BLDC調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真

BLDC調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真姓名：李業(yè)童學(xué)號(hào)：1141201070

指導(dǎo)老師：劉白楊緒論P(yáng)ID全稱為：比例、積分、微分控制。由以上三個(gè)控制環(huán)節(jié)組成的控制器的簡(jiǎn)稱PID控制器算法簡(jiǎn)單，魯棒性強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。但是隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步以及工業(yè)生產(chǎn)的復(fù)雜化，對(duì)于那些復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，但是PID控制往往需要精確的數(shù)學(xué)模型，因此PID控制已經(jīng)不能夠滿足當(dāng)今所需的生產(chǎn)要求。模糊控制技術(shù)是以模糊數(shù)學(xué)知識(shí)作為其理論基礎(chǔ)，并結(jié)合計(jì)算機(jī)與經(jīng)典控制理論等技術(shù)基礎(chǔ)而形成的一種先進(jìn)智能控制方法。模糊控制技術(shù)現(xiàn)在應(yīng)用最廣的智能控制方法之一，具有與人工智能極其類似的特點(diǎn)，但是模糊控制不具有PID那樣的精確度。因此將模糊控制和PID控制結(jié)合在一起形成模糊PI控制，能夠有效地提供精確、魯棒性強(qiáng)、適應(yīng)性較強(qiáng)的控制且不需要依賴精確的數(shù)學(xué)模型一.課題來(lái)源二.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀三.本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要工作和內(nèi)容四.仿真模型的搭建五.仿真結(jié)果與分析六.結(jié)論本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所做的工作一.課題來(lái)源直流電機(jī)具有良好的機(jī)械特性、較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、以及調(diào)速范圍非常寬、易于實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)。但是由于機(jī)械換向存在較大的機(jī)械摩擦以及火花，且直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲交大，針對(duì)直流電機(jī)換向存在的一些列問(wèn)題。20世紀(jì)60年代，以電子換向取代電刷換向的直流電機(jī)——無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）終于誕生了。隨后無(wú)刷直流電機(jī)逐漸地應(yīng)用于生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域如航天航空，電動(dòng)汽車等行業(yè)。同時(shí)，隨著無(wú)刷直流電機(jī)使用的，面臨的系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，如何能夠使無(wú)刷直流電機(jī)適應(yīng)各個(gè)復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)，對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)的控制具有重要的研究意義。二.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代以來(lái)，永磁無(wú)刷直流電機(jī)逐步取代了直流伺服電機(jī)在精確數(shù)控設(shè)備中的地位，尤其是工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)中。未來(lái)數(shù)年中，工業(yè)過(guò)程中的機(jī)器人使用會(huì)越來(lái)越廣泛，機(jī)器人需求增長(zhǎng)的速度十分驚人，而這些機(jī)器人都離不開(kāi)無(wú)刷直流電機(jī)。同時(shí)，對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)的控制，國(guó)內(nèi)研究技術(shù)仍然不成熟，大多依賴國(guó)外的控制經(jīng)驗(yàn)。如日本的電車采用了無(wú)刷直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，取得了很好的效果。綜觀國(guó)內(nèi)外無(wú)刷直流電機(jī)技術(shù)研究動(dòng)向，可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

(1)產(chǎn)品性能趨于專用化、品種趨于多樣化(2)通過(guò)結(jié)構(gòu)和工藝創(chuàng)新，生產(chǎn)趨于自動(dòng)化、規(guī)?；?，進(jìn)一步降低成本(3)無(wú)位置傳感器技術(shù)正逐步完善(4)智能控制技術(shù)逐步應(yīng)用于無(wú)刷直流電機(jī)技術(shù)中三本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要的工作和內(nèi)容

本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要工作：1.通過(guò)查找資料了解無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理以及調(diào)速方法2.了解經(jīng)典PI控制和模糊PI控制的原理和方法3.進(jìn)行仿真模塊的搭建包含：控制模塊、電機(jī)本體模塊、數(shù)據(jù)采集模塊4進(jìn)行仿真，并認(rèn)真對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析5得出結(jié)論本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容：利matlab軟件里面的simulink模塊，建立控制模塊，電機(jī)本體模塊，以及數(shù)據(jù)采集模塊。并通過(guò)經(jīng)典PI和模糊PI對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，同時(shí)在t=0.1秒時(shí)加入3N.M的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流、電壓、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的采集，并觀察。比較出模糊PI控制與經(jīng)典PI控制的優(yōu)缺點(diǎn)。無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

