無刷直流電機(論文設計)

1緒論無刷直流電機[1]〔BrushlessDCMotor,簡稱BLDCM〕用電子換相取代了直流電機的機械換相，把永磁材料做成轉子，省去了電刷，因而它具有很強的生命力。無刷直流電機的驅動電路能比擬容易的獲得方波，反響裝置簡單，功率密度高，輸出轉矩大，控制結構簡單，使得BLDCM的應用比直流電機要廣泛得多。1.1課題研究目的與意義一個世紀以來，電機作為機電能量轉換裝置，其應用已普及國民經(jīng)濟的各個領域以及人們的日常生活中。眾所周知，直流電機具有運行效率高和調速性能好等諸多優(yōu)點，但是傳統(tǒng)的直流電機均采用電刷，以機械方法進行換向，因而存在機械摩擦，由此帶來噪聲、電火花、無線電千擾以及壽命短等致命弱點，再加上制造本錢高及維修困難等缺點，從而大大地限制了它的應用范圍，致使目前工農業(yè)生產(chǎn)上，大多數(shù)采用三相異步電機。無刷直流電機既具備傳統(tǒng)直流電機運行效率高、調速性能好、無勵磁損耗的優(yōu)點，又具有結構簡單、運行可靠、維護方便等獨特的優(yōu)勢，特別是與傳統(tǒng)直流電機相比，無刷直流電機不采用電刷進行換相，因而不存在機械換相帶來的諸多缺點，故在許多高科技領域中應用越來越廣泛。在軍事裝備領域，使用無刷直流電機能更好地滿足快響應、高精度的要求。對常規(guī)武器如雷達的天線控制系統(tǒng)、高射武器的自動跟蹤系統(tǒng)等，這些隨動系統(tǒng)必須具備很高的角速度、角加速度和很高的跟蹤精度，快速跟蹤和準確定位是兩個重要的技術指標，其控制器的好壞直接影響著裝備戰(zhàn)術技術性能，因此，如何使隨動系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、可靠性高、響應速度快、跟蹤精度高等特點成為研究隨動系統(tǒng)的關鍵。近十年來，用高新技術武裝的各種新型武器如戰(zhàn)術導彈、隱形飛機、武裝直升機等空中武器不斷涌現(xiàn)，其目標識別能力、隱蔽程度、目標命中精度均大大提高，這給武器隨動系統(tǒng)提出了新的要求。在民用領域，隨著現(xiàn)代電力電子技術、傳感器技術、精密機械技術、自動控制技術以及人工智能技術等高新技術的開展，對電動機的要求從過去簡單的提供動力開展到精確控制，從而促進了電動機與電子產(chǎn)品緊密結合的機電一體化產(chǎn)品的開展，如激光加工、機器人、數(shù)控機床、柔性制造系統(tǒng)等。在這些高科技領域中，無刷直流電機作為當今效率最高的調速電機之一，得到了非常廣泛的應用。無刷直流電機的調速性能優(yōu)越、體積小、重量輕、效率高、轉動慣量小、不存在勵磁損耗問題，不僅保持了傳統(tǒng)直流電動機良好的動、靜態(tài)調速特性，而且結構簡單、運行可靠、易于控制。隨著無刷直流電機的應用范圍日益擴大，其應用己經(jīng)從最初的軍事工業(yè)，向航空航天、醫(yī)療、信息、家電以及工業(yè)自動化領域迅速開展。因此，直流無刷電機的應用和研究受到了高度的重視，憑其技術優(yōu)勢在許多場合取代了其它種類的電動機，越來越多地應用于國民經(jīng)濟生活的各個領域中，顯示出了廣泛的應用前景。因此，對無刷直流電動機本體及其控制且在控制過程中出現(xiàn)的問題進行系統(tǒng)、深入的研究有著非常重要的理論和現(xiàn)實意義無刷直流電機控制策略選擇的好壞直接關系到控制系統(tǒng)的性能，對于控制系統(tǒng)來說有三個根本要求:穩(wěn)、準、快。其中“穩(wěn)”是最根本的要求，“準”是穩(wěn)態(tài)要求(穩(wěn)態(tài)誤差要小)，“快”是動態(tài)要求(超調量要小，調節(jié)時間要短)。目前在實際生產(chǎn)和應用中，無刷直流電機的調速控制一般都采用傳統(tǒng)的PID控制，PID控制是最早開展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應用于工業(yè)控制過程中，但無刷直流電機調速系統(tǒng)是一個多變量、強禍合的非線性系統(tǒng)，隨著對無刷直流電機調速性能要求的提高，采用傳統(tǒng)的控制方法已經(jīng)很難得到令人滿意的結果。因此，研制高性能的無刷直流電機控制器成為一項普遍關注的課題。1.2國內外研究概況綜述1955年，美國D.