無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的研究與仿真實(shí)現(xiàn)（畢業(yè)設(shè)計(jì)）

1、無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)建模與仿真摘要無(wú)刷直流電機(jī)是隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一種新型直流電機(jī)，它是現(xiàn)代化工業(yè)設(shè)備中的重要運(yùn)動(dòng)部件。無(wú)刷直流電機(jī)最大的特點(diǎn)是沒有換向器和電刷組成的機(jī)械接觸機(jī)構(gòu)，因而無(wú)刷直流電機(jī)沒有換相火花，壽命長(zhǎng)，運(yùn)行可靠，維護(hù)簡(jiǎn)便。除此之外，無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速不受機(jī)械換相的限制，可實(shí)現(xiàn)每分鐘幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)的超高轉(zhuǎn)速運(yùn)行。建立無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，可以有效的節(jié)省控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間，及時(shí)驗(yàn)證施加于系統(tǒng)的控制算法，觀察系統(tǒng)的控制輸出。關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機(jī)，電子換向器，MATLAB仿真，MC33035Modeling and Simulation of BLDCABSTRA

2、CTBLDC,as a new type of DC motor ,which followed by the rapid development of electronic technology ,is becoming the important part in the modern industrial epuipment.The biggest feature of BLDC is no mechanical contact of commutator and brush institutions, and therefore it does not have commutation

3、spark, then it has long life and reliable operation, easy maintenance. In addition, the speed of BLDC without mechanical commutation limit, ultra-high speed operation can be achieved per minute, tens of thousands to hundreds of thousands turn. BLDC control system simulation model can effectively sav

4、e the control system design time, in a timely manner to verify the control algorithm applied to the system to observe the output of the system of control.Key Words: BLDC, Electronic commutator, MATLAB simulation, MC33035目 錄第一章 引言11.1無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)介及應(yīng)用前景11.1.1發(fā)展簡(jiǎn)介11.1.2應(yīng)用前景21.2本次設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容3第二章 無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理

5、42.1無(wú)刷直流電機(jī)概述42.2無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)本體42.2.1 電動(dòng)機(jī)定子42.2.2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子62.2.3 有關(guān)電機(jī)本體設(shè)計(jì)的問題62.3 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)72.3.1 位置傳感器檢測(cè)法72.3.2 無(wú)位置傳感器檢測(cè)法82.4無(wú)刷直流電機(jī)電子換相器102.4.1三相半控電路102.4.2三相全控電路11第三章 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立133.1電壓方程133.2電磁轉(zhuǎn)矩方程143.3轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程15第四章 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的MATLAB仿真實(shí)現(xiàn)164.1無(wú)刷直流電機(jī)本體模塊174.1.1 電壓方程模塊174.1.2轉(zhuǎn)矩方程模塊214.1.3轉(zhuǎn)速方程模塊224.1.4位置計(jì)算模塊224.2參考

6、電流模塊234.3電流滯環(huán)控制模塊254.4三相逆變器模塊264.5 仿真結(jié)果及結(jié)論26第五章 基于MC33035的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)325.1 MC33035引腳功能及參數(shù)介紹345.2 MC33035換相控制技術(shù)355.3 基于MC33035控制的無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)37參考文獻(xiàn)38致 謝39天津理工大學(xué)2012屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第一章 引言1.1無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)介及應(yīng)用前景1.1.1發(fā)展簡(jiǎn)介電動(dòng)機(jī)作為能量轉(zhuǎn)換裝置，被應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。電動(dòng)機(jī)一般分為交流電機(jī)和直流電機(jī)。多年以來(lái)，在高性能的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中我們一直都是采用直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，這是因?yàn)橹绷髡{(diào)速系統(tǒng)具有線性的機(jī)械

7、特性，而且還具有起動(dòng)力矩大、調(diào)速精度高、調(diào)速范圍寬以及控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但是由于直流電動(dòng)機(jī)中了有電刷和機(jī)械換向器，所以它也存在著難以克服的弱點(diǎn)，那就是需要經(jīng)常地進(jìn)行維修檢查和更換電刷。這樣就導(dǎo)致它的可靠性差，并且維修困難，也不能在惡劣的環(huán)境中使用；而且直流電機(jī)在換向的時(shí)候還會(huì)產(chǎn)生電火花，這些對(duì)于工作條件較為惡劣的機(jī)載雷達(dá)伺服系統(tǒng)而言，就使其應(yīng)用受到了極大限制。然而，普通交流電動(dòng)機(jī)雖然不存在這方面的缺點(diǎn)，但是普通交流調(diào)速系統(tǒng)卻又不具備直流調(diào)速系統(tǒng)的上述優(yōu)點(diǎn)。其實(shí)早在20世紀(jì)30年代就開始有人針對(duì)這種情況研究無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)了。在隨后的二十多年里，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的研究進(jìn)展一直在曲折前進(jìn)。一直到19

8、55年，美國(guó)D.Harrison等人第一次申請(qǐng)了用晶體管換向線路代替有刷直流電機(jī)機(jī)械電刷的專利，這才真正標(biāo)志著現(xiàn)代無(wú)刷直流電機(jī)的誕生。近幾十年來(lái)，由于電機(jī)本體（包括定子和轉(zhuǎn)子）及其相關(guān)學(xué)科的迅速發(fā)展，“無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)”的概念早已經(jīng)從最開始的用電子換向線路代替電刷和機(jī)械換向器的直流電機(jī)發(fā)展到泛指具有有刷直流電機(jī)的外部特性的一切電子換向電動(dòng)機(jī)。無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展同樣使得電機(jī)理論與大功率開關(guān)器件、模擬和數(shù)字專用集成電路、微處理技術(shù)、現(xiàn)代控制理論以及高性能的材料結(jié)合得更為緊密。時(shí)至今日的無(wú)刷直流電機(jī)已經(jīng)集特種電機(jī)、變速環(huán)節(jié)、檢測(cè)元件、控制軟、硬件于一體，形成新一代的電動(dòng)伺服系統(tǒng)，而且這其中體現(xiàn)著當(dāng)今應(yīng)

