永磁無刷直流電機(jī)的建模

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永磁無刷直流電機(jī)的建模

摘要

無刷直流電動機(jī)是在有刷直流電動機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的?，F(xiàn)階段，雖然各種交流電動機(jī)和直流電動機(jī)在傳動應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，但無刷直流電動機(jī)正受到普遍的關(guān)注。

自20世紀(jì)90年代以來，隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代化生產(chǎn)、辦公自動化的發(fā)展，家用電器、工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備都越來越趨向于高效率化、小型化及高智能化，作為執(zhí)行元件的重要組成部分，電機(jī)必需具有精度高、速度快、效率高等特點，無刷直流電機(jī)的應(yīng)用也因此而迅速增長。

本文就是從系統(tǒng)角度出發(fā)，將帶中線的電機(jī)模型電路化，使其更直觀與普遍；歸納了電機(jī)轉(zhuǎn)子位置榆測和開熒管規(guī)律控制規(guī)律，并在MatLab／Simuiink平臺下，建立了永磁無刷直流電機(jī)系統(tǒng)模型。系統(tǒng)模型各功能模塊相對獨立，主要由電路元件搭建，并可根據(jù)實際要求便利地進(jìn)行修改和擴(kuò)展。

關(guān)鍵詞無刷直流電機(jī)系統(tǒng)模型MatLab／Simuiink軟件

1引言

隨著無刷直流電機(jī)在伺服系統(tǒng)、電動汽車、機(jī)器人技術(shù)及家用電器等領(lǐng)域越來越

廣泛的應(yīng)用，人們對電機(jī)及其系統(tǒng)的運行分析和優(yōu)化設(shè)計也越來越關(guān)注。借助建模與仿真技術(shù)，人們可以研究、分析整個電機(jī)系統(tǒng)的各類定量關(guān)系，提取設(shè)計、分析和調(diào)試電機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)所需的信息、數(shù)據(jù)和資料。無刷直流電機(jī)的建模，現(xiàn)在主要采用定點電壓方程；而與電機(jī)本體密切協(xié)同的外圍硬件(包括轉(zhuǎn)子位置檢測和開關(guān)管觸發(fā)規(guī)律)模型卻較少提及。

電動機(jī)主要分為同步電動機(jī)、異步電動機(jī)和直流電動機(jī)三種，其中直流電動機(jī)具有運行效率高，調(diào)速性能好等優(yōu)點，但傳統(tǒng)的直流電機(jī)均采用電刷，采用機(jī)械換向因而會產(chǎn)生摩擦，由此帶來噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等弱點，而且成本高，大大限制了它的使用范圍。無刷直流電動機(jī)以電子換向代替機(jī)械換向，因此戰(zhàn)勝了這一弱點，而且它既具備交流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，維護(hù)便利等一系列優(yōu)點，又具備直流電機(jī)的運行效率高，無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等一系列優(yōu)點?，F(xiàn)在廣泛應(yīng)用于電梯、變頻空調(diào)、電動汽車、洗衣機(jī)等。

基于以上無刷直流電動機(jī)的特點，太陽能電動車一般都選用永磁無刷直流電動機(jī)。本文主要對永磁無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，以更好地研究永磁無刷電動機(jī)的特性。

1.2無刷直流永磁電動機(jī)與有刷直流永磁電動機(jī)的比較

表1-1無刷直流永磁電動機(jī)與有刷直流永磁電動機(jī)的比較項目無刷直流電動機(jī)有刷直流電動機(jī)換向借助轉(zhuǎn)自子位置傳感器由電刷和換向器進(jìn)行機(jī)實現(xiàn)電子換向械換向維護(hù)由于沒有電刷和換向器，需要周期性維護(hù)很少需要維護(hù)壽命比較長比較短機(jī)械（速度/力矩）平（硬）在負(fù)載條件下能中等平（中等硬）。在較特性在所有速度上運行高速度上運行時，電刷摩擦增加，有用力矩減小效率由于沒有電刷壓降，所以中等效率高輸出功率/外形尺寸之比由于電樞繞組設(shè)置在與中等/低。電樞產(chǎn)生的熱高機(jī)殼相連的定子上，簡單量消散在氣隙內(nèi)，這樣增散熱。這種優(yōu)異的熱傳導(dǎo)加了氣隙溫度，從而限制特性允許減小電動機(jī)的了輸出功率/外形尺寸之尺寸，所以輸出功率/外比形尺寸之比高轉(zhuǎn)自慣量低。由于永磁體設(shè)置在轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)自慣量高，限制了動態(tài)