哈利森等人首次申請了應用晶體管換向代替電機機械換向器換向的專利，這就是現(xiàn)代直流無刷電機的雛形[2]。此后又經(jīng)過人們多年的努力，借助霍爾元件來實現(xiàn)換向的直流無刷電機終于在1962年問世。80年代以來，微電子技術和電力電子技術在各自開展的根底上相結合產(chǎn)生了高頻化全控型器件，從而使電力電子技術的開展進入了一個新的階段，新的電力電子器件使電路的控制性能大為改善，使以前難以實現(xiàn)的功能也得以實現(xiàn)。目前，電力電子裝置朝著集成化的方向開展，把驅動、控制、保護電路和功率器件集成在一起，便構成了功率集成電路，這些使得電機的驅動電路體積更小且設計簡化。電力電子工業(yè)的開展，使半導體大功率管的價格不斷下降而其性能卻不斷提高，這些都將使無刷直流電機的應用更加普及[3]。隨著科技的開展，無刷直流電機的控制器經(jīng)歷了模擬控制系統(tǒng)、模擬數(shù)字混合控制電路、數(shù)字控制系統(tǒng)等階段。傳統(tǒng)的無刷直流電機控制器一般由模擬器件以硬接線的方式構成。然而模擬元件的物理特性決定了它們具有一些本質上的缺陷，例如元器件的老化和溫漂問題等，由于采用了硬接線，系統(tǒng)升級困難，使它很難滿足現(xiàn)代電子系統(tǒng)的設計要求。因此，數(shù)字控制系統(tǒng)應運而生，最初的數(shù)字控制系統(tǒng)都是以單片機為主控芯片，單片機的種類很多，其中以51系列、96系列單片機最為普遍。在單片機控制系統(tǒng)開展的同時，一些廠家開發(fā)出了電機控制專用芯片，如用于無刷直流電機控制的UCC3626、摩托羅拉高性能微控制器中的智能化外圍模塊MC33039等。這類芯片價格廉價，執(zhí)行速度快，但是所能實現(xiàn)的控制功能簡單，難以滿足高性能控制場合的需要。從目前的開展趨勢來看，以雙閉環(huán)控制代表無刷直流電機控制器的開展方向。在過去20多年的時間里，直流無刷電機在國際上己得到較為充分的開展，控制技術已經(jīng)比擬成熟。由于無刷直流電機的應用前景廣闊，各國都加快對無刷直流電機新產(chǎn)品開發(fā)的速度和占領市場的力度，尤其美國和日本具有較先進的無刷直流電機制造和控制技術。日本在民用方面比擬突出，而美國那么在軍用方面更加先進。在我國，無刷直流電機的開展時間較短，但隨著技術的日益成熟與完善也得到了迅猛的開展。我國直流無刷電機的研制工作始于二十世紀70年代初期，主要集中在一些科研院所和高等院校。限于我國元器件水平及相關理論與實踐相結合的程度還比擬低，尤其是制造工藝和加工設備距離國際水準差距較大，所以目前我國無刷電機綜合水平仍低于國際水平，有待進一步的研究和開發(fā)。我國的無刷直流電機也已在航模、醫(yī)療器械、家用電器、電動車等多個領域得到廣泛應用，并在深圳、長沙、上海等地形成初具規(guī)模產(chǎn)業(yè)鏈，在技術上不斷推進行業(yè)開展。但是，中國在無刷直流電機產(chǎn)業(yè)的開展過程中出現(xiàn)了不少問題，許多情況不容樂觀，如產(chǎn)業(yè)結構不合理、產(chǎn)業(yè)集中于勞動力密集型產(chǎn)品;技術密集型產(chǎn)品明顯落后于興旺工業(yè)國家;生產(chǎn)要素決定性作用正在削弱;產(chǎn)業(yè)能源消耗大、產(chǎn)出率低、環(huán)境污染嚴重、對自然資源破壞力大;企業(yè)總體規(guī)模偏小、技術創(chuàng)新能力薄弱、管理水平落后等。當今，世界對無刷直流電機的研究熱點主要集中在以下三個方面:(l)從電機設計和控制策略等方面出發(fā)，研究無刷直流電機轉矩波動抑制方法，提高其伺服精度，擴大其應用范圍;(2)設計可靠、小巧、通用性強的集成化無刷直流電機控制器;(3)研究無位置傳感器控制技術以提高系統(tǒng)的可靠性，并進一步縮小電機控制系統(tǒng)的尺寸與重量。1.3論文的主要內容本文對無刷直流電機的控制策略和轉矩脈動等問題進行研究，內容主要由以下幾局部組成:〔1〕論述了本文的研究目的，內容以及研究意義?！?〕概述了無刷直流電機的根本結構、工作原理和數(shù)學模型?！?〕介紹了無刷直流電機的控制策略的選擇。〔4〕在Matlab/Simulink中建立無刷直流電機模型。〔5〕通過Matlab/Simulink進行仿真，并對實驗結果進行詳細的分析?！?〕對全文進行總結分析，得出了論文的結論。