無刷直流電機電流滯環(huán)控制策略仿真

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上江蘇科技大學本 科 畢 業(yè) 設 計（論文）學 院 電氣與信息工程學院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 學生姓名 班級學號 指導教師 魏海峰 二零一四年六月專心-專注-專業(yè)江蘇科技大學本科畢業(yè)論文無刷直流電機電流滯環(huán)控制策略No current hysteresis loop control strategy of DC motor江蘇科技大學畢業(yè)設計（論文）任務書學院名稱：電氣與信息工程學院 專 業(yè)：電氣工程及其自動化 學生姓名： 學 號： 指導教師： 魏海峰 職 稱： 副教授 畢業(yè)設計（論文）題目：無刷直流電機電流滯環(huán)控制策略一、畢業(yè)設計（論文）內(nèi)容及要求（包括原始數(shù)據(jù)

2、、技術要求、達到的指標和應做的實驗等）1 提供條件：無刷直流電機的相關資料，Matlab仿真軟件2 設計內(nèi)容與要求:(1) 掌握無刷直流電機的原理、結構和模型；(2) 掌握仿真軟件Matlab/simulink的使用；(3) 在Matlab/simulink中構建無刷直流電機電流滯環(huán)控制系統(tǒng)；(4) 撰寫論文，通過答辯。二、完成后應交的作業(yè)（包括各種說明書、圖紙等）(1) 畢業(yè)設計論文：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) 無刷直流電機電流滯環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型：一套；三、完成日期及進度2013年3月17日至2013年6月13日，共13周。進度安排：

3、3.174.7：熟悉任務要求，查閱資料，翻譯外文資料；4.85.5：學習、掌握無刷直流電機的原理、結構和模型，完成開題報告及外文資料翻譯；5.55.19：學習、掌握Matlab/Simulink的使用；5.206.1：在Matlab/Simulink中構建無刷直流電機的電流滯環(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) 湯蘊璆, 羅應立, 梁艷萍. 電機學（第三版）. 機械工業(yè)出版社, 2008.(2) 張琛. 無刷直流電動機原理及應用（第二版）. 機械工業(yè)出版社, 2004.(3) 王兆安, 黃俊. 電力電子技術（第四版

4、）. 機械工業(yè)出版社, 2005.(4) 陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)（第三版）. 機械工業(yè)出版社, 2004.(5) 張志涌. 精通MATLAB 6.5版教程. 北京航天航空大學出版社, 2005.(6) 潘曉晟. MATLAB電機仿真精華50例. 電子工業(yè)出版社, 2007. 系(教研室)主任： （簽章） 年 月 日 學院主管領導： （簽章） 年 月 日摘 要眾所周知，無刷直流電動機控制系統(tǒng)具有新型的調(diào)速系統(tǒng)。它具有結構簡單、運行可靠、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)的有刷直流電動機中的電刷，解決了電機在運行中由電刷產(chǎn)生的摩擦引發(fā)的一些不良影響。它運行性

5、能高、控制方式簡便、能夠產(chǎn)生很好的經(jīng)濟效益、發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｓ捎陔娏﹄娮蛹夹g的飛速發(fā)展，無刷直流電動機的發(fā)展也日益突出。現(xiàn)如今，無刷直流電動機在工農(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)對電動機控制精度的要求，無刷直流電機對其驅動系統(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電流滯環(huán)控制系統(tǒng)。本文中簡單地描述了電機的基本結構，分析了電機的工作原理。在Matlab/Simulink環(huán)境下運用各個相關的獨立功能模塊來搭建無刷直流電機的數(shù)學模型，從而實