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速度范圍電氣噪聲制造價格控制控制要求子上，改善了動態(tài)響應(yīng)比較高。沒有電刷/換向器給予的機(jī)械限制低特性比較低，存在電刷給予的機(jī)械限制電刷的電弧將對附近的設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾比較高低繁雜和價格貴簡單和價格不貴為了使電動機(jī)運轉(zhuǎn)必需對于一個固定的速度而要有控制器，但同樣的控言，不需要控制器；有變制器可用于變速控制速要求的時候才需要控制器

2永磁無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及基本工作原理2.1無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)

永磁無刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示所示，可看成由電子開關(guān)線路、電機(jī)本體和位置傳感器三部分組成。

+VT1VT3VT5U.-VT4VT6.VT2.BHaHcHb霍爾開關(guān)A圖1三相無刷直流電機(jī)主電路

直流電源功率開關(guān)永磁電機(jī)位置傳感器位置信號處理

圖2永磁無刷直流電機(jī)的原理框圖

電機(jī)本體由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子的鐵心中嵌有單相或多相對稱繞組，電樞繞組可

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以Y接獲△接。但考慮到系統(tǒng)的性能和成本，目前應(yīng)用較多的是電樞繞組Y接、三相對稱且無中性點引出的無刷直流電機(jī)。另外，傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)電樞繞組在轉(zhuǎn)子側(cè)，而無刷直流電機(jī)的電樞繞組在定子側(cè)，更有利于常用的內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)散熱。電流電機(jī)的轉(zhuǎn)子由一定極對數(shù)的永磁體鑲嵌在鐵心表面或者嵌入鐵心內(nèi)部構(gòu)成。在電機(jī)設(shè)計過程中采用瓦片形永磁體徑向勵磁并取其極弧寬度大于120°電角度，可以產(chǎn)生方波形式的氣隙磁通密度，減小扭矩波動。

位置傳感器在無刷直流電機(jī)中起著檢測轉(zhuǎn)子磁極位置、為規(guī)律開關(guān)電路提供正確換相信息的作用，即將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后去控制定子繞組換相，使電機(jī)電樞繞組中的電流隨著轉(zhuǎn)子位置的變化按一定次序換相，通過氣隙形成步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。目前在無刷直流電機(jī)中應(yīng)用的位置傳感器主要有電磁式、光電式、磁敏式等。霍爾傳感器為磁敏式位置傳感器一種，其體積小，使用便利且價格低廉。因此，在無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中一般采用霍爾位置傳感器作為轉(zhuǎn)子位置檢測轉(zhuǎn)置。

永磁無刷直流電機(jī)一般采用全橋式驅(qū)動電路，如圖1所示，常見的導(dǎo)通方式有兩兩導(dǎo)通方式和三三導(dǎo)通方式。這里采用兩兩導(dǎo)通電路，因此每一時刻電機(jī)都有兩相導(dǎo)通，第三相懸空，各相的導(dǎo)通順序與時間由位置傳感器獲得的轉(zhuǎn)子位置信號決定。定子合成磁場是一種步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)磁場，每個步進(jìn)角是60°電角度。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60°電角度時，逆變橋就進(jìn)行一次換流，定子磁狀態(tài)就改變一次。因此電機(jī)有六個磁狀態(tài)，每一狀態(tài)都是兩兩導(dǎo)通，每相繞組中連續(xù)流過電流的時間對應(yīng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120°電角度所需的時間。每一時刻都有一個上橋臂功率器件導(dǎo)通，使相應(yīng)的繞組獲得正向電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；同時又有一個下橋臂功率器件導(dǎo)通，使另一相繞組獲得反相電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，因此相應(yīng)時刻的合成轉(zhuǎn)矩是兩相繞組通電產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩之和。