2無刷直流電機的數(shù)學模型無刷直流電機一般由電子換相電路、轉子位置檢測電路和電動機本體三局部組成，不同類型的結構和驅動方式可以有多種組合。電子換相電路一般由控制局部和驅動局部組成，而對轉子位置的檢測可以通過用傳感器的方法或無位置傳感器技術進行確定。工作時，控制器根據(jù)測得的電機轉子位置有序的觸發(fā)驅動電路中的各個功率管，進行有序換流，以驅動直流電動機運行。2.1無刷直流電機的根本結構和工作原理2.1.1無刷直流電機的根本結構無刷直流電機的設計思想來源于有刷直流電機，但無刷直流電機與有刷永磁直流電機的結構剛好相反，電樞繞組在定子上，而永磁磁鋼在轉子上。使用位置檢測電路、電子換相電路來共同構成電子換相裝置，使得無刷直流電機在運行過程中定子繞組所產(chǎn)生的電樞磁場與轉動中的轉子磁鋼產(chǎn)生的永磁磁場，在空間上始終保持在900左右的電角度，以輸出最大轉距，牽引轉子及負載旋轉。所以，無刷直流電機的根本結構可以認為由電機本體、電子換相電路以及位置檢測電路共同組成[4]如圖2-1。直流電源直流電源功率電子換相電路電機本體位置檢測器圖2-1無刷直流電機系統(tǒng)根本結構圖電機本體的主要部件有定子和轉子。無刷直流電機的轉子磁極采用瓦形磁鋼，經(jīng)專門的磁路設計，可獲得梯形的氣隙磁場，定子采用集中整距繞組，因而感應的電動勢也是梯形的。無刷直流電機的內轉子式，定子電流導通狀態(tài)是A相和C相導通，B相關閉。電樞繞組在定子側，有利于常用的的內轉子無刷直流電機散熱?！?〕定子是電機本體的靜止局部，由導磁的定子鐵心、電樞繞組、及絕緣材料等局部組成。其中，定子繞組是電機本體的一個重要局部。當電機接上電源后，電流流入繞組，產(chǎn)生磁動勢，與轉子產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生電磁轉矩。當電機帶著負載轉動起來后，便在繞組中產(chǎn)生反電動勢，吸收一定的電功率，并通過轉子輸出機械功率，從而實現(xiàn)能量從電功能轉換成機械能的過程?！?〕轉子轉子式電機的轉動局部，是產(chǎn)生勵磁磁場的部件，由一定的極對數(shù)的永磁體嵌在鐵心外表或嵌入鐵心內部構成。目前，永磁體多采用錢鐵硼等高矯頑力、高剩磁感應密度的稀土永磁材料制作而成。就轉子結構看，有凸裝式、嵌入式和內埋式三種根本形式，前兩種統(tǒng)稱為外裝式結構。外裝式結構可使轉子做得直徑小、慣量低，特別是將永磁體直接貼接在轉軸上，還可以獲得低電感，有利于改善動態(tài)性能。而內埋式結構機械強度高、磁路氣隙小，與外裝式結構相比，更適用于弱磁運行。2.1.1無刷直流電機的的工作原理直流電源通過開關電路向電動機定子繞組供電，位置傳感器隨時檢測到轉子所處的位置，并根據(jù)轉子的位置信號來控制開關管的導通和截止，從而有效地控制哪些繞組通電，哪些繞組斷電，實現(xiàn)電子換向。電子換相電路的作用是將位置傳感器的輸出信號進行解調、預放大、功率放大，然后去觸發(fā)末級功率管，使電樞繞組按照一定的邏輯順序供電，保證電機的可靠運行。普通直流電動機的電樞在轉子上，而定子產(chǎn)生固定不動的磁場。為了使直流電動機旋轉，需要通過換向器和電刷不斷改變電樞繞組中電流的方向，使兩個磁場的方向始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生恒定的轉矩驅動電動機不斷旋轉。無刷直流電動機為了去掉電刷，將電樞放到定子上去，而轉子制成永磁體，這樣的結構正好和普通直流電動機相反；然而，即使這樣改變還不夠，因為定子上的電樞通過直流電后，只能產(chǎn)生不變的磁場，電動機依然轉不起來。為了使電動機轉起來，必須使定子電樞各相繞組不斷地換相通電，這樣才能使定子磁場隨著轉子的位置在不斷地變化，使定子磁場與轉子永磁磁場始終保持左右的空間角，產(chǎn)生轉矩推動轉子旋轉。2.2建立無刷直流電機的數(shù)學模型無刷直流電機由定子三相繞組、永磁轉子、逆變器、轉子磁極位置檢測器等組成[5]。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、轉子磁場分布皆對〔2〕忽略齒槽、換相過程和電樞反響等的影響；〔3〕電樞繞組在定子內外表均勻連續(xù)分布；〔4〕磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗。2.2.1電壓方程三相繞組的電壓平衡方程可表示為：〔2-1〕式子〔2-1〕中：ua、ub、uc為定子相繞組電壓〔V〕；ia、ib、ic為定子相繞組電流〔A〕；ea、eb、ec為定子相繞組電動勢〔V〕；為每相繞組的自感〔H〕；為每兩相繞組間的互感〔H〕；為微分算子。三相繞組為星形連接，且沒有中線，那么有并且可得到電壓方程為〔2-2〕2.3.2轉矩方程無刷直流電機的電磁轉矩是由定子繞組中的電流與轉子磁鋼產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生的。BLDCM的電磁轉矩方程可表示為：〔2-3〕由電磁轉矩方程可看出，無刷直流電動機的電磁轉矩方程與普通直流電動機相似，其電磁轉矩大小與磁通和電流幅值成正比，所以控制逆變器輸出方波電流的幅值即可控制無刷直流電動機的轉矩。為產(chǎn)生恒定的電磁轉矩，要求定子電流為方波，反電動勢為梯形波，且在每半個周期內，方波電流的持續(xù)時間為120°電角度，梯形波反電動勢的平頂局部也為120°電角度，兩者應嚴格同步。所以BLDCM的運動方程可表示為：〔2-4〕式子〔3-4〕中：為極對數(shù)；為電磁轉矩；為負載轉矩。其中為BLDCM的角速度。3無刷直流電機控制系統(tǒng)3.1無刷直流電機的調速控制電機的速度控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制和閉壞控制兩種。開環(huán)控制沒有反響環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不高，響應時間相對來說較長，精確度不高，其特點是系統(tǒng)的輸出量不會對系統(tǒng)的控制作用發(fā)生影響，沒有自動修正或補償?shù)哪芰?。只能用于對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度要求不高的簡單的系統(tǒng)，而在要求比擬高時，開環(huán)控制就受到很大的局限。因此，一般都采用閉環(huán)控制來解決相應的問題。閉環(huán)控制有反響環(huán)節(jié)，通過反響使系統(tǒng)的精確度提高，響應時間縮短，適合于對系統(tǒng)的響應時間，穩(wěn)定性要求較高的系統(tǒng)。閉環(huán)控制有助于提高系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，從而提高生產(chǎn)效率和品質[6]。3.1.1開環(huán)調速控制開環(huán)控制系統(tǒng)是指被控對象的輸出(被控制量)對控制器的輸出沒有影響。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環(huán)回路。當控制指令發(fā)出后，執(zhí)行機構按照指令執(zhí)行，控制對象的響應情況由運行人員自行監(jiān)視。開環(huán)系統(tǒng)結構簡單，控制電壓直接控制電機觸發(fā)電路。在開環(huán)系統(tǒng)中沒有反響信號，而電機在帶載的一瞬間要有一個做功的過程，也就是建立系統(tǒng)帶載狀態(tài)下的穩(wěn)定狀態(tài)的過程，這局部功需要增大電機的電流來補償，同時也會犧牲一局部動能，也就是電機的轉速，所以產(chǎn)生了靜態(tài)速降。開環(huán)控制系統(tǒng)靜特性差，在轉矩變化的情況下轉速變化大，不利于電機平穩(wěn)地運行。無刷直流電機的開環(huán)調速系統(tǒng)如圖3-1所示功率驅動電路功率驅動電路PWM控制器UdcBLDCM圖3-1無刷直流電機開環(huán)調速系統(tǒng)3.1.2雙閉環(huán)調速控制閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量)會反送回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環(huán)。。無刷直流電機的雙閉環(huán)控制結構圖，如圖3-2所示。PWMPWM三相逆變器電流調節(jié)器速度調節(jié)器位置和速度傳感器BLDCMnrefn-iqefUDC-圖3-2無刷直流電機的雙閉環(huán)控制結構圖圖3-2中，nref為給定速度，n為反響速度iqef為速度調節(jié)器輸出的電流。