9、用科學(xué)的很多最新的成果，因此無(wú)刷直流電機(jī)是機(jī)電一體化的高科技產(chǎn)物。  說(shuō)到無(wú)刷直流電機(jī)真正進(jìn)入實(shí)用的階段應(yīng)該是從1978年開始。當(dāng)時(shí)原西德曼內(nèi)斯曼公司的Indramat分部在漢諾威的貿(mào)易博覽會(huì)上，正式推出了MAC經(jīng)典無(wú)刷直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器。從八十年代開始，國(guó)際上對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)展開了深入的研究，并成功地研制出了方波無(wú)刷直流電機(jī)和正弦波無(wú)刷直流電機(jī)，在隨后的十多年的時(shí)間里，無(wú)刷直流電機(jī)在國(guó)際上得到了比較充分的發(fā)展。這在一些發(fā)達(dá)國(guó)家體現(xiàn)得尤為明顯，它們那里無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正逐步取代其他類型的電機(jī)成為主導(dǎo)電機(jī)。而這也必將成為一種潮流引領(lǐng)世界。  電力電子技術(shù)和集成控制技術(shù)

10、的迅猛發(fā)展是無(wú)刷直流電機(jī)在近十幾年來(lái)得以廣泛推廣及應(yīng)用的另一個(gè)主要原因。上述技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了以往未曾有過(guò)的性能優(yōu)良而且價(jià)格低廉的電子元器件，這就為制造無(wú)刷直流電機(jī)創(chuàng)造了基本條件。據(jù)相關(guān)資料顯示，20世紀(jì)80年代初期，電機(jī)的本體與電子換向電路的價(jià)格比大致為1:10，而現(xiàn)如今已降至不超過(guò)1:3。電子元器件的快速發(fā)展為大量推廣及應(yīng)用無(wú)刷直流電機(jī)創(chuàng)造了先決條件，使其逐步得到普及。  我國(guó)無(wú)刷直流電機(jī)的研發(fā)工作起步階段要追溯到上世紀(jì)七十年代初期，由于起步較晚，研究主要是集中在一些高等院校及相關(guān)研究所中。經(jīng)過(guò)四十多年來(lái)科研人員的不懈努力，目前我國(guó)已經(jīng)有幾種自主研發(fā)的系列生產(chǎn)，如ASM系列，TS系

11、列，IFTS系列等等。但是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的無(wú)刷直流電機(jī)的制造工藝與加工設(shè)備與國(guó)際水準(zhǔn)仍有著較大差距，其綜合水平低于國(guó)際水平，大概只相當(dāng)于國(guó)外八十年代的水平，所以要想趕超相關(guān)發(fā)達(dá)國(guó)家水平依然需要繼續(xù)努力，需要進(jìn)一步的研究和開發(fā)。1.1.2應(yīng)用前景由于無(wú)刷電機(jī)比有刷直流電機(jī)有更多的優(yōu)勢(shì)，而且與無(wú)電刷結(jié)構(gòu)的交流電機(jī)相比又有著良好的機(jī)械特性和控制特性，因此其具備廣泛的應(yīng)用前景。無(wú)刷直流電機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域有，（1）精密電子設(shè)備領(lǐng)域  因?yàn)榇蠖鄶?shù)精密的電子設(shè)備都是由直流電源供電，而且對(duì)電機(jī)的調(diào)速、穩(wěn)速、定位控制方面有著較高要求，所以目前的這些設(shè)備中都是采用無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。例

12、如計(jì)算機(jī)的硬、軟盤驅(qū)動(dòng)，激光打字機(jī)棱鏡驅(qū)動(dòng)，CD機(jī)驅(qū)動(dòng)，醫(yī)療診斷CT機(jī)，治療用高速牙鉆，衛(wèi)星上太陽(yáng)能帆板驅(qū)動(dòng)，儀用通風(fēng)機(jī)等等都是采用無(wú)刷直流電機(jī)。而且在這一領(lǐng)域中的應(yīng)用依然在不斷推進(jìn)，將會(huì)逐步取代有刷電機(jī)。（2）工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備領(lǐng)域  在目前的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備領(lǐng)域中，高檔數(shù)控加工設(shè)備已經(jīng)開始逐步取代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的直流和交流電機(jī)。除此之外，如工業(yè)縫紉機(jī)、食品加工機(jī)械、輕印刷機(jī)械等一些工業(yè)加工設(shè)備也已經(jīng)開始推廣。最值得密切關(guān)注的是無(wú)刷直流電機(jī)在工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制中的應(yīng)用。由于工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)速度、力矩以及定位控制都有較高要求，因而無(wú)刷直流電機(jī)是無(wú)疑首選。目前全世界已經(jīng)有多達(dá)一百