2.2無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)矩分析

電機(jī)本體的電樞繞組為三相星型連接，位置傳感器與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸，控制電路對置信號進(jìn)行規(guī)律變換后產(chǎn)生控制信號，控制動信號經(jīng)驅(qū)動電路隔離放大后控制逆變器的功率開關(guān)管，使電機(jī)的各相繞組按一定的順序工作。

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圖3無刷直流電動機(jī)工作原理示意圖

如圖3所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（順時針）到圖a所示的位置時，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號經(jīng)控制電路規(guī)律變換后驅(qū)動逆變器，使T1、T6導(dǎo)通，即A、B兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng)T1流入A相繞組，再從B相繞組流出，經(jīng)T6回到電源的負(fù)極，此時定轉(zhuǎn)子磁場相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動。

當(dāng)轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過60電角度，到達(dá)圖b所示位置時，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號經(jīng)控制電路規(guī)律變換后驅(qū)動逆變器，使T1、T2導(dǎo)通，A、C兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng)T1流入A相繞組，再從C相繞組流出，經(jīng)T2回到電源負(fù)極。此時定轉(zhuǎn)子磁場相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動。

轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過60電角度，逆變器開關(guān)就發(fā)生一次切換，功率開關(guān)管的導(dǎo)通規(guī)律為T1、T6—T1、T2—T3、T2—T3、T4—T5、T4—T5、T6—T1、T6。

在次期間，轉(zhuǎn)子始終受到順時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩作用，沿順時針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過60電角度，定子繞組就進(jìn)行一次換流，定子合成磁場的磁狀態(tài)就發(fā)生一次躍變。可見，電機(jī)有6種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導(dǎo)通，每相繞組的導(dǎo)通時間對應(yīng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120電角度。無刷直流電動機(jī)的這種工作方式叫兩相導(dǎo)通星型三相六狀態(tài)，這是無刷直流電動機(jī)最常用的一種工作方式。

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2.3無刷直流電動機(jī)與輸出開關(guān)管換流信號

無刷直流電動機(jī)的位置一般采用三個在空間上相隔120電角度的霍爾位置傳感器進(jìn)行檢測，當(dāng)位于霍爾傳感器位置處的磁場極性發(fā)生變化時，傳感器的輸出電平將發(fā)生改變，由于三個霍爾傳感器位檢測元件的位置在空間上各差120電角度，因此從這三個檢測元件輸出端可以獲得三個在時間上互差120度、寬度為180度的電平信號，分別用A、B、C來表示，如圖4所示，以信號A為例，A相位置寬度為180電導(dǎo)角：在0-60度，T1必需導(dǎo)通，故T1狀態(tài)為1，而C相還剩下60度通電寬度，所以此段時間為T1和T6等于1，（此時下部可供導(dǎo)通的管子為T4、T6和T2，而為避免橋臂直通，T4不能導(dǎo)通；T2的導(dǎo)通時間未到，故只能是T6導(dǎo)通）；而在60度—120度，此時只有A相通電，B和C相處于非導(dǎo)電期，故導(dǎo)通的開關(guān)管為T1和T2（T1和T2等于1），其中T2是為B相導(dǎo)電作準(zhǔn)備；而在120度—180度時，由于每一相只有120電導(dǎo)角導(dǎo)電時間，故此時T1關(guān)斷（T1=0），T2依舊導(dǎo)通（B相開始進(jìn)入導(dǎo)電期），此時可知，T1關(guān)斷，T5不能開通（防止橋臂直通），則此時只能開通T3，所以T3信號此時間段為1。其他時間段的開關(guān)管導(dǎo)通狀況與此類似。

理論上，只要保證三個位置傳感器在空間上互差120度，開關(guān)管的換流時刻總是可以推算出來的。然而，為了簡化控制電路，每個霍爾傳感器的起始安裝位置在各自相繞組的基準(zhǔn)點（r0=00）上.那么在r0=00的控制條件下，A相繞組開始通電的時刻（即該相反電勢相位30度位置）恰好與A相位置傳感器輸出信號A的電平跳變時刻重合，此時應(yīng)將T1開關(guān)管驅(qū)動導(dǎo)通。同理，其他開關(guān)管的導(dǎo)通時刻也可以按同樣方法確定。