該圖所示的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)由電流內環(huán)和速度外環(huán)組成，轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器在雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的作用如下:〔1〕轉速調節(jié)器的作用a轉速調節(jié)器是調速系統(tǒng)的主導調節(jié)器，它使輸出轉度能很快的跟隨給定速度的變化，穩(wěn)態(tài)時減小穩(wěn)態(tài)誤差；b對負載變化起抗擾作用，抑制速度波動；c它的輸出限幅值決定電機允許的最大電流。〔3〕電流調節(jié)器的作用a作為內環(huán)的調節(jié)器，它的作用使電流緊緊跟隨外環(huán)輸出的變化；b對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用；c在轉速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)響應速度；d當電機過載堵轉時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用，一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復正常。一般來說，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)具有比擬滿意的動態(tài)性能。對于調速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能，主要是抗電網(wǎng)電壓擾動和負載擾動的性能。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設了電流內環(huán)，電壓波動可以通過電流的反響得到及時調節(jié)。另外，負載擾動是在電流環(huán)之后產(chǎn)生，因此可以靠轉速調節(jié)器對其進行調節(jié)?？芍?，使用雙閉環(huán)控制可以使系統(tǒng)的抗擾性能得到很大地改善。3.2無刷直流電機的控制策略在電機的控制中，不僅要求系統(tǒng)能穩(wěn)定運行，還要對指令信號有很好的跟蹤能力，盡快與指令信號保持一致。即使受到擾動，也能正常運行，及時準確到達指令值。這就要求電機必須采用較好的控制策略，提高整個系統(tǒng)的魯棒性。對于控制系統(tǒng)的要求，通常可以用穩(wěn)定性、精確性、快速性和抗擾性等幾個動態(tài)和靜態(tài)的性能指標來描述。這幾個性能指標，在同一系統(tǒng)中有可能相互制約。不同的控制對象對系統(tǒng)的要求也不一樣，因此對系統(tǒng)應有所側重，才能有效地到達預期目標。3.2.1PID控制特點在電機控制中有很多控制方法，比方PID調節(jié)、卡爾曼濾波和模糊控制等。PID控制器成形的時期是在20世紀20年代一40年代，由于當時科學水平的限制，只能用簡單的模擬器件來實現(xiàn)PID反響律?，F(xiàn)在，經(jīng)過幾十年的不斷更新?lián)Q代，PID控制已經(jīng)得到了飛速的開展，并實現(xiàn)了模擬PID控制向數(shù)字PID控制的轉換[7]。因為PID控制具有應用簡單、實現(xiàn)方便等特點，因此在實際生產(chǎn)中這是一種比擬常用的方法。如圖3-3所示是一種運用PID控制器設計的直流電機控制系統(tǒng)。PID控制器PID控制器n(t)e(t)u(t)nr(t)直流電機圖3-3直流電機控制系統(tǒng)根據(jù)圖3-3可以看出，使用PID控制器的主要目的就是獲取到電機內部給定轉速n(t)與電機系統(tǒng)實際轉速nr(t)的差值即e(t)后進行調節(jié)，調節(jié)后輸出一個信號u(t)，輸出信號經(jīng)過相應處理后，就能夠控制直流電機執(zhí)行相應的動作。PID控制原理圖如圖3-4比例比例積分微分被控對象r(t)e(t)u(t)y(t)圖3-4PID控制原理圖r(t)是系統(tǒng)設定的給定值，y(t)是給定系統(tǒng)輸出的真實值，e(t)是系統(tǒng)給定值與實際輸出值相減得到的偏差值。