13、多萬(wàn)臺(tái)的各類機(jī)器人，并且以每年高于百分之二十的速率增長(zhǎng)，對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的需求量很大。（3）汽車和電動(dòng)車輛領(lǐng)域  現(xiàn)代汽車正朝著豪華型方向發(fā)展，自動(dòng)化程度很高。汽車中使用了很多類塑電動(dòng)機(jī)，而無(wú)刷直流電機(jī)則應(yīng)用在許多難以維修的部件中。  與此同時(shí)，電動(dòng)車作為無(wú)污染的交通工具，受到各國(guó)重視，目前正在加大投入，加緊開發(fā)。而在電動(dòng)車輛中，無(wú)刷直流電機(jī)是最理想的動(dòng)力源。目前主要是在電動(dòng)摩托車與電動(dòng)助動(dòng)車使用，而且已逐步進(jìn)入批量生產(chǎn)；也有部分電動(dòng)汽車生產(chǎn)，預(yù)計(jì)在未來(lái)的十來(lái)年里將得到廣泛普及。（4）現(xiàn)代家用電器領(lǐng)域  美國(guó)通用電氣公司于1984年推出

14、了一種智能電動(dòng)機(jī)，引起國(guó)際的注目。這種電機(jī)是一種以微處理器控制的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，它有著具有很寬的調(diào)速范圍(20l0000r/min)，而且低噪、高效，可實(shí)現(xiàn)一定的智能操作。這種無(wú)刷直流電機(jī)一經(jīng)問世，立即受到家用電器工業(yè)設(shè)計(jì)者的青睞。這種電機(jī)最開始應(yīng)用于37. 3W吊扇，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，后來(lái)逐步在洗衣機(jī)、空調(diào)器、冰箱等家電產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，使這些家電產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)省電、多功能、自動(dòng)控制，如定時(shí)、定溫、自然調(diào)節(jié)等等。無(wú)刷直流電機(jī)在各類家電產(chǎn)品中都有著重要應(yīng)用，可以提高家電產(chǎn)品的自動(dòng)化程度，比如按室溫自動(dòng)調(diào)溫的空調(diào)，根據(jù)冷藏物種類自動(dòng)選擇冷凍溫度的電冰箱，可選擇衣物種類的洗衣機(jī)等等。近些年來(lái)，無(wú)刷直流電

15、機(jī)已經(jīng)開始取代交流電動(dòng)機(jī)在家電產(chǎn)品中的主導(dǎo)地位。目前我國(guó)已有這類產(chǎn)品開發(fā)，也已投放市場(chǎng)。無(wú)刷直流電機(jī)在家電產(chǎn)品中的應(yīng)用前景極大刺激了無(wú)刷直流電機(jī)的開發(fā)研究。根據(jù)美國(guó)通用電氣公司的預(yù)測(cè)，如果用無(wú)刷直流電機(jī)取代傳統(tǒng)的異步電動(dòng)機(jī)在制冷器具中的應(yīng)用，其效率可提高20%，全美國(guó)一年可省電220萬(wàn)kW。1.2本次設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容通過(guò)建立無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，我們可以有效地節(jié)省控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)間，并及時(shí)驗(yàn)證施加于系統(tǒng)的控制算法，觀察系統(tǒng)的控制輸出；同時(shí)也可以充分地利用計(jì)算機(jī)仿真的優(yōu)越性，人為地改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、加入不同的擾動(dòng)和參數(shù)變化，來(lái)考察系統(tǒng)在不同結(jié)構(gòu)和不同工況下的動(dòng)、靜態(tài)特性。本次設(shè)計(jì)研究的

16、主要內(nèi)容有：（1）掌握無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理；（2）掌握無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)建模方法；（3）完成MATLAB中simulink環(huán)境下無(wú)刷直流電機(jī)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真；（4）完成無(wú)刷直流電機(jī)的實(shí)際選型，設(shè)計(jì)出一個(gè)能實(shí)際工作的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。第二章 無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理2.1無(wú)刷直流電機(jī)概述無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是一種用電子換向的直流電動(dòng)機(jī)，又稱無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)、無(wú)整流子直流電動(dòng)機(jī)。它是用半導(dǎo)體逆變器取代一般直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向器，構(gòu)成沒有換向器的直流電動(dòng)機(jī)。這種電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，沒有火花，電磁噪聲低，廣泛用于現(xiàn)代生產(chǎn)設(shè)備、儀器儀表、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和高級(jí)家用電器。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)機(jī)本體

17、、轉(zhuǎn)子位置傳感器和驅(qū)動(dòng)器3部分構(gòu)成。電動(dòng)機(jī)本體是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的裝置，它由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。轉(zhuǎn)子軛上裝有永磁體，用來(lái)提供主磁通；定子鐵芯上裝有多相繞組用來(lái)輸入電能。位置傳感器與轉(zhuǎn)子同軸，用來(lái)檢測(cè)磁極位置。驅(qū)動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是根據(jù)位置傳感器信號(hào)依次向繞組供電，來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)、調(diào)速等等。無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理框圖如圖2.1所示，圖2.1 無(wú)刷直流電機(jī)工作原理框圖Fig2.1 working principle of BLDC下面將在隨后的幾節(jié)里著重介紹這三個(gè)部分。 2.2無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)本體無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的本體由兩個(gè)部分組成，分別是定子和轉(zhuǎn)子。2.2.1 電動(dòng)機(jī)定子無(wú)

18、刷直流電動(dòng)機(jī)的定子是由許多硅鋼片經(jīng)過(guò)疊壓和軸向沖壓而成，選用硅鋼片的目的是為了減少主定子的鐵耗，在每個(gè)沖槽內(nèi)都有一定的線圈組成了繞組。從傳統(tǒng)意義上講，無(wú)刷直流電機(jī)的定子和感應(yīng)電機(jī)的定子有些類似，但是在定子繞組的分布上卻有著一定的差別。大多數(shù)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的定子有三個(gè)呈星形排列的繞組，每個(gè)繞組又由許多內(nèi)部結(jié)合的鋼片按照一定的方式組成，偶數(shù)個(gè)繞組分布在定子周圍組成了偶數(shù)個(gè)磁極。與傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)相比，無(wú)刷直流電機(jī)的繞組分布在定子側(cè)，更有利于散熱。電樞繞組可以是星形連接或是三角形連接，但是從系統(tǒng)的性能和成本方面考慮就多采用星形連接、三相對(duì)稱且無(wú)中性點(diǎn)引出的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。其電樞繞組接線形式如圖2.

