 無刷直流電機(jī)的電壓方程無刷直流電動機(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)： （1）式中，、三相定子電壓（V）；、三相定子的反電動勢（V）；、三相定子相電流（A）；、三相定子自感（H）；、三相定子繞組的相電阻；p為微分算子。由電機(jī)的機(jī)構(gòu)決定，在電角度內(nèi)，轉(zhuǎn)子的磁阻不

39、隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化，并假定三相繞組對稱，則有：由于三相對稱的電機(jī)中，以及，則式（1）可改寫為： （2）2.3.2 電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o刷直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程可表示為：其中，為無刷直流電機(jī)角速度。無刷直流電動機(jī)的運(yùn)動方程可表示為：其中，B是阻尼系數(shù)。J是電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，是負(fù)載轉(zhuǎn)矩。2.3.3 狀態(tài)方程由（2）式的電壓方程經(jīng)過矩陣運(yùn)算，可得無刷直流電動機(jī)的狀態(tài)方程： （3）2.3.4 電機(jī)的等效電路圖依據(jù)（2）式的電壓方程，能夠?qū)o刷直流電動機(jī)的電機(jī)等效表現(xiàn)為圖2-8所示的等效電路。無刷直流電動機(jī)定子上的各相繞組由電阻R、電感（L-M）和一個反電動勢e串聯(lián)構(gòu)成。圖2-8無刷直流電機(jī)的等效電路圖無刷直

40、流電動機(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稱，空間互差電角度，參數(shù)相同；·永磁轉(zhuǎn)子在無刷直流電動機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的氣隙磁場為梯形波，定子各相繞組的反電勢為梯形波；·忽略定子鐵心齒槽效應(yīng)的影響；·忽略電子開關(guān)線路中的功率邏輯開關(guān)器件導(dǎo)通和關(guān)斷時間對無刷直流電動機(jī)運(yùn)行的影響，功率邏輯開關(guān)器件導(dǎo)通時的電壓壓降恒定，關(guān)斷后等效電阻無窮大；·忽略定子繞組電樞反應(yīng)的影響；·無刷直流電動機(jī)內(nèi)的氣隙磁場均勻，不計磁滯損耗與渦流損耗。第三章 無刷直流電機(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

41、控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性關(guān)于無刷直流電動機(jī)這種正、反轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)的調(diào)速體系，盡量地縮短電動機(jī)的起動過程和制動過程的時段是提高社會生產(chǎn)效能的重要因素。圖3-1中所示，電動機(jī)在起動和制動過程當(dāng)中，電動機(jī)容許的最大電流堅持不變，從而得到最大的加速度。當(dāng)電動機(jī)速度達(dá)到所需的轉(zhuǎn)速時，電動機(jī)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，電機(jī)電流就必須立即下降，從而使電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡。從圖3-1中可以看出，起動電流和制動電流呈矩形波，轉(zhuǎn)速變化呈梯形波。圖3-1 時間最優(yōu)的理想過渡過程在電動機(jī)起動的過程中只有電流起到負(fù)反饋的作用，沒有產(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，電流負(fù)反饋不在發(fā)揮作用，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋

42、開始發(fā)揮作用。圖3-2顯示，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器實行串聯(lián)，并以轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋來調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出成為電流調(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)稱為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)稱為外環(huán)。電動機(jī)為了在運(yùn)行中獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。但在本文中無刷直流電動機(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。圖3-2 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖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)模型與動態(tài)過程分析如圖3-3所示的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中和分別表示

43、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。圖3-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖從圖3-4中可以看出，電流從零迅速遞增到，隨后在一段時間內(nèi)維持其值不變，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到所需值時電流又開始下降并經(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)速時由于電流的數(shù)值還沒有變化，轉(zhuǎn)速任然再上升，經(jīng)過調(diào)節(jié)后轉(zhuǎn)速才趨于穩(wěn)態(tài)。電動機(jī)的起動過程分為電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個階段。電動機(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)。圖3-4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點：（1）飽和非線性控制；

44、（2）轉(zhuǎn)速超調(diào)；（3）準(zhǔn)時間最優(yōu)控制。在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(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)器是電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中最主要的部分，為了實現(xiàn)無誤差，其通常采用PI調(diào)節(jié)器。2）對負(fù)載變化起抗擾作用。3）其輸出限幅值決定電動機(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）對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。3）在轉(zhuǎn)速上升的過程中保證電動機(jī)獲得其允許的最大電流，縮短轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的時間。4）當(dāng)電動機(jī)過載或者堵轉(zhuǎn)時，電流調(diào)節(jié)器起動自動保護(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)電動機(jī)故障排除后，又能夠恢復(fù)