PID控制具有以下優(yōu)點:(1)控制原理簡單，使用方便，并且己經(jīng)形成了一套完整的參數(shù)設計和參數(shù)整定方法，很容易為工程技術人員所掌握;(2)通過對各參數(shù)的適當一調整，可以到達很好的控制效果;(3)適應性強，廣泛應用于各個領域;(4)可以根據(jù)不同的需要，針對自身的缺陷進行改良，形成一系列改良的算法。3.2.2PID參數(shù)的功能下面分析一下PD控制器相應的三個參數(shù)各自的主要作用與功能:(1)首先是比例環(huán)節(jié)，它的主要作用是對系統(tǒng)運行時產(chǎn)生的控制量偏差做出反響，并進行快速調節(jié)。當有偏差信號產(chǎn)生，比例控制器就會開始進行調節(jié)工作，使該偏差信號逐漸減小。同時比例系數(shù)的大小將會直接影響系統(tǒng)的響應時間，雖然通過調節(jié)它能立刻得到糾正的輸出值，但是它不能讓該輸出值在理想的狀態(tài)下穩(wěn)定下來，所以說比例系數(shù)過大會導致系統(tǒng)超調，破壞系統(tǒng)的可靠性。(2)其次是積分環(huán)節(jié)，它的主要作用是使系統(tǒng)運行時產(chǎn)生的偏差累積成為輸出量，并且進行調節(jié)。因為系統(tǒng)運行過程中必然會有偏差的產(chǎn)生，只要偏差信號出現(xiàn)，該輸出量經(jīng)過積分處理后因其累積作用會出現(xiàn)逐漸增大的趨勢。當偏差信號為零時輸出量才能夠到達穩(wěn)定狀態(tài)不變。在比例調節(jié)的根底上積分系數(shù)能減小輸出的余差，因此積分調節(jié)器能夠修整系統(tǒng)工作中的誤差，不過積分系數(shù)設置太大會導致該環(huán)節(jié)累積作用變弱，破壞系統(tǒng)可靠性。(3)最后是微分環(huán)節(jié)，它的主要作用是防止系統(tǒng)運行時所產(chǎn)生的偏差信號不斷波動。也就是說它是通過偏差的變化速率進行調節(jié)的，偏差變化速率加快的時候，微分控制器的控制輸出隨之加大，因此能在偏差變大之前進行調節(jié)。微分系數(shù)的大小具有控制超前的作用，當微分系數(shù)設置得當?shù)臅r候，系統(tǒng)的動態(tài)特性能夠得到明顯改變。需要注意的是積分環(huán)節(jié)對于那些輸入信號存在噪聲的對象是比擬敏感，當系統(tǒng)存在較大的干擾和噪聲時通常不使用微分控制。以上是PID控制器三個參數(shù)的設定方法，在調節(jié)無刷直流電機控制系統(tǒng)時，還要對控制器的輸出進行一些限定，如電源的額定電壓、額定電流、占空比等，因此三個參數(shù)的設定需要大量實驗，防止其超出承受范圍。在實際的控制系統(tǒng)中，PID控制器不一定都要同時包括比例、積分和微分三個環(huán)節(jié)，而是根據(jù)實際被控對象的特性、負載變化、主要擾動及系統(tǒng)控制要求等具體情況做出選擇，可以是比例、比例一積分、比例一微分或比例一積分一微分等多種結合形式的控制器。一般在電機的控制系統(tǒng)中，比擬常用的是比例一積分這種控制方式。通過MATLAB/Simulink軟件對系統(tǒng)進行仿真，來驗證PI控制器對無刷直流電機進行控制的可行性。4基于MATLAB的無刷直流電機模型的建立4.1MATLAB/Simulink的介紹4.1.1MATLAB的簡介MATLAB[8]是矩陣實驗室〔MatrixLaboratory〕的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大局部。MATLAB特點如下：(1)友好的工作平臺編程環(huán)境(2)簡單易用的程序語言(3)強大的科學計算機數(shù)據(jù)處理能力(4)出色的圖形處理功能(5)應用廣泛的模塊集合工具箱(6)實用的程序接口和發(fā)布平臺(7)應用軟件開發(fā)4.1.2Simulink的功能與特點Simulink是TheMathWorks公司開發(fā)的用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領域仿真和基于模型的設計工具，常集成于MathWorks公司的另一產(chǎn)品MATLAB中與之配合使用。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同局部具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)立動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI)，這個創(chuàng)立過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結果。