19、2所示， 圖2.2 繞組形式Fig.2.2 Windings無(wú)刷直流電機(jī)的定子繞組可以分為梯形繞組和正弦繞組兩種，它們的根本區(qū)別在于繞組的連接方式不同，從而使它們產(chǎn)生了不同的反電動(dòng)勢(shì)（BACK EMF），分別為梯形和正弦波形，因而以此來(lái)命名。梯形和正弦繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)波形圖如圖 2.3所示。嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，只有具有直流電機(jī)特性的電機(jī)才能稱為無(wú)刷直流電機(jī)，故本文認(rèn)為正弦繞組的無(wú)刷電機(jī)為永磁同步電機(jī)，梯形繞組的無(wú)刷電機(jī)才是所要討論的無(wú)刷直流電機(jī)。 圖2.3.1 梯形繞組的反電勢(shì)波形圖 圖2.3.2正弦繞組的反電勢(shì)波形圖圖2.3 反電勢(shì)波形圖Fig.2.3 Back-EMF waveform顯而易見，由

20、于正弦繞組波形平滑，因此運(yùn)行起來(lái)相對(duì)梯形繞組來(lái)說(shuō)也就要更平穩(wěn)一些。但是，正弦型繞組與梯形繞組相比有更多的繞組，因而在銅線的使用上也就更多，而且控制方法也比梯形波電動(dòng)機(jī)更加復(fù)雜。所以在對(duì)電機(jī)運(yùn)行精度要求不是非常高的場(chǎng)合，梯形波電機(jī)也就是無(wú)刷直流電機(jī)是非常合適的選擇。2.2.2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由2到8對(duì)永磁體材料按照N極和S極交替排列在轉(zhuǎn)子周圍或是在貼在轉(zhuǎn)子內(nèi)壁上構(gòu)成。前者稱為內(nèi)轉(zhuǎn)子型，后者稱為外轉(zhuǎn)子型。目前轉(zhuǎn)子的永磁體材料大多是采用釹鐵硼等高矯頑力、高剩磁感應(yīng)密度的稀土永磁材料制作而成。無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的永久磁鋼與有刷直流電機(jī)所用的磁鋼相似，都是在電機(jī)氣隙中建立足夠的磁場(chǎng)，區(qū)別是

21、無(wú)刷直流電機(jī)采用了反裝的形式。常見無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有三種形式：（1）表面粘貼式磁極，又稱為瓦形磁極。這種結(jié)構(gòu)是在鐵心外面粘貼徑向充磁的瓦片形稀土永磁體。在電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中采用瓦片形永磁體徑向勵(lì)磁，且取其磁弧寬度大于120電角度，就可以產(chǎn)生方波形式的氣隙磁通密度，這會(huì)減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。多數(shù)的無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子都采用這種結(jié)構(gòu)。（2）嵌入式磁極，又稱為矩形磁極。這種結(jié)構(gòu)是在鐵心內(nèi)嵌入矩形永磁體，它的優(yōu)點(diǎn)是一個(gè)極距下的磁通由相鄰的兩個(gè)磁極并聯(lián)提供，由于聚磁作用可以提供較大的磁通；但這種結(jié)構(gòu)也有一個(gè)缺點(diǎn)，就是需要做隔磁處理，采用不銹鋼軸。(3)環(huán)形磁極。這種結(jié)構(gòu)是在鐵心外套上一個(gè)整體稀土永磁環(huán)，并且通過(guò)特

22、殊方法將環(huán)形磁體徑向充磁為多極。該種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，適用于功率和體積都比較小的電機(jī)。2.2.3 有關(guān)電機(jī)本體設(shè)計(jì)的問題無(wú)刷直流電機(jī)的定子轉(zhuǎn)子合稱為電機(jī)本體。本體結(jié)構(gòu)上與永磁同步電機(jī)相似，但沒有籠形繞組和其他起動(dòng)裝置，其定子繞組一般制成多相，三相、四相、無(wú)相應(yīng)用居多、無(wú)相以上的電機(jī)比較少見；轉(zhuǎn)子由永磁體以一定的極對(duì)數(shù)組成。電機(jī)本體的設(shè)計(jì)是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，其基本任務(wù)是根據(jù)給定的額定值和基本技術(shù)性能要求，選用合適的材料，確定電動(dòng)機(jī)格部分的尺寸，并計(jì)算其性能，以滿足節(jié)省材料、制造方便、性能良好的要求，獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。本體要設(shè)計(jì)的內(nèi)容很多，其中包括電磁設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)以及

23、工藝設(shè)計(jì)等。本文僅對(duì)極對(duì)數(shù)的選擇進(jìn)行簡(jiǎn)要的討論，這對(duì)后面的仿真有較大影響。選擇極對(duì)數(shù)應(yīng)綜合考慮運(yùn)行性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。圖2.4為兩極、四極和八極（p=1,2,4）內(nèi)轉(zhuǎn)子型無(wú)刷直流電機(jī)本體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2.4 本體機(jī)構(gòu)示意Fig.2.4 Body structure一般來(lái)說(shuō)增加極對(duì)數(shù)p，可以減少每極磁通，定子軛及機(jī)座截面積可相應(yīng)減小，從而減少電動(dòng)機(jī)的用鐵量；定子繞組的端接部分將隨極數(shù)的增加而縮短，所以在同樣的電流密度下，繞組的用銅量也減少了；極數(shù)增加后定子繞組電感相應(yīng)減少，這有利于電子器件換相。同時(shí)，當(dāng)極數(shù)增加后，制造工藝也變復(fù)雜；極對(duì)數(shù)增加，考慮到極漏磁不能太大，極弧系數(shù)要減小，從而使電動(dòng)機(jī)原材料