6、現(xiàn)對無刷直流電動機電流滯環(huán)控制系統(tǒng)實行仿真。仿真和試驗結果與理論分析一致，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，為實際電機控制系統(tǒng)的設計和調(diào)試提供了新的思路。關鍵詞：無刷直流電機，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、異步電動機和直流電動機這三類。電動機的作用也就是充當轉換裝置，來進行機電能量的轉換。三種電機運行，我們都知道，直流電機具有效率高、調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點，但一切都應該一分為二看，直流電機中存在的一些不足。傳統(tǒng)直流電機以機械形式進行換向，存在火花、無線電干預、噪聲和壽命短等嚴重弊端，還有一些缺陷是這些傳統(tǒng)直流電機的結構制造、材料選取使得其進行產(chǎn)品生產(chǎn)的成本很高和維護修理也較為麻煩，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的身影，取而代之的是三相異步電動機。無刷直流電動機與有刷直流電動機本質的不同是沒有機

14、械換向器（通常稱為換向器）電刷換向機構和機械接觸點相對運動。無刷直流電動機中的轉子位置轉換器采用永磁磁鐵制成，其屬于電子換相器的范疇。轉子位置轉換器由兩部分組成，其中包括功率開關線路以及電子邏輯電路。無刷直流電動機與有刷直流電動機換向裝置有差異，但它仍然可以將直流電源在電機內(nèi)變頻交流電，將電能轉化為機械能驅動電機的轉動。無刷直流電動機既保持住了有刷直流電動機優(yōu)異的調(diào)速性能，也克服掉了旋轉運動過程中機械換向器和電刷構成的換流機構的接觸所造成的一系列缺點，成為了現(xiàn)代在機電能量轉換和運動控制系統(tǒng)中的重要組成部分。早在20世紀30年代剛開始的階段，一些專家開始研究無刷直流電動機，嘗試在電機上使用電子轉

15、向器代替電刷機械換向裝置，并取得了一些成果。但是在當時的科技水平下，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中的應用上獲得一項專利，即用晶體管電子換向器代替機械換向器于直流有刷電機的專利，在無刷直流電機中取得了重大突破，形成了現(xiàn)代的無刷直流電動機的雛形。但該電動機中起動轉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，無刷直流電動機有了更進一步的發(fā)展。1962年，無刷直流電動機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的產(chǎn)品化，從而促進了工農(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注。在其博覽會上的展位前大家仔細觀摩它生產(chǎn)出的MAC系列的無刷直流電動機及其相關的驅動器。由于該產(chǎn)品的出現(xiàn)，不僅標志著無刷直流電動機進入實用階段，而且也提出了無刷直流電動機的研究熱潮。隨著無刷直流電機逐步深化，逐步形成了完善的電機系統(tǒng)理論。在第二十世紀80年代后期，H.R.Bolton基于無刷直流電動機系統(tǒng)理論的早期研究結果是科學的，全面

17、的總結。他提出了總結關于無刷直流電機的發(fā)展方針，未來的研究方向和領域。這些觀點不僅指出了無刷直流電機的進一步研究的方向，也是無刷直流電機理論走向成熟的標志。在我國，與西方發(fā)達國家相比，在無刷直流電機的研究起步較晚，技術水平相對落后。中國開始在第二十世紀90年代的無刷直流電機處于初始發(fā)展階段，后來才技術引進和研究。在北京舉辦的展覽，永磁同步電機伺服系統(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的驅動。當時很多學者對其所體現(xiàn)出的先進的技術水平十分激動，促使了他們對無刷直流電動機進一步的研究。通過專家和學者長時間的努力研究，我國對無刷直流電動機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的研究有待進一步的發(fā)展，逐步縮小與擁有先進技術水平國家的差距?，F(xiàn)在無刷直流電動機在生活和生產(chǎn)中的各個領域的應用越來越普遍，這一切都來源于它相對于其他種類電機所表現(xiàn)出的優(yōu)勢，例如它的內(nèi)部簡單從而維護起來相當便捷并且維修成本低廉，它的速度調(diào)節(jié)效果較其他電機而言表現(xiàn)的更為突出，并且工作效率高。無刷直流電動機推動了工業(yè)化發(fā)展的改革，進一步完善了電機系統(tǒng)的組成部分。1.2 研究現(xiàn)狀與分析在過去相當長的一段時間內(nèi)，盡管各類交流電動機和直流電動機在電能轉換為機械能的系統(tǒng)應用中占據(jù)了主要的位置，但是無刷直流電動機也同樣受到了大家的廣泛關注。從第二十世紀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，直流無刷電機在家用電器和工業(yè)機器人等工業(yè)生產(chǎn)設備中的應用需求不斷增長，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)設備來輔助推行，而無刷直流電動機正好具備高效率的優(yōu)點，體現(xiàn)出它巨大的應用價值。永久磁鐵作為一種高性能的永磁材料在無刷電動機中用于轉子的制造，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，能夠使用于電動機的恒轉矩運行。用于電機的恒功率運行，雖然無刷直流電動機不能通過改變電動機