無(wú)刷直流電機(jī)組成部分：電機(jī)本體、位置傳感器、電子開(kāi)關(guān)線路；電機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動(dòng)機(jī)相似；電子開(kāi)關(guān)線路由功率邏輯開(kāi)關(guān)單元和位置傳感器信號(hào)處理單元兩部分組成；電子開(kāi)關(guān)線路導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，起機(jī)械換向器的換向作用。圖1無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖四.仿真模型的搭建

無(wú)刷直流電機(jī)工作原理

無(wú)刷直流電機(jī)由直流電源供電，然后通過(guò)逆變器輸出電壓使電機(jī)正常運(yùn)行，然后通過(guò)位置傳感器檢測(cè)，并將檢測(cè)信息傳輸?shù)诫娮訐Q向器上，通過(guò)邏輯換向傳輸給逆變器，同時(shí)通過(guò)檢測(cè)無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并實(shí)時(shí)地反饋給控制模塊，通過(guò)與給定值的求差，得到偏差然后通過(guò)控制器得出控制量作用于直流受控源，調(diào)節(jié)其輸出值，然后通過(guò)逆變器控制無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的調(diào)速控制。圖2無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理圖無(wú)刷直流電機(jī)電機(jī)本體模塊

TL：電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩信號(hào)輸入端；F+和F-：直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電路控制端子，分別連接勵(lì)磁電源的正負(fù)電極；A+和A-：電動(dòng)機(jī)電樞回路控制端；m為電機(jī)；電動(dòng)機(jī)信號(hào)的測(cè)試端包括：轉(zhuǎn)速（n），電流（A），電磁轉(zhuǎn)矩（Te)等；圖3無(wú)刷直流電機(jī)模塊經(jīng)典PI控制模塊

圖中3000為額定轉(zhuǎn)速；其中作差里器的-號(hào)為反饋速度；圖中PI模塊為PI控制器，包含比例和積分模塊。用于輸入調(diào)節(jié)量，輸出控制量圖中第三個(gè)模塊為：直流受控電壓源，用于輸出調(diào)解后電壓圖4經(jīng)典PI控制模塊模糊PI控制模塊

其中l(wèi)n1為轉(zhuǎn)差輸入，輸入量通過(guò)比例功率放大，作為模糊控制器一個(gè)輸入量。另外一個(gè)通過(guò)求得轉(zhuǎn)差與時(shí)間的變化求得轉(zhuǎn)差率，并作為模糊控制器的另外一個(gè)輸入量。模糊控制器采用雙輸入、輸出，同時(shí)模糊控制器的輸出量作為PI控制器的輸入量，再通過(guò)PI控制器的比例、積分環(huán)節(jié)得到控制量，輸入給直流受控電壓源。得到調(diào)節(jié)后的電壓，輸入給BLDC模塊。圖5模糊PI控制模塊電機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊

此模塊能夠?qū)崟r(shí)地采集到無(wú)刷直流電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩的圖像。圖6電機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊五.仿真結(jié)果與分析無(wú)刷直流電機(jī)仿真圖：圖7無(wú)刷直流電機(jī)仿真圖

無(wú)刷直流的電機(jī)的電壓與電流，電流在0-0.015s時(shí)電流由45A慢慢降低到0A左右，在0.1s加入3N.M轉(zhuǎn)矩之后，電流上升，幅值基本維持在4A左右。電壓在0-0.15s時(shí)電壓由0升為220V左右，在0.1S加入轉(zhuǎn)矩之后，發(fā)生細(xì)小變化，變化范圍在10V以內(nèi)。圖8無(wú)刷直流電機(jī)的電壓與電流波形

在啟動(dòng)過(guò)程中，由于電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的慣性，在啟動(dòng)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩較大。在0.015秒時(shí)基本穩(wěn)定在0N·m。在0.1S加入轉(zhuǎn)矩后，轉(zhuǎn)矩迅速在3A處穩(wěn)定。圖9無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化曲線

圖10經(jīng)典PI與模糊PI控制條件下轉(zhuǎn)速曲線啟動(dòng)過(guò)程中，經(jīng)典PI控制超出給定轉(zhuǎn)速175，超調(diào)量為5.8%，而模糊控制只超出10，超調(diào)量為0.3%。模糊PI控制達(dá)到額定轉(zhuǎn)速比經(jīng)典PI控制少70%在0.2s加入一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩后，模糊PI恢復(fù)額定轉(zhuǎn)速時(shí)間比經(jīng)典PI少85%。且恢復(fù)時(shí)，模糊PI控制超調(diào)量比經(jīng)典PI控制少?？偨Y(jié)在無(wú)刷直流電機(jī)的調(diào)速控制方面，經(jīng)典PI控制的控制效果很顯然沒(méi)有模糊PI控制的表現(xiàn)那么優(yōu)秀。同時(shí)在