hslogic算法仿真--永磁無刷直流電機

1、永磁無刷直流電機一、簡介無刷直流電機（Brushless DC Motor,以下簡稱BLDC）是隨著電力 電子技術(shù)及新型永磁材料的發(fā)展而迅速成熟起來的一種新型電機。以其體積小、重量輕、效率高、慣量小和控制精度高等優(yōu)點，同時還保留了普通直流電動機優(yōu)良的機械特性，廣泛應(yīng)用于伺服控制、數(shù)控機 床、機器人等領(lǐng)域。近年來，隨著無刷直流電機應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大, 各種控制算法和控制策略也相繼出現(xiàn).。為了便于理論分析和驗證各 種控制算法和策略，建立正確的無刷直流電機模型就顯得非常重要。 利用Matlab軟件下的Simulink仿真工具，實現(xiàn)了對無刷直流電機控 制系統(tǒng)的仿真，并給出了實例仿真結(jié)果。鑒于以上原因，

2、本文通過推 導(dǎo)給出了無刷直流電機的數(shù)學(xué)模型，并借助Matlab建立了其仿真模型，通過仿真證明了該模型的正確性和合理性。二、永磁無刷直流電機的構(gòu)成從廣義的電機概念看，永磁無刷直流電機由三大部分組成： 電機 本體、位置檢測器、直一交無源逆變器。若與原有直流電動機一一對 應(yīng)，則永磁體構(gòu)成的轉(zhuǎn)子與原直流電機的定子相對應(yīng)，其作用是產(chǎn)生一個恒定的氣隙磁場。由位置檢測器與逆變器一起構(gòu)成一個電子換向 器，取代原直流電動機的機械接觸式換向裝置?？刂葡到y(tǒng)是調(diào)速系統(tǒng) 的組成部分。三、永磁無刷直流電機的數(shù)學(xué)模型假定無刷直流電機工作在二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)下，反電勢波形是平頂寬度為120電角度的梯形波.電機在工作過程中

3、磁路不飽 和，不計渦流和磁滯損耗，三相繞組完全對稱，氣隙磁場為方波，定子 電流、轉(zhuǎn)子磁場分布皆對稱，電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布。設(shè)ua ,u b ,u c為定子相繞組電壓;l a ,l b ,l c為定子相繞組電流;ea ,eb ,ec為定子相繞組電動勢;L每相繞組的自感；M為每兩相繞組間的互感；p為微分算子,p = d/ d t,則三相繞組的電壓平衡方程可表不為：ub =:Uc1一000 010a1r 0 lb + M0 r_ 一MMl la! AM p*L當(dāng)三相繞組為星形連接，且沒有中線則有:la lb 1c =0且Mlb Mlc :-Mla b ca化簡可得電壓方程為:a b c

4、u u u_r o o,0L -M0電機的等效模型為電磁轉(zhuǎn)矩方程為：丁 1,.、Te = -（eala 山一%）機械運動方程式可表示為：_ _ d - Ti四、系統(tǒng)建模與仿真根據(jù)永磁無刷直流電機的電壓方程和等效電路，在Matlab的SIMULINK環(huán)境下，利用電力系統(tǒng)仿真模塊中豐富的模塊庫， 可建立 如下圖所示的永磁無刷直流電機模型。該三相電機的額定運行工況為 1kW, 500V直流，3000r/ mln。由六階電壓逆變器供電。調(diào)速器用于控制直流母線電壓。逆變器的驅(qū)動 信號由霍爾元件信號編碼形成。三相逆變器的輸出電壓施加于永磁塊的定子繞組。負載轉(zhuǎn)矩初始值是0,在0.1s時突加負載轉(zhuǎn)矩為11Nm

5、c兩個控制回路被使用。內(nèi)部控制回路是在電動勢改變時，同步改 變逆變器的驅(qū)動信號。外部控制回路采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)速， 轉(zhuǎn)速環(huán)由PI調(diào)節(jié)器組成，轉(zhuǎn)速跟隨給定的參考值而變化，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。1、電源和逆變器模塊電源采用M atlab中的受控電壓電源模塊，具值的大小與速度差 值的PI輸出成正比例關(guān)系。DC bus voltage0020 040.0EhL0140.1 S由上圖可見，該控制系統(tǒng)是一個有靜差的閉環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)在0.12s具有穩(wěn)定輸出，該直流輸出電壓作為逆變器的DC輸入端。逆變器采用多功能橋式電路模塊，設(shè)置為 MOSFET功率開關(guān)器件。將電流調(diào)節(jié)PWM模塊和邏輯模塊邏輯與，就可以產(chǎn)生 6路脈沖