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內(nèi)轉子的半徑，減小轉子的轉動慣量。伺服設備，工業(yè)機器人和數(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，這就使得無刷直流電動機相比于交流伺服電機和直流伺服電機而言表現(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的發(fā)展勢頭很好，并且其得到了廣泛的應用，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、刷直流電動機的研究目標重要集中在下列幾個方面：（1）無機械式轉子位置傳感器控制。轉子位置傳感器在電動機驅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)的成本和復雜性，也在電機內(nèi)部也占據(jù)一定的空間。這個問題迫使人們研發(fā)無機械轉子位置傳感器?？照{(diào)和電腦周邊設備所需的無機械轉子位置傳感器無刷直流電機，它體現(xiàn)了非機械式轉子位置傳感器中的應用。無機械轉子位置的傳感器操作實際上就是要求無機械傳感器的前提下，傳輸和轉換的電動機運行時的電壓和電流的數(shù)據(jù)信息，知道具體位置的轉子磁極的相對成熟，無機械式轉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）轉矩脈動控制。轉矩脈動存在于無刷直流電動機當中，其隨著電動機運行轉速的升高而不斷加劇，并且使得電動機的平均轉矩顯著下降?？梢钥闯?，轉矩脈動是無刷直流電動機的主要缺點，如何降低電機內(nèi)部轉矩脈動成為提高無刷直流電機性能的一個重要問題。（3）智能控制。隨著信息技術的發(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。在它們當中模糊邏輯控制已成功地應用到許多方面。模糊控制是一種模糊規(guī)則和成熟經(jīng)驗有機地集成到智能驅動控制策略來控制。隨著無刷直流電動機應用范圍的不斷擴大，智能控制技術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，隨著設備更新生產(chǎn)，這就要求我們制定一個新型電動機來提高生產(chǎn)效率。隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展水平的不斷提高，無刷直流電機的應用技術也越來越成熟，鄰里和范疇的應用更為廣泛。同時增加有刷直流電機的使用量是沒有用的，人們也開始要求其控制系統(tǒng)的設計越來越高。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、低廉的設計以及搭建成

24、本。并且無刷直流電動機科學合理的控制系統(tǒng)的仿真模型的建立，對于控制系統(tǒng)的快速分析、具體設計，快速檢測電機系統(tǒng)控制算法，降低無刷直流電機控制系統(tǒng)的設計成本，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成的無刷直流電動機來替代傳統(tǒng)直流有刷電機的機械換向器，直流有刷電機換向器可靠性差、維護差的致命缺點得到解決。它可以使直流電機的控制性能好，具有維護簡單的特點。隨著微電子技術的快速發(fā)展和功率集成電路的設計，相應的專業(yè)和驅動芯片形成，無刷直流電機控制芯片控制模塊與驅動模塊產(chǎn)生，并從容地解決了無刷直流電動機驅動和控制問題。因此無刷直流電動機在控制鄰域上表現(xiàn)出廣泛的應用。此課題研究的目的是在掌握一