24、利用率變差；增加極數(shù)，在同樣的轉(zhuǎn)速下，電子器件的換相次數(shù)增多，從而增加了換相損耗。當(dāng)電流密度不變時(shí)，定子繞組中的銅耗歲極數(shù)的增加而降低。一般來(lái)說(shuō)電動(dòng)機(jī)效率隨極數(shù)的增加而有所下降。所以要根據(jù)需要合理的選擇電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。2.3 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)由于無(wú)刷直流電機(jī)利用永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)代替了傳統(tǒng)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)，所以需要逆變裝置和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)“換相”過(guò)程。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的方法分為以下兩大類：位置傳感器檢測(cè)法和無(wú)位置傳感器檢測(cè)法。2.3.1 位置傳感器檢測(cè)法位置傳感器在無(wú)刷直流電機(jī)中起著檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置、為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息的作用，即將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后去控制定子繞組換

25、相。繞組換相。位置傳感器種類很多，目前在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)常用的有電磁式位置傳感器、光電式傳感器、磁敏式位置傳感器和旋轉(zhuǎn)變壓器等。電磁式位置傳感器是利用電磁效應(yīng)來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)子位置，有開口變壓器、鐵磁諧振電路、接近開關(guān)電路等多種類型。它具有輸出信號(hào)大、工作可靠、壽命長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境要求小等優(yōu)點(diǎn)，但這種傳感器體積較大，信噪比較低，同時(shí)其輸出波形為交流，一般需要經(jīng)整流、濾波方可使用。光電式位置傳感器是利用光電效應(yīng)，由跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的遮光部分和固定不動(dòng)的光源等部件組成，有絕對(duì)式編碼器和增量式編碼器之分。它具有定位精度高、價(jià)格便宜、易加工等特點(diǎn)，但對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力較差，輸出信號(hào)需加整形電路處理。磁敏式位置傳

26、感器是利用某些半導(dǎo)體敏感元件的電參數(shù)按一定規(guī)律隨周圍磁場(chǎng)變化而變化的原理制成。常見的類型有霍爾元件、磁敏電阻和磁敏二極管等。一般說(shuō)來(lái)，它對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)，輸出信號(hào)好，成本低廉，但精度不高?；魻杺鞲衅鞯膽?yīng)用比較廣泛。旋轉(zhuǎn)變壓器一般用在多相電機(jī)的控制中，它可以輸出多路位置信號(hào)，滿足多相電機(jī)控制的要求，但安裝不易，價(jià)格較昂貴，普通的三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)很少用旋轉(zhuǎn)變壓器。2.3.2 無(wú)位置傳感器檢測(cè)法無(wú)位置傳感器控制技術(shù)是無(wú)刷直流電機(jī)研究的熱點(diǎn)之一，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者已經(jīng)對(duì)此展開了相關(guān)研究，并取得了階段性成果。無(wú)位置傳感器控制方式下的無(wú)刷直流電機(jī)具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在一定程度上克服了位置

27、傳感器安裝不準(zhǔn)確引起的換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。發(fā)展無(wú)位置傳感器控制技術(shù)是因?yàn)槲恢脗鞲衅鞯拇嬖谙拗屏藷o(wú)刷直流電機(jī)在某些特定場(chǎng)合下的應(yīng)用，這主要體現(xiàn)在：置傳感器可能使電機(jī)尺寸增大；位置傳感器使電機(jī)與控制系統(tǒng)之間導(dǎo)線增多，使系統(tǒng)容易受外界干擾影響；位置傳感器在高溫、高壓和濕度較大等惡劣工況下運(yùn)行時(shí)靈敏度變差，系統(tǒng)運(yùn)行可靠性降低；位置傳感器對(duì)安裝精度要求高，機(jī)械安裝偏差引起的換相不準(zhǔn)確直接影響電機(jī)的運(yùn)行性能。因此無(wú)位置傳感器控制技術(shù)越來(lái)越受到重視，同時(shí)，隨著檢測(cè)手段、控制技術(shù)的發(fā)展以及微控制器性能的提高，無(wú)位置傳感器控制技術(shù)得到了迅速發(fā)展，部分技術(shù)已經(jīng)實(shí)用化。依據(jù)檢測(cè)原理的不同，無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制方法

28、主要包括反電勢(shì)法、磁鏈法、電感法以及人工智能發(fā)等。在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制中取消了位置傳感器之后，就必須借助于對(duì)與電機(jī)轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的各種量的檢測(cè)和計(jì)算來(lái)獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息。由此產(chǎn)生了許多不同的控制方案： (1)反電動(dòng)勢(shì)法反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法是日前較成熟的一種檢測(cè)手段。由于它實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，已應(yīng)用于許多領(lǐng)域。這種檢測(cè)方法主要用于繞組星型連接、120°兩兩通電方式的三相六狀態(tài)無(wú)刷直流電機(jī)中。其檢測(cè)依據(jù)是：無(wú)刷直流電機(jī)在忽略電樞反應(yīng)的前提下，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)通過(guò)檢測(cè)電機(jī)未導(dǎo)通相的反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)以獲得轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，從而控制電流的切換，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正常運(yùn)行。因?yàn)殡姍C(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)或低速運(yùn)行時(shí)，繞組反電動(dòng)勢(shì)為零或

29、極小，無(wú)法利用反電勢(shì)法進(jìn)行檢測(cè)，故采用反電勢(shì)法進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)時(shí)必須用其他方式解決電機(jī)的起動(dòng)問題。(2)定子三次諧波法由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有梯形波反電動(dòng)勢(shì)，而梯形波可分解為基波、三次諧波和更高次諧波之和。定子三次諧波法就是通過(guò)檢測(cè)反電勢(shì)波形中的三次諧波分量，其過(guò)零點(diǎn)即對(duì)應(yīng)著反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，獲此分量后對(duì)其積分， 當(dāng)積分值為零時(shí)就可以得到相應(yīng)的換相信號(hào)。此方法在低速時(shí)也可以獲得， 故其起動(dòng)及低速性能優(yōu)于反電動(dòng)勢(shì)法。(3)續(xù)流二極管檢測(cè)法無(wú)刷直流電機(jī)中的電力電子逆變器功率器件上反并聯(lián)有二極管，由于功率管在關(guān)斷過(guò)程中要通過(guò)二極管續(xù)流。因此續(xù)流二極管檢測(cè)法即通過(guò)檢測(cè)非導(dǎo)電相續(xù)流：極管的導(dǎo)通和截止情況來(lái)

30、判斷轉(zhuǎn)子的位置。這種方法在電機(jī)靜止時(shí)無(wú)法檢測(cè)到位置信號(hào)，且需在二極管上并聯(lián)檢測(cè)電路，這對(duì)于集成的功率器件很難實(shí)現(xiàn)，同時(shí)二極管的導(dǎo)通時(shí)刻并不是繞組的過(guò)零時(shí)刻，必須另加補(bǔ)償電路，使得硬件電路相當(dāng)復(fù)雜。(4)電感檢測(cè)法電感法是通過(guò)檢測(cè)繞組相電感的變化來(lái)判斷轉(zhuǎn)子的位置角，當(dāng)兩相電感的大小相等時(shí)，對(duì)應(yīng)于反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，此時(shí)繞組中性點(diǎn)的電位為直流側(cè)的中點(diǎn)電壓。這種方法需要對(duì)繞組進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，難度較大。(5)卡爾曼濾波法卡爾曼濾波法是在得到反電勢(shì)的基礎(chǔ)上，用卡爾曼算法在線遞推轉(zhuǎn)子位置，以確定定子繞組換流時(shí)刻。由于這種方法算法復(fù)雜，對(duì)硬件要求高，且需大量調(diào)試才能確定合適的模型參數(shù)，故不宜推廣。(6)渦流效應(yīng)法渦

31、流效應(yīng)法是在永磁轉(zhuǎn)子表面粘貼一些非磁性的導(dǎo)電材料，利用定子繞組高頻開關(guān)工作時(shí)非磁性材料上的渦流效應(yīng)，使開路相電壓的大小隨轉(zhuǎn)子位置角而變化，從而通過(guò)檢測(cè)開路相電壓來(lái)判斷轉(zhuǎn)子位置。這種方法不依靠反電勢(shì)，能保證電機(jī)的順利起動(dòng)和可靠運(yùn)行，但對(duì)電機(jī)的制造工藝有很大要求。除了上述幾種位置檢測(cè)方法之外，近年來(lái)還出現(xiàn)了基于狀態(tài)觀測(cè)器的估算方法一一將電機(jī)三相電壓、電流經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換，在派克方程的基礎(chǔ)上估算出電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。這種方法有穩(wěn)定性好、魯棒性好、適用面廣的特點(diǎn)，但它的算法復(fù)雜，計(jì)算量大：人工智能控制檢測(cè)法一一利用模糊控制策略建立相電壓、相電流和轉(zhuǎn)子位置角之間的關(guān)系，用檢測(cè)到的電壓和電流信號(hào)來(lái)估計(jì)轉(zhuǎn)子位置信息，

32、這種方法是隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，目前還只是用于一些特殊的場(chǎng)合。本實(shí)驗(yàn)采用反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的檢測(cè)方法。一般的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是由三相逆變橋來(lái)驅(qū)動(dòng)的，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置的不同，為了產(chǎn)生最大的平均轉(zhuǎn)矩，在一個(gè)電角度周期中，具有6個(gè)換相狀態(tài)。在任意一個(gè)時(shí)間段中，電動(dòng)機(jī)三相中都只有兩相導(dǎo)通，每相的導(dǎo)通時(shí)間間隔為120°電角度。例如，當(dāng)U相和V相已經(jīng)持續(xù)60°電角度時(shí)，W相不導(dǎo)通。這個(gè)換相狀態(tài)將持續(xù)60°電角度，從而V相不導(dǎo)通，到W相開始導(dǎo)通的過(guò)程，稱為換相。換相的時(shí)刻取決于轉(zhuǎn)子的位置，也可以通過(guò)判斷不導(dǎo)通相過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻來(lái)決定。通過(guò)判斷不導(dǎo)通相反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，是最為常用也