45、正常的運(yùn)行。3.2 電流滯環(huán)控制原理在本文中，無刷直流電動機(jī)的電流控制器采用滯環(huán)控制，轉(zhuǎn)速控制器采用PI控制。電動機(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3-5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值之差達(dá)到滯環(huán)寬度正邊緣時，逆變器的開關(guān)管VT1導(dǎo)通，開關(guān)管VT2關(guān)斷，電動機(jī)接通直流母線的正端，電流開始上升。反之，當(dāng)給定電流值與反饋電流值的瞬時值之差達(dá)到滯環(huán)寬度負(fù)邊緣時，逆變器的開關(guān)管VT1關(guān)斷，開關(guān)管VT2導(dǎo)通，電動機(jī)接通直流母線的負(fù)端，電流開始下降。選擇適當(dāng)?shù)臏h(huán)環(huán)寬，即可使實際電流不斷跟蹤參考電流的波形，實現(xiàn)電流閉環(huán)控制。圖 3

46、-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）在我們身邊的各個領(lǐng)域都可以見到它的身影，如自動控制原理、運(yùn)動控制系統(tǒng)等控制方面，是一個常見的數(shù)學(xué)物理術(shù)語。在控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中，最主要的內(nèi)容是對是PID控制器的參數(shù)的一個整定過程。它主要是依據(jù)被控制進(jìn)程的特征來確定PID控制器的參數(shù)：比例系數(shù)、積分時間和微分時間，其大小就跟這個過程有關(guān)。對PID控制器參數(shù)整定有許多方式來設(shè)定，歸納起來有一下兩種：其一是理論計算整定法。這種方法跟其數(shù)學(xué)模型有關(guān)聯(lián)，通過一系列的理論計算過程來準(zhǔn)確的設(shè)定系統(tǒng)控制器的參數(shù)。但在某些場合，我們還需要需

47、要根據(jù)工程實際情況來進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)整設(shè)定并改變。其二是工程整定方法。對于這種方法，它不能被系統(tǒng)的歸納出來，由于工程實踐中積累的經(jīng)驗有很大聯(lián)系，如果經(jīng)驗豐富，你會發(fā)現(xiàn)這種方法非常的簡單易用，在各種工程實際運(yùn)用過程中總有它的身影，非常廣泛。就其工程整定的方法，又可以細(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。三種方法的特點都不大相同，但也有相同的地方，那就是在工程整定的過程中都是首先通過試驗來分析，之后根據(jù)工程實踐中的經(jīng)驗所得出的公式來對控制器參數(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最后的調(diào)整設(shè)定與改善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。數(shù)字PID控制

48、器的控制作用有以下幾種：（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，PI調(diào)節(jié)器是電力拖動自動控制系統(tǒng)中最常見的一種控制器，在微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中，當(dāng)采樣頻率足夠高時，可以做一下的過程來處理：第一步根據(jù)模擬控制系統(tǒng)的設(shè)計方法來對調(diào)節(jié)器進(jìn)行策劃，然后再對其進(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， （3-1）式中 PI調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)； PI調(diào)節(jié)器的積分放大系數(shù)。采用模擬控制是，可用運(yùn)算放大器來實現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器，其線

49、路原理和特性如圖3-6所示圖3-6 比例積分（PI）調(diào)節(jié)器的原理和特性第四章 基于MATLAB的無刷直流電機(jī)電流滯環(huán)控制4.1 MATLAB/Simulink的介紹4.1.1 MATLAB的簡介MATLAB是matrix&laboratory兩個詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實驗室）。它是美國的一家公司發(fā)布的，它是一種現(xiàn)代高科技的運(yùn)用于計算的環(huán)境，它的主要面向?qū)ο笫菍τ谀切┊?dāng)今的科學(xué)計算、設(shè)計程序等等。它在當(dāng)今的高科技生產(chǎn)實踐中占據(jù)了領(lǐng)先的地位，其中最主要的原因是它的功能非常強(qiáng)大，比如說在數(shù)據(jù)分析方面、對電機(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

50、程中存在的各類問題。MATLAB是我們常用的三大軟件之一，用它來處理問題相比于其他的軟件來說要相對容易的多，而且功能強(qiáng)大，基于以上諸多優(yōu)點，所以它在我們生活和社會生產(chǎn)中的應(yīng)用非常廣泛。特別是在數(shù)學(xué)數(shù)值的計算的領(lǐng)域它發(fā)揮了巨大的潛能。我們用戶用它主要是用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的計算、信號的檢測、圖像的處理的功能等等。4.1.2 Simulink的優(yōu)點與創(chuàng)建模型步驟在MATLAB中的SIMULINK的環(huán)境下，我們可以使用它僅僅用很簡單的操作就能完成對電機(jī)的控制系統(tǒng)的建模還有仿真的功能。其中，相對于其他的很多應(yīng)用軟件來說，SIMULINK擁有很多的長處，比如說：（1）適應(yīng)面廣。可構(gòu)成的系統(tǒng)包括：線性、非線性系統(tǒng)