25、定的無刷直流電動機知識的基礎上，培養(yǎng)掌握知識、運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，學會和熟悉一定的工程設計方法，為進一步的學習和能力的培養(yǎng)奠定基礎。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電流滯環(huán)控制策略，在這一控制系統(tǒng)中轉速控制器采用PI調(diào)節(jié)器，電流控制器采用滯環(huán)調(diào)節(jié)。首先，我告訴你有關的無刷直流電動機的基本結構，工作原理及數(shù)學模型。其次，對無刷直流電動機的轉速控制器及電流控制器的采用元件及相關原理加以闡述。在無刷直流電機電流滯環(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行了比較，顯示了滯環(huán)電流控制的特點。在無刷直流電機電流滯環(huán)控制的數(shù)學模型分析的基

26、礎上，在SIMULINK提供使用不同的模塊，構建了電流滯環(huán)無刷直流電機控制系統(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的轉速、轉矩、相電流以及反電動勢的波形。通過以上內(nèi)容對無刷直流電機電流滯環(huán)控制策略的理解。第二章 無刷直流電機的結構、原理及數(shù)學模型2.1 無刷直流電機的基本結構2.1.1 電動機本體圖2-1 無刷直流電動機的結構原理圖無刷直流電動機的結構原理圖如圖2-1所示。它由三部分組成，包括電子開關電路，電機本體、位置傳感器。在這一部分中，介紹了無刷直流電機的結構原理。圖2-1所示在整個結構的電機本體與永磁同步電機是相似的，但忽略

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

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，定子電流和轉子位置，并以特定的順序換相變化。電子開關的導通同步轉子旋轉角速度的秩序，實現(xiàn)機械換向器的作用。所以在其基本結構的無刷直流電動機，可以認為是由電子開關電路，永磁同步電機和位置傳感器的電機系統(tǒng)。其原理框圖如圖2-2所示。圖2-2 無刷直流電動機的原理框圖無刷直流電動機轉子永久磁鐵的相似性于有刷直流電動機內(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是用來產(chǎn)生電磁轉矩，從而驅動電動機運行。2.1.2 電子開關電路無刷直流電動機有電子開關電路，它在電機內(nèi)部起到換向器的作用，它控制電機定子每相繞組關斷與導通時間和電機定子每相

29、繞組的傳導。無刷直流電動機的電子開關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邏輯單元，除此開關邏輯單元是來控制電機電路的關鍵。首先，為了使無刷直流電機恒轉矩，使用功率開關邏輯單元，并將電源電流按邏輯關系，分配給無刷直流電機的定子每個繞組。其次，利用位置傳感器采集電機定子各相繞組的順序和時間進行數(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?，無刷直流電動機的組成框圖，如圖2-3所示。圖2-3 無刷直流電動機的組成框圖2.1.3 位置傳感器無刷直流電機采用電子換向器更換直流有刷電機的機械換向裝置。在結構上，電樞

30、繞組存在于直流無刷電機的定子上而在有刷直流電動機的轉子上。永磁磁極存在于直流無刷電機的轉子上而在有刷直流電動機的定子上。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，電機內(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上的定子繞組供電，只能在電動機內(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內(nèi)轉子所產(chǎn)生的永磁旋轉磁場相互作用獲得電磁轉矩，但該電磁轉矩不是一個穩(wěn)定的數(shù)值，有很大的波動。要想使無刷直流電動機能夠在正反轉運行中實現(xiàn)平穩(wěn)連續(xù)的轉動，必須要在電動機內(nèi)部添加位置傳感器，由位置傳感器來跟蹤轉子的位置從而來確定定子繞組的正確換相。無