本設(shè)計選用的是三相無刷永磁直流電動機(jī)，其額定電壓UH=36V,電樞額定電流IaH=8.5A,電樞峰值電流IaP?15A,額定轉(zhuǎn)速nH=350r/min,額定功率PH=250W。

圖4無刷電動機(jī)位置檢測及開關(guān)管驅(qū)動信號

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旋轉(zhuǎn)方向正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)表1-1無刷電動機(jī)直流通電控制方式開關(guān)切換表位置傳感器逆變橋開關(guān)管驅(qū)動信號ABCT1T2T3T4T5001000010100011001100011100110001011000011001100001011000101000001111000100000111010011011000001T61000100100013永磁無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

以二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)為例分析BLDC的數(shù)學(xué)模型及電磁轉(zhuǎn)矩等特性為了便于分析假定(1)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(2)忽略齒槽換相過程和電樞反應(yīng)等的影響(3)電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布(4)磁路不飽和不計渦流和磁滯損耗。

以兩極三相無刷直流電機(jī)為例，電機(jī)定子繞組為Y接集中整距繞組，轉(zhuǎn)子采用隱極內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，3個霍爾傳感器在空間相隔120°對稱放置。忽略電機(jī)鐵心飽和齒槽效應(yīng)，不計電樞反應(yīng)，驅(qū)動逆變電路的功率管和續(xù)流二極管均具有理想的開關(guān)特性。

3.1定子電壓方程

由以上的假設(shè)條件，無刷直流電機(jī)每相繞組的相電壓由電阻壓降和繞組感應(yīng)電勢兩部分組成，其定子電壓平衡方程為

?Ua??Ra???Ub?0?????Uc????00Rb00??ia??La???d?0ib?L???dt?ba?Rc????ic???LcaLabLbLcbLac??ia??ea??????Lbcib?eb?????Lc????ic????ec??(2-1)

式(2-1)中，ea、eb、ec為各相定子反電動勢，ia、ib、ic為各相定子電流，Ua，Ub，Uc為定子各相電壓，Ra，Rb，Rc為定子各相繞組電阻，La，Lb，Lc為定子各相繞組自感，Lab，Lac，Lba，Lbc，Lca，Lcb為定子間各相繞組的互感，由于無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體。假設(shè)無刷直流電機(jī)三相繞組對稱，忽略磁阻間的影響，則可以認(rèn)為定子各相繞組間互感為常數(shù)，即La?Lb?Lc?Ls，Ra?Rb?Rc?RLab?Lac?Lba?Lbc?Lca?Lcb?M，

。則式(2-1)改寫為

6

?Ua??R???Ub?0?????Uc????00R00??ia??Ls???d?0ib?M???dt??R????ic???MMLsMM??ia??ea??????Mib?eb?????Ls????ic????ec??(2-2)

由ia?ib?ic?0，Mia?Mib?Mic?0，代入式(2-2)，整理可得

?Ua??R???Ub?0?????Uc????00R00??ia??L???d?0ib?0???dt??R????ic???00L00??ia??ea??????0ib?eb?????L????ic????ec??(2-3)

式(2-3)中L?Ls?M。圖2-3虛線框部分所示即為電子電樞部分等效電路。

3.2反電勢動方程

在物理學(xué)當(dāng)中，在磁場中單根導(dǎo)體切割磁力線運動產(chǎn)生的電動勢e為

e?Blv(2-4)

其中，B、l分別為磁場強(qiáng)度和導(dǎo)體在磁場中運動有效長度，v為導(dǎo)體在垂直于磁感線運動的線速度。在無刷直流電機(jī)中，轉(zhuǎn)速n與v的關(guān)系為式(2-5)，R?為繞組旋轉(zhuǎn)半徑。

v?2?R?n60(2-5)

假設(shè)直流電機(jī)繞組每一相的匝數(shù)為W?，由于每一相有兩根導(dǎo)體，所以每一相繞組的總感應(yīng)電動勢為

E??2eW?