Simulink是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領域仿真和基于模型的設計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進行設計、仿真、執(zhí)行和測試。構架在Simulink根底之上的其他產(chǎn)品擴展了Simulink多領域建模功能，也提供了用于設計、執(zhí)行、驗證和確認任務的相應工具。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)立、建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。Simulink有如下特點〔1〕豐富的可擴充的預定義模塊庫?！?〕交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖?！?〕以設計功能的層次性來分割模型，實現(xiàn)對復雜設計的管理?！?〕通過ModelExplorer導航、創(chuàng)立、配置、搜索模型中的任意信號、參數(shù)、屬性，生成模型代碼?！?〕提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成?！?〕使用EmbeddedMATLAB?模塊在Simulink和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調用MATLAB算法?！?〕使用定步長或變步長運行仿真，根據(jù)仿真模式(Normal,Accelerator,RapidAccelerator)來決定以解釋性的方式運行或以編譯C代碼的形式來運行模型。〔8〕圖形化的調試器和剖析器來檢查仿真結果，診斷設計的性能和異常行為?！?〕可訪問MATLAB從而對結果進行分析與可視化，定制建模環(huán)境，定義信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)?！?0〕模型分析和診斷工具來保證模型的一致性，確定模型中的錯誤。4.3BLDCM各模塊的建立BLDC建模仿真系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制[8]方案：轉速環(huán)由PID調節(jié)器構成，電流環(huán)由電流滯環(huán)調節(jié)器構成。根據(jù)模塊化建模的思想，將控制系統(tǒng)分割為各個功能獨立的子模塊。把這些功能模塊和S函數(shù)相結合，搭建出BLDC控制系統(tǒng)的仿真模型，并實現(xiàn)雙閉環(huán)的控制算法，圖中各功能模塊的作用與結構簡述如下：4.3.1電機本體模塊直流無刷電機本體模塊的建立是根據(jù)電壓方程式〔2-1〕構建的。電機本體的輸入為逆變模塊的輸出的三相端電壓，輸出是三相電流。電機繞組反電勢波形為梯形波，其形狀與電角度有關，其幅值的大小與電機轉速成正比，因此電機反電勢可表示成函數(shù)。根據(jù)這個原理，將三相反電勢波形一個運行周期分為6個階段，每一個運行階段都可用一段直線進行表示，根據(jù)某一時刻轉子位置和轉速信號，通過直線方程即可求得反電動勢波形從而得到直流無刷電機本體模塊，見圖4-1所示。圖4-1BLDCM本體結構模型4.3.2電流滯環(huán)控制模塊電流控制模塊如圖4-2所示。電流滯環(huán)控制模塊的作用是實現(xiàn)滯環(huán)電流控制方法，輸入為三相參考電流和三相實際電流，輸出為逆變器控制信號選擇適當?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4-2電流控制模塊4.3.3速度控制模塊速度控制模塊如圖4-3所示。速度給定信號與速度反響信號比擬后，送入PI控制器；速度調節(jié)器的輸出與電流反響信號比擬后，送入電流調節(jié)器。圖4-3速度控制模塊4.3.4參考電流模塊參考電流模塊的作用是根據(jù)電流幅值信號Is和位置信號給出三相參考電流，輸出的三相參考電流直接輸入電流滯環(huán)控制模塊，用于與實際電流比擬進行電流滯環(huán)控制.