31、刷直流電動機除了電動機本體和電子開關線路還需要位置傳感器，通過轉子上的位置傳感器來控制電子開關線路的關斷和導通。位置傳感器實現(xiàn)了電動機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子所產(chǎn)生的旋轉磁場在電動機內(nèi)部空間上形成，從而獲得最大的電磁轉矩，驅動電機轉動。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子。定子屬于電動機的靜止部分，而轉子屬于運動部分。目前，位置傳感器已有了很多種類，以轉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到最強，再通過控制電子開關線路來實現(xiàn)定子電樞繞組的關斷和導通。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轉子的位置信息，并通過輸出電信號來控制電子開關線路以及定子電樞繞組各相的導通順序。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 無刷直流電機的工作原理定子在有刷直流電動機由永磁體組成，其主要作用是在電動機氣隙中產(chǎn)生磁場。有刷直流電動機中轉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、大的電磁轉矩來驅動電動機連續(xù)地轉動。相反，采取無刷機械換向器的直流無刷電機，轉子由永磁體構成磁極，定子形成電動機定子電樞繞組。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子的磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉矩按照恒定方向驅動電機的運轉。因此，除了電機本體由定子電樞繞組以及永磁轉子，無刷直流電機也需要位置傳感器和電子開關電路。氣隙磁場會產(chǎn)生于使用電子換向器的直流無刷電機定子電樞繞組和轉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矩來驅動電動機運轉。以三相星形繞組無刷直流電機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，均勻地分布在電機端。無刷直流電動機的轉子轉軸上安裝了遮光板。在光源照射在旋轉的遮光板上時，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)生響應信號，通過該響應信號就可判斷電動機轉子磁極所在的位置。圖2-4 三相繞組無刷直流電動機從圖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子所構成的磁場相互作用形成電磁轉矩使轉子順時針旋轉。遮光板隨著轉子的轉動也相應轉動，當轉子順時針轉過時，遮光板則逆時針轉過，此時轉子轉至圖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，形成了以永磁轉子磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉矩的轉子順時針轉動。所以，當轉子在轉子位置順時針旋轉，如圖所示的2-5c，遮光板轉動，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子所形成的磁場相互作用生成電磁轉矩使轉子繼續(xù)順時針轉動，最后又回到了圖2-5a的位置。圖2-5 開關順序及定子磁場旋轉示意圖綜上所述，定子繞組上的電流每經(jīng)過進行一次換相，并且換相過程是交替運行的沒有任何停頓。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順序及定子磁場旋轉的過程相一致，在這里，就不在加以闡述了。通過電動機電子換相器的作用，電動機內(nèi)的轉子就能持續(xù)平穩(wěn)地轉動了。圖2-6顯示電機的傳導順序。圖2-6 各相繞組的導通示意圖2.3 無刷直流電動機的數(shù)學模型無刷直流電動機有電動機本體、位置傳感器及電子開關線路三部分組成。其中在電動機本體中的轉子采用永磁磁鐵材料，該轉子能在電動機內(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，而轉子所形成的磁場是梯形波磁場。無刷直流電動機在其內(nèi)部氣隙磁場的感應下形

38、成的反電動勢也呈現(xiàn)梯形波。無刷直流電動機的定子各相繞組的相電流和其反電動勢的關連如圖2-7所示。由于無刷直流電動機包含更多的與電感非線性諧波電勢，它不能對感應電機的無刷直流電動機采取d、q變換理論分析。現(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控制系統(tǒng)進行分析和仿真。圖2-7 A相反電動勢和電流波形2.3.1 無刷直流電機的電壓方程無刷直流電動機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。由電機的機構決定，在電角度內(nèi)，轉子的磁阻不

39、隨轉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中，以及，則式（1）可改寫為： （2）2.3.2 電磁轉矩無刷直流電動機的電磁轉矩方程可表示為：其中，為無刷直流電機角速度。無刷直流電動機的運動方程可表示為：其中，B是阻尼系數(shù)。J是電機的轉動慣量，是負載轉矩。2.3.3 狀態(tài)方程由（2）式的電壓方程經(jīng)過矩陣運算，可得無刷直流電動機的狀態(tài)方程： （3）2.3.4 電機的等效電路圖依據(jù)（2）式的電壓方程，能夠將無刷直流電動機的電機等效表現(xiàn)為圖2-8所示的等效電路。無刷直流電動機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)構成。圖2-8無刷直流電機的等效電路圖無刷直