33、最為適合的無(wú)位置傳感器控制方法。2.4無(wú)刷直流電機(jī)電子換相器在一般的直流電動(dòng)機(jī)中，電樞繞組元件有某一支路進(jìn)入另一支路式，元件中的電流和電動(dòng)勢(shì)都要改變方向。繞組元件中電動(dòng)勢(shì)方向的改變，是由繞組元件的元件邊在電樞旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，輪流切割定子的N極和S極磁通直接產(chǎn)生，而繞組而繞組元件中電流方向的改變，是由換向器和電刷所組成的機(jī)械整流裝置來(lái)完成。為消除一般直流電動(dòng)機(jī)所存在的一些弊病，人們研發(fā)出的以電子換相代替機(jī)械換向的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)由電動(dòng)機(jī)本體、功率開關(guān)主電路及轉(zhuǎn)子磁極位置傳感器等三部分組成的閉環(huán)系統(tǒng)。這里我們暫且稱為無(wú)刷直流電機(jī)的基本系統(tǒng)。把基本系統(tǒng)中的功率開關(guān)電路、轉(zhuǎn)子磁極位置傳感器及相

34、關(guān)的電子電路合并在一起稱為電機(jī)換向器。其主要功能是確保直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，定子、轉(zhuǎn)子兩磁場(chǎng)始終基本上保持正交，以提高運(yùn)行效能。2.4.1三相半控電路常見的三相半橋式驅(qū)動(dòng)電路如圖2.5所示。圖中，LA、LB、LC分別是電機(jī)定子A、B、C三相繞組，T1、T2、T3為功率器件，分別于電機(jī)三相繞組相連。來(lái)自轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號(hào)Ha、Hb、Hc經(jīng)放大后啟動(dòng)功率器件進(jìn)而控制電機(jī)換相。在換相過(guò)程中，定子各相繞組在氣隙中所形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是跳躍的，在一個(gè)周期內(nèi)每相通電120°電角度。由此可見，采用三相半橋式驅(qū)動(dòng)方式的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)元件少、成本較低、控制簡(jiǎn)單，但是其轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大、電機(jī)繞

35、組利用率低，每個(gè)繞組只通電1/3周期時(shí)間，在運(yùn)行過(guò)程中其轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)較大，Tm/2到Tm而且直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的電源線需要引出中性線，而且反轉(zhuǎn)控制相對(duì)困難。因此這種驅(qū)動(dòng)在實(shí)際應(yīng)用中較少采用。圖2.5 三相半橋式驅(qū)動(dòng)電路Fig.2.5 Three-phase half-bridge driver circuit2.4.2三相全控電路圖2.6 三相全控驅(qū)動(dòng)電路Fig.2.6 Three-phase full-controlled drive circuit圖2.6給出了一種全控橋電路，電動(dòng)機(jī)繞組為Y聯(lián)接。功率器件為6只MOSFET管，起繞組開關(guān)之用。他們的導(dǎo)通方式又可分為兩兩導(dǎo)通和三三導(dǎo)通兩種方式。(1

36、)兩兩通電方式是指每一瞬間有兩只功率器件導(dǎo)通，每隔1/6周期換相一次，每次換相一個(gè)功率管，每次有一個(gè)功率器件換相，每個(gè)功率管導(dǎo)通120°電角度。功率管T1和T2導(dǎo)通時(shí)，電流從T1管流入A相繞組，再?gòu)腃相繞組流出經(jīng)T2回到電源。如設(shè)流入繞組的電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為正，則從繞組流出的電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為負(fù)，它們的合成轉(zhuǎn)矩，其大小為Ta。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)60°電角度后，由T1，T2通電換成T2，T3通電，這時(shí)電流從T3流入B相繞組再?gòu)腃相繞組流出，經(jīng)T2回到電源，此時(shí)合成的轉(zhuǎn)矩，其大小同樣為Ta，但合成轉(zhuǎn)矩Tbc的方向轉(zhuǎn)過(guò)了60°電角度。而后每次換相一個(gè)功率管，合成轉(zhuǎn)矩矢量方向就

37、隨著轉(zhuǎn)過(guò)60°電角度，但大小始終保持Ta不變。 所以，同樣一臺(tái)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，每相繞組通過(guò)與三相半控電路同樣的電流時(shí)，采用三相Y連接全控電路，在兩兩換向的情況下，其合成轉(zhuǎn)矩增加了Ta倍。每隔60°電角度換向一次，每個(gè)功率管通電120°，每個(gè)繞組通電240°，其中正相通電和反向通電各120°。采用三相全控電路時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比用三相半控時(shí)小得多，僅從0. 87Tm到Tm。(2)三三通電是指每一瞬間均有三只功率管同時(shí)導(dǎo)通，每隔60°換向一次，每個(gè)功率管通電180°。它們的導(dǎo)通次序是T1T2T3, T2T3T4, T3T4T5, T4

38、T5T6, T6T1T2, T1T2T3。當(dāng)T6T1T2導(dǎo)通時(shí)，電流從T1管流入A相繞組，經(jīng)B相和C相繞組(這時(shí)B和C兩相繞組為并聯(lián))分別從T6和T2流出。這時(shí)流過(guò)B相和C相繞組的電流分別為流過(guò)A相繞組的一半，其合成轉(zhuǎn)矩大小為1.5。經(jīng)過(guò)60°電角度后，換向到T1T2T3通電，即先關(guān)斷T6而后導(dǎo)通T3(注意，一定要先關(guān)T6而后通T3，否則就會(huì)出現(xiàn)T6和T3同時(shí)通電，則電源被T3和T6短路，這是絕對(duì)不允許的)。這時(shí)電流分別從T1和T3流入，經(jīng)A相和B相繞組(相當(dāng)于A相和B相并聯(lián))再流入C相繞組，經(jīng)T2流出。其方向與-C相同，轉(zhuǎn)過(guò)了60°，大小仍然是1.5 Ta。再經(jīng)過(guò)60&#

39、176;電角度后，換向到T1T2T3通電，而后依此類推。在這種通電方式里，每瞬間均有三個(gè)功率管通電。每隔60°換向一次，每次有一個(gè)功率管換向，每個(gè)功率管通電180°。第三章 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁材料，定子三相繞組互差120°，各相反電勢(shì)為梯形波。其電壓，電勢(shì)和電流為非正弦的，不能用矢量表示，只能用電動(dòng)機(jī)本身的相變量來(lái)建立電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。以“三相六拍120°方波型”驅(qū)動(dòng)為例來(lái)分析建立無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。為簡(jiǎn)化分析，假定：（1）三相繞組完全對(duì)稱，氣隙磁場(chǎng)為方波，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)分布皆對(duì)稱；（2）忽略齒槽、換相過(guò)程和

40、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(jì)渦流和磁滯損耗。3.1電壓方程對(duì)于凸裝式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，我們可以忽略凸極效應(yīng)，因而定子三相繞組的自感為常數(shù)，三相繞組間的互感也為常數(shù)，且兩者都與轉(zhuǎn)子的位置無(wú)關(guān)。設(shè)每相繞組的相電阻均相等記為R，每相繞組的自感數(shù)值也相等記為L(zhǎng)，且任意兩相繞組間的互感也相等記為M。則三相繞組的電壓平衡方程可表示為： =+p (3.1)式中：ua,ub,uc分別為三相定子繞組的端電壓； ia,ib,ic分別為三相定子繞組的相電流； ea,eb,ec分別為定子相繞組電動(dòng)勢(shì)；p為微分算子，p=d/dt。由于三相繞組為星形連接且沒有中線，故有ia+

41、ib+ic=0 (3.2)在方程兩邊同乘M，并整理得Mia+Mib=-Mic (3.3)將方程（2），(3)代入式（1），整理得=+p (3.4)永磁無(wú)刷直流電機(jī)的電壓方程等效電路如圖3.1所示，圖3.1 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電壓方程等效電路Fig.3.1 Voltage equation equivalent circuit of BLDC3.2電磁轉(zhuǎn)矩方程電磁轉(zhuǎn)矩是有定子繞組中的電流與永磁材料轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的。其表達(dá)式為：Te=(euiu+eviv+ewiw) (3.5)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程和普通直流電動(dòng)機(jī)相似，其電磁轉(zhuǎn)矩大小與磁通以及電流的幅值成正比，因此控制逆變

42、器輸出方波電流的幅值即可控制轉(zhuǎn)矩大小。為產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，要求定子電流為方波，反電動(dòng)勢(shì)波形為梯形波，且在每半個(gè)周期內(nèi)，方波電流的持續(xù)時(shí)間為120°電角度，兩者應(yīng)該嚴(yán)格同步。由于在任意時(shí)刻，定子只有兩相導(dǎo)通，則電磁功率Pe為： Pe=euiu+eviv+ewiw =2EmIm (3.6) 電磁轉(zhuǎn)矩又可以表示為： Te=Pe/w= 2EmIm/w (3.7)式中：Em為定子繞組各相反電動(dòng)勢(shì)的幅值； Im為定子繞組各相電流的幅值； w為電動(dòng)機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速。3.3轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方程為：Te-TL-Bw=J （3.8）式中：Te為電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩； TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩； J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

43、W為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度； B為阻尼系數(shù)。第四章 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的MATLAB仿真實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行建模，仿真得到系統(tǒng)工作時(shí)各種參數(shù)、數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能夠有效地指導(dǎo)和驗(yàn)證控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用Mathworks公司的MATLAB作為仿真工具，其中的Simulink是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包。使用其中的S-Function模塊，結(jié)合編寫C MEX S-FUNCTION，結(jié)合Simulink內(nèi)含的豐富的數(shù)學(xué)運(yùn)算邏輯模塊和電力電子模塊，能夠準(zhǔn)確地構(gòu)造出無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制模型。在Simulink中對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)仿真建模，國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了廣泛的研究。電動(dòng)機(jī)繞組反電

44、動(dòng)勢(shì)波形可采用傅里葉變換法和有限元法實(shí)現(xiàn)。雖然這種方法得到的反電動(dòng)勢(shì)波形比較準(zhǔn)確，但是結(jié)合控制系統(tǒng)仿真時(shí)會(huì)極大影響仿真速度。此外，可以根據(jù)能夠反映轉(zhuǎn)子位置變化的繞組電感模塊來(lái)獲得反電動(dòng)勢(shì)波形，但如果永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的相電感很小，轉(zhuǎn)子位置變化引起的電感變化量可忽略，那么該方法對(duì)小電樞電感的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的建模并不適用；也可以使用分段線性法實(shí)現(xiàn)梯形波反電動(dòng)勢(shì)，并采取一些改進(jìn)的仿真辦法實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)模型。但在這些文獻(xiàn)中，電動(dòng)機(jī)的換相是基于電流滯環(huán)控制的，需要三個(gè)電流互感器測(cè)量三相電流，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)成本較高，開關(guān)噪聲較大。在Matlab中進(jìn)行BLDC建模仿真方法的研究已受到廣泛關(guān)注，已有提出采

45、用節(jié)點(diǎn)電流法對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過(guò)列寫m文件，建立BLDC仿真模型，這種方法實(shí)質(zhì)上是一種整體分析法，因而這一模型基礎(chǔ)上修改控制算法或添加、刪除閉環(huán)就顯得很不方便；為了克服這一不足，提出在Matlab/Simulink中構(gòu)造獨(dú)立的功能模塊，通過(guò)模塊組合進(jìn)行BLDC建模，這一方法可觀性好，在原有建模的基礎(chǔ)上添加、刪除閉環(huán)或改變控制策略都十分便捷，但該方法采用快速傅立葉變換(FFT)方法求取反電動(dòng)勢(shì)，使