6、 信號，控制MOSFET的開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而產(chǎn)生三相端電壓輸出該輸出電壓理想情況為標(biāo)準(zhǔn)正弦輸出，比較實際輸出電壓可知該逆變器輸出電壓能很好的符合要求2、電機本體模塊永磁同步電動機模塊可用于發(fā)電機模式和電動機模式。 運作方式 是由機械轉(zhuǎn)矩的符號描述的（正號代表電動機模式，符號代表發(fā)電機模式）該機器的電氣和機械部分各由一個二階狀態(tài)空間模型描述。正 弦模型假定定子永磁體產(chǎn)生的磁通量為正弦波， 這意味著所形成的電 動勢也是正弦波。對于梯形模型，模型假定永磁體建立三個梯形反電動勢波形0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 政的0 420 至0 J8O

7、 510 540 570 600 63。做 690 7200 30 60 90 120 150 180 210 240 2M 30C 536 360 390 420 A5d 480 5f0 幺。570 600 630 660 的0 7J0 日日Fitikgi3、速度控制模塊速度控制模塊如上圖所示，上輸入為給定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的差值，通過一個限幅的PI調(diào)節(jié)器，輸出參考電流幅值Is。其中Kp為比 例調(diào)節(jié)系數(shù)，Ki為積分調(diào)節(jié)系數(shù)，飽和限幅模塊將輸出的參考電流 幅值限定在要求的范圍內(nèi)。4、驅(qū)動控制模塊BLDCM控制系統(tǒng)中逆變器的可靠換相是通過 BLDCM內(nèi)部的轉(zhuǎn)子位置信號進行控制的。利用BLDCM的霍爾

8、信號的位置和 PWM來控制逆變器各功率開關(guān)導(dǎo)通驅(qū)動控制模塊主要由解碼器和門驅(qū)動信號生成模塊組成。其中解 碼器將霍爾信號轉(zhuǎn)換為三相電動勢信號，該電動勢信號由三相組成, 每相電動勢信號有+1,-1, 0三種取值，而三相電動勢信號也包含了這三種取值。其轉(zhuǎn)換關(guān)系如下所示HallThia mcdule ifnplements th& fsllzirg true tablehs | hb | he | emf_a | emf_b | emf_c0Q00000013-1+1010-1+10011-10100+ 10*1101+ 1*101100+ 1*111tD0驅(qū)動信號生成模塊是利用三相電動勢信號形成逆變

9、器各功率開關(guān)的驅(qū)動信號，其轉(zhuǎn)換關(guān)系是This module implemerits the following true table其中Q1Q6代表逆變器六個功率開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)，1代表導(dǎo)通， 0代表開斷。每一時刻有兩個功率開關(guān)導(dǎo)通，一個上橋臂導(dǎo)通一個下 橋臂導(dǎo)通。五、仿真結(jié)果從仿真波形可以看出，在給定的參考轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)響應(yīng)快速而且平 穩(wěn)，相電流和反電動勢波形較為理想。系統(tǒng)空載起動時 ，電磁轉(zhuǎn)矩在很 短的時間內(nèi)進入穩(wěn)定狀態(tài)，忽略系統(tǒng)的摩擦轉(zhuǎn)矩，此時的電磁轉(zhuǎn)矩均值 為0。t = 0. 1 s時突加負載，轉(zhuǎn)速突降，但很快又恢復(fù)到平衡狀態(tài)，系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力。如圖所示突加負載后，轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩有一定的脈動，這主要是由電流換向引起的。仿真結(jié)果符合理論分析 ，表明該仿真系統(tǒng)具有良好的動態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)。Rotor speed (rpm)350025002000150010000.020.12轉(zhuǎn)速波形: 11jfr/,/:,P - +8f