51、；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且很簡單、條理清晰，因此，它適用于很多方面的設(shè)計。（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際應(yīng)用中的差不多，為我們用戶提供了很多的方便。（4）在它的環(huán)境下提供的多種模型能夠很好的進(jìn)行硬件方面等的移植。創(chuàng)建動態(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。（2）然后我們再打開它的模塊，在它的環(huán)境下工作。（3）為待建模型，開啟空白模型窗。（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）如果我們選取的模塊不太恰當(dāng)?shù)脑?/p>

52、，我們可以首先把那些對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有影響的參數(shù)給設(shè)定好。（6）然后我們再依據(jù)所學(xué)的理論上的模型把控制系統(tǒng)的各個模塊之間的信號給連接在一起。（7）最后我們對整個電機(jī)控制系統(tǒng)考慮，把它之中的不是結(jié)構(gòu)的參數(shù)給設(shè)定好。（8）我們依據(jù)以往經(jīng)驗把電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真的開始和終止時間等待都給設(shè)定好。（9）然后很好的保存為了方便找到它我們給它取個適當(dāng)?shù)拿?。?0）建立好電機(jī)控制系統(tǒng)的各個模塊之后，我們可以對它進(jìn)行一定的調(diào)試工作。（11）調(diào)試完之后為了研究的使用我們把它給保存好。4.2 無刷直流電機(jī)電流滯環(huán)控制系統(tǒng)各模塊的建立4.2.1 電機(jī)本體模塊我們通過分析研究了解一定的無刷電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，我們對電機(jī)控制系統(tǒng)

53、的各個模型剖析然后我們使用SIMULINK對其進(jìn)行仿真和建模，下圖4-1所示就是電機(jī)控制系統(tǒng)的框圖。該系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制的方法，其中轉(zhuǎn)速環(huán)是由PI控制器來控制的，電流環(huán)是由滯環(huán)調(diào)節(jié)器來對其進(jìn)行控制的。圖4-1 無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計框圖無刷直流電機(jī)的本體模塊是系統(tǒng)仿真建模的主要部分。所以，文章中本節(jié)的研究論述的重點就是用SIMULINK環(huán)境對電機(jī)的本體進(jìn)行建模。MLDCM本體模型由以下三個模塊組成，下面就各個模塊做了簡單的介紹。（1）MLDCM本體模型的電壓方程和反電動勢模塊圖4-2 無刷直流電動機(jī)本體模塊結(jié)構(gòu)框圖無刷直流電機(jī)本體模型的電壓方程和反電動勢模塊如圖4-2所示。這兩個模塊當(dāng)中有

54、很多物理量是互相使用的，故將這兩個模塊建立在一起。電壓方程式中的、是由反電動勢模塊得出。電樞繞組中反電動勢的波形與氣隙磁場波形、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子相對于定子電樞每相繞組的位置有關(guān)。當(dāng)電動機(jī)不考慮電樞反應(yīng)的時候，如果電機(jī)的轉(zhuǎn)速不再發(fā)生變化，那么電動機(jī)的電樞繞組反電動勢的波形就是梯形波，并且當(dāng)電機(jī)帶負(fù)載的時候和不帶負(fù)載時的氣隙磁場的波形都是一樣的。 (2)無刷直流電動機(jī)M的電機(jī)本體模型 把以上三個模塊組合起來就構(gòu)成了無刷直流電機(jī)的電機(jī)本體模塊，如圖4-3所示。由圖可知，電機(jī)本體模塊的輸入為三相電壓、轉(zhuǎn)速和負(fù)載轉(zhuǎn)矩，輸出為定子電樞繞組的電樞電流、三相反電動勢、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)子角速度。圖4-3

55、無刷直流電機(jī)的電機(jī)本體模塊如圖4-4所示顯示了無刷電機(jī)在采用星形兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)的方式下工作時并在理想的情況下的時候的反電勢的波形曲線。圖4-4 三相反電動勢波形現(xiàn)在我們用它的第一個階段來說，在這個時候電機(jī)的A相反電動勢是在最大值Em的地方，它的B相反電動勢是在它的反向最大值-Em的地方，它的C相反電動勢在這個時候正是在換向的時候。我們可以根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和它的轉(zhuǎn)速的大小，我們可以求出各個階段的反電勢的變化曲線。因此我們可以得出它們之間的關(guān)系。如下表1所示顯示了我們可以采用多段分析法，最終解決了我們在對無刷電機(jī)的反電勢求值方面出現(xiàn)的問題。表1 轉(zhuǎn)子位置和反電動勢之間的線性關(guān)系表轉(zhuǎn)子位置在表1中：k是電機(jī)的反電動勢系數(shù)(V/(r/min)，Pos是電機(jī)的電角度(rad)，w是電機(jī)的角速度(rad/s)。電機(jī)的反電勢我們可以通過它轉(zhuǎn)過的電角度的大小來求得。4.2.2 轉(zhuǎn)矩計算模塊如下圖4-5所示顯示了電機(jī)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩計算模塊是可以由式（3）