(2-6)

將式(2-4)(2-5)代入式(2-6)，則轉(zhuǎn)速n與總感應(yīng)電動勢E?的關(guān)系為

E??Bl?R?W?15n(2-7)

在電機(jī)設(shè)計制造成型以后l，R?，W?均為固定值。

3.3電磁轉(zhuǎn)矩方程

直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是指電機(jī)在正常運行時，電樞繞組流過電流，這些載流導(dǎo)體在磁場中受力所形成的總轉(zhuǎn)矩。設(shè)無刷直流電機(jī)的電流峰值為：Ip，電動勢峰值為Ep，繞組只有兩一致時導(dǎo)通，當(dāng)從IPM直流側(cè)看，兩相繞為串聯(lián)，所以電磁功率為

Pm?2EpIp。忽略換相過程的影響，無刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為

Te?Pm?1np?2npEpIp?1?2np?pIp

(2-8)

式(2-8)中，?p為電機(jī)電磁磁鏈的峰值。由(2-8)式可知，無刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電流Ip成正比關(guān)系，與普通的直流電機(jī)的關(guān)系一樣錯誤！未找到引用源。。

3.4運動方程

Te?TL?Z??Jd?dt(2-9)

式(2-9)中，Te、TL分別為電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩(Nm)，?為電機(jī)角速度，Z為黏滯摩擦系數(shù)

7

(N·m·s)，J為電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量(kg·m2)錯誤！未找到引用源。。

4永磁無刷直流電機(jī)運行特性4.1機(jī)械特性

機(jī)械特性是指在直流電壓Ud不變的狀況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。將式(2-7)代入式(2-3)，則得無刷直流電機(jī)的機(jī)械特性方程式(2-10)，整理后得(2-11)。

n?15Bl?R?W?n?(U?R?I?L?dIdt)

(2-10)

30KTUd?2RTe?keKT

(2-11)

式(2-11)中，KT為電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)，ke為線反電勢系數(shù)，Ud?Uab?Ubc?Uca。

由式(2-11)可得不同直流母線電壓下無刷直流電機(jī)的機(jī)械特性曲線，如圖5所示，圖中Ud1?Ud2?Ud3?Ud4。

nUd1?Ud2?Ud3?Ud4Ud1Ud2Ud3Ud4oTe

圖5無刷直流電機(jī)機(jī)械特性示意圖

式(2-11)表示的是直線方程，但實際由于電機(jī)損耗中的可變部分以及電樞反應(yīng)影響，機(jī)械特性曲線只是近似直線。如圖5所示，在一定的直流母線電壓下，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨電磁轉(zhuǎn)矩的增加自然下降，Ud越大縱軸截距越大，即曲線向上平移。由于無刷直流電機(jī)采用電力電子器件實現(xiàn)電子換向，這些器件尋常都具有非線性的飽和特性，在堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩附近，隨著電樞電流增大，管壓降增加較快，所以機(jī)械特性的末端會有明顯的向下彎曲

錯誤！未找到引用源。

。

無刷直流電機(jī)的機(jī)械特性與普通他勵直流電機(jī)機(jī)械特性相像，改變直流母線電壓的大小就可以改變機(jī)械特性上的空載點。因此，無刷直流電機(jī)尋常采用PWM調(diào)制等方式進(jìn)行調(diào)速。

4.2調(diào)理特性

調(diào)理特性是指電磁轉(zhuǎn)矩不變的狀況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速和直流電壓Ud之間的變化關(guān)系。不計功率器件損耗，穩(wěn)態(tài)運行時

Ud?raI?KTI?TL?

?30kenZn

(2-12)(2-13)

?308

n?3030KTke??raZ?KTUd?ra?TL?

(2-14)

由式(2-14)，可得不同電磁轉(zhuǎn)矩下無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速隨Ud變化的曲線，如圖6所示，圖中Te1?Te2?Te3?Te4。

由圖6可見，調(diào)理特性存在死區(qū)，當(dāng)Ud在死區(qū)范圍內(nèi)變化時，電磁轉(zhuǎn)矩不足以戰(zhàn)輸贏載

轉(zhuǎn)矩使電機(jī)啟動時，電機(jī)轉(zhuǎn)速始終為零。當(dāng)Ud大于門限電壓，超出死區(qū)范圍時，電機(jī)才能起轉(zhuǎn)并達(dá)到穩(wěn)態(tài)，Ud越大穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速也越大。由于存在摩擦力，調(diào)理特性曲線組不會過原點錯誤！未找到引用源。。

nTe1?Te2?Te3?Te4Te1Te2Te3Te4oUd

圖6無刷直流電機(jī)調(diào)理特性示意圖

4.3工作特性

電樞電流與輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系、效率輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系如圖7所示。