參考電流模塊的這一功能可通過S函數(shù)編程實現(xiàn)。4.3.5轉矩計算模塊轉矩、轉速測量模塊的輸入是電機本體輸出的三相電流和反電動勢，它的輸出為需要測量的轉矩和轉速。由式〔3-3〕的電磁轉矩方程式，可建立圖4-4所示的轉矩測量模塊。圖4-4轉矩測量模塊以及轉速的計算4.3.6電壓逆變器模塊電壓逆變模塊實現(xiàn)的是逆變器功能，輸入為位置信號和電流滯環(huán)控制模塊給出逆變控制信號，輸出為三相端電壓。如圖4-5所示。逆變器根據(jù)電流控制模塊所控制PWM信號，順序導通和關斷，產(chǎn)生方波電流輸出。圖4-5模塊庫電壓逆變模塊5系統(tǒng)仿真及結果的分析無刷直流電機調速系統(tǒng)的仿真模型如圖5-1所示，系統(tǒng)主電路由模塊直流電源，逆變器和永磁同步電機組成。圖5-1無刷直流電機調速系統(tǒng)仿真模型控制單元controller如圖5-2所示，其作用是根據(jù)轉子磁極位置分配電動機三相繞組通電，及控制逆變器模塊6個開關器件的開關次序。圖5-2controller模塊結構仿真中，BLDC電機參數(shù)[10]設置為：定子相繞組電阻R=4.765，定子電感Ls=0.0085H，轉動慣量J=0.008kg·m2，勵磁磁通0.1848Wb，勵磁脈沖寬度120°，極對數(shù)p=2，比例系數(shù)kp=10.7,積分系數(shù)ki=0.15，300V直流電源供電模型仿真結果如下圖5-3轉速波形圖圖5-4電壓波形圖5-5轉矩波形圖5-6三相定子電流波形給定200r/min帶載1.5N·m啟動時的轉速響應，起動時電機轉速略有超調后進入穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)轉速波動很小。圖5-4為定子一相線電壓uab的波形，圖5-5為無刷直流電機轉矩波形。圖5-6為三相定子電流波形，可以看到無換向器電動機電流呈交流方波，電動機電壓和轉矩也產(chǎn)生一定脈沖。6結束語本文仿真和試驗結果說明：波形符合理論分析，系統(tǒng)能平穩(wěn)運行，具有較好的靜、動態(tài)特性。同時，該模型提供的各仿真模塊具有通用性。因此，它為分析和設計無刷直流電機控制系統(tǒng)提供了有效手段和工具，也為實際電機控制系統(tǒng)的設計和調試提供了新的思路。本文雖然完成了初步的工作，但是在很多方面尚未深入探索，很多問題尚未解決。由于系統(tǒng)設計內容繁多、工作量大和時間限制，本文僅對無刷直流電機的控制系統(tǒng)進行了一些根本的研究。而且個人能力有限、實踐經(jīng)驗缺乏，在工作中也在所難免存在很多缺乏之處。針對無刷直流電機控制系統(tǒng)的特點以及開展趨勢，為進一步改良和完善工作，本人還將繼續(xù)研究。參考文獻[1]張琛.直流無刷電動機原理及應用[M].北京：機械出版社，1996ZhangChen.PrincipleandapplicationofBrushlessDCmotor[M].Beijing:mechanicalpress,1996china[2]殷云華，鄭賓，鄭潔鑫.一種基于MATLAB的無刷直流電機控制系統(tǒng)建模仿真方法[J].系統(tǒng)仿真學報，2008,20〔2〕：293-298。YinYunhua,ZhengBin,ZhengJiexin.AkindofBrushlessDCmotorbasedonMATLABcontrolsystemmodelingandsimulationmethod[J][3]劉剛，王志強，房建成.永磁無刷直流電機控制技術與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.3LiuGang,WangZhiqiang,Fangjian-cheng.PermanentmagneticbrushlessDCmotorcontroltechnologyandapplication[M].Beijing:MechanicalIndustryPress,2008.3china[4]楊浩東，李榕，劉衛(wèi)國.無刷直流電機的數(shù)學模型及其仿真[J].微電機，2003年.YangHaodong,LiRong,LiuWeiguo.ThemathematicmodelofBrushlessDCmotoranditssimulation[J].Micro-moto