40、流電動機的數(shù)學模型創(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；·永磁轉子在無刷直流電動機內(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的影響；·忽略電子開關線路中的功率邏輯開關器件導通和關斷時間對無刷直流電動機運行的影響，功率邏輯開關器件導通時的電壓壓降恒定，關斷后等效電阻無窮大；·忽略定子繞組電樞反應的影響；·無刷直流電動機內(nèi)的氣隙磁場均勻，不計磁滯損耗與渦流損耗。第三章 無刷直流電機電流滯環(huán)控制策略3.1 轉速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)3.1.1 轉速、電流反饋

41、控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性關于無刷直流電動機這種正、反轉運轉的調(diào)速體系，盡量地縮短電動機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，電動機在起動和制動過程當中，電動機容許的最大電流堅持不變，從而得到最大的加速度。當電動機速度達到所需的轉速時，電動機達到穩(wěn)態(tài)。當電動機轉速達到穩(wěn)態(tài)時，電機電流就必須立即下降，從而使電動機電磁轉矩與負載轉矩相平衡。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起動的過程中只有電流起到負反饋的作用，沒有產(chǎn)生轉速負反饋。當轉速達到穩(wěn)態(tài)轉速時，電流負反饋不在發(fā)揮作用，轉速負反饋

42、開始發(fā)揮作用。圖3-2顯示，轉速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器實行串聯(lián)，并以轉速負反饋和電流負反饋來調(diào)節(jié)電動機的轉速和電流。轉速調(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)，轉速環(huán)稱為外環(huán)。電動機為了在運行中獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉速和電流兩個調(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的系統(tǒng)結構中轉速調(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 轉速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖3.1.2 轉速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型與動態(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)結構圖中和分別表示

43、轉速調(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)結構圖從圖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，當轉速達到所需值時電流又開始下降并經(jīng)調(diào)節(jié)后到達穩(wěn)態(tài)值。從轉速變化波形中可看出轉速先是緩慢上升，隨后以恒定的加速度加速上升。當達到所需的轉速時由于電流的數(shù)值還沒有變化，轉速任然再上升，經(jīng)過調(diào)節(jié)后轉速才趨于穩(wěn)態(tài)。電動機的起動過程分為電流上升、恒流升速和轉速調(diào)節(jié)三個階段。電動機的轉速調(diào)節(jié)器也同樣經(jīng)歷了快速進入飽和、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）轉速超調(diào)；（3）準時間最優(yōu)控制。在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的轉速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器所起的作用可以歸納如下：1、轉速調(diào)節(jié)器的作用1）轉速調(diào)節(jié)器是電動機調(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）對負載變化起抗擾作用。3）其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。2、電流調(diào)節(jié)器的作用1）電流調(diào)節(jié)器中的電流與轉速調(diào)節(jié)器的輸出量的變化保持關聯(lián)。2）對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。3）在轉速上升的過程中保證電動機獲得其允許的最大電流，縮短轉速調(diào)節(jié)的時間。4）當電動機過載或者堵轉時，電流調(diào)節(jié)器起動自動保護的功能，迅速減小電流的數(shù)值，從而避免了電機的損壞。當電動機故障排除后，又能夠恢復

45、正常的運行。3.2 電流滯環(huán)控制原理在本文中，無刷直流電動機的電流控制器采用滯環(huán)控制，轉速控制器采用PI控制。電動機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：當給定電流值與反饋電流值的瞬時值之差達到滯環(huán)寬度正邊緣時，逆變器的開關管VT1導通，開關管VT2關斷，電動機接通直流母線的正端，電流開始上升。反之，當給定電流值與反饋電流值的瞬時值之差達到滯環(huán)寬度負邊緣時，逆變器的開關管VT1關斷，開關管VT2導通，電動機接通直流母線的負端，電流開始下降。選擇適當?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域都可以見到它的身影，如自動控制原理、運動控制系統(tǒng)等控制方面，是一個常見的數(shù)學物理術語。在控制系統(tǒng)的設計過程中，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。對PID控制器參數(shù)整定有許多方式來設定，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)學模型有關聯(lián)，通過一系列的理論計算過程來準確的設定系統(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)工程實際情況來進行詳細的調(diào)整設定并改變。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，又可以細分為一下幾種：臨界比例的方法、反應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，在微機數(shù)字控制系統(tǒng)中，當采樣頻率足夠高時，可以做一下的過程來處理：第一步根據(jù)模擬控制系統(tǒng)的設計方法來對調(diào)節(jié)器進行策劃，然后再對其進行離散化，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)代高科技的運用于計算的環(huán)境，它的主要面向對象是對于那些當今的科學計算、設計程序等等。它在當今的高科技生產(chǎn)實踐中占據(jù)了領先的地位，其中最主要的原因是它的功能非常強大，比如說在數(shù)據(jù)分析方面、對電機的控制系統(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)中的應用非常廣泛。特別是在數(shù)學數(shù)值的計算的領域它發(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用軟件來說，SIMULINK擁有很多的長處，比如說：（1）適應面廣?？蓸嫵傻南到y(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、多任務離散事件系統(tǒng)。（2）它的結構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計。（3）仿真更為精細。它的運作環(huán)境下有很多的模塊，其中有不少的模塊和實際應用中的差不多，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)所學的理論上的模型，在空白的地方選擇我們電機控制系統(tǒng)的模塊。（5）如果我們選取的模塊不太恰當?shù)脑?/p>

52、，我們可以首先把那些對系統(tǒng)的結構有影響的參數(shù)給設定好。（6）然后我們再依據(jù)所學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控制系統(tǒng)考慮，把它之中的不是結構的參數(shù)給設定好。（8）我們依據(jù)以往經(jīng)驗把電機控制系統(tǒng)的仿真的開始和終止時間等待都給設定好。（9）然后很好的保存為了方便找到它我們給它取個適當?shù)拿?。?0）建立好電機控制系統(tǒng)的各個模塊之后，我們可以對它進行一定的調(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 無刷直流電機電流滯環(huán)控制系統(tǒng)各模塊的建立4.2.1 電機本體模塊我們通過分析研究了解一定的無刷電機的數(shù)學模型，我們對電機控制系統(tǒng)

53、的各個模型剖析然后我們使用SIMULINK對其進行仿真和建模，下圖4-1所示就是電機控制系統(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)器來對其進行控制的。圖4-1 無刷直流電動機控制系統(tǒng)設計框圖無刷直流電機的本體模塊是系統(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)境對電機的本體進行建模。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 無刷直流電動機本體模塊結構框圖無刷直流電機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、轉子轉速和轉子相對于定子電樞每相繞組的位置有關。當電動機不考慮電樞反應的時候，如果電機的轉速不再發(fā)生變化，那么電動機的電樞繞組反電動勢的波形就是梯形波，并且當電機帶負載的時候和不帶負載時的氣隙磁場的波形都是一樣的。 (2)無刷直流電動機M的電機本體模型 把以上三個模塊組合起來就構成了無刷直流電機的電機本體模塊，如圖4-3所示。由圖可知，電機本體模塊的輸入為三相電壓、轉速和負載轉矩，輸出為定子電樞繞組的電樞電流、三相反電動勢、電磁轉矩、轉子的轉角和轉子角速度。圖4-3

55、無刷直流電機的電機本體模塊如圖4-4所示顯示了無刷電機在采用星形兩相導通三相六狀態(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)電機轉子的位置和它的轉速的大小，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的反電勢求值方面出現(xiàn)的問題。表1 轉子位置和反電動勢之間的線性關系表轉子位置在表1中：k是電機的反電動勢系數(shù)(V/(r/min)，Pos是電機的電角度(rad)，w是電機的角速度(rad/s)。電機的反電勢我們可以通過它轉過的電角度的大小來求得。4.2.2 轉矩計算模塊如下圖4-5所示顯示了電機控制系統(tǒng)的轉矩計算模塊是可以由式（3）