圖7工作特性

在輸出額定轉(zhuǎn)矩時,電機(jī)效率高、損耗低是無刷直流電動機(jī)的重要特點之一

5無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型的建立5.1電機(jī)本體模塊

電機(jī)本體可直接調(diào)用Matlab/SimPowerSystems中的永磁同步電機(jī)模塊，它是依據(jù)無刷直流電機(jī)的相電壓方程，轉(zhuǎn)矩方程和運動方程得到的。

5.2換相模塊

無刷直流電機(jī)正常工作時每一瞬間有且僅有兩只功率開關(guān)閉合、兩相繞組通電；

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系統(tǒng)共有六種工作狀態(tài)，經(jīng)六次換流完成一次循環(huán)；每次換流時總是保持當(dāng)前閉合著的兩只開關(guān)中的一只仍為閉合狀態(tài)而僅斷開另一只；繞組換流一次，轉(zhuǎn)子將順向（A→B→C→A）或逆向（C→B→A→C）旋轉(zhuǎn)60°電角度。不管無刷直流電機(jī)有多少極，在分析時只需考慮360°電角度空間即一對極的狀況。當(dāng)霍爾開關(guān)安放于線圈邊的首端A、B、C所在槽之中心線位置時，依“圖示法〞可得霍爾信號與功率開關(guān)切換、電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向之間的關(guān)系如表1所示。

順向旋轉(zhuǎn)HHH100VT1,VT2通

110VT2,VT3通

010VT3,VT4通

011VT4,VT5通ABC逆向旋轉(zhuǎn)VT5,VT4通VT6,VT5通VT1,VT6通VT2,VT1通VT3,VT2通VT4,VT3通

VT5,VT6通VT6,VT1通001101

表1-2霍爾信號與功率開關(guān)切換關(guān)系表

利用Matlab/Simulink仿真表1-2中的“順向旋轉(zhuǎn)〞如圖8所示，逆向旋轉(zhuǎn)的仿真圖同理，其規(guī)律圖如圖9所示。

圖8霍爾信號與功率開關(guān)切換仿真圖

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emf_a00-1-1+1+100emf_b0-1+100-1+10emf_c0+10+1-10-10Q10000+1+100Q200+1+10000Q300+1000+10Q40+1000+100Q50+10+10000Q60000+10+10

圖9換相規(guī)律圖

5.3無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型

控制系統(tǒng)的模型如圖10所示，設(shè)計電機(jī)參數(shù)為：相電阻r=1?，L-M=3.5mH，J=0.005kg.m，

阻尼系數(shù)B=0.0002N.M.S/rad，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為600r/min，

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圖10無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型

運行結(jié)果如下圖：

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圖11空載時相電流與時間的關(guān)系

圖12空載時電磁轉(zhuǎn)矩與時間的關(guān)系

圖130.025s加6N·m的負(fù)載轉(zhuǎn)矩

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圖14負(fù)載時相電流與時間的關(guān)系

圖15負(fù)載時電磁轉(zhuǎn)矩與時間的關(guān)系

經(jīng)過對直流電機(jī)的仿真，可以知道在不同檔的轉(zhuǎn)速下所需要的轉(zhuǎn)矩大小，以及在不同負(fù)載下的工作特性。最主要的是可以知道在不同狀況下所需電源電壓大小，從而為電路的優(yōu)化設(shè)計特供數(shù)據(jù)參考。

5.4無刷直流電動機(jī)的應(yīng)用與研究動向

現(xiàn)階段，雖然各種交流電動機(jī)和直流電動機(jī)在傳動應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，但無刷直流電動機(jī)正受到普遍的關(guān)注。自20世紀(jì)90年代以來，隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代化生產(chǎn)、辦公自動化的發(fā)展，家用電器、工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備都越來越趨向于高效率化、小型化及高智能化，作為執(zhí)行元件的重要組成部分，電機(jī)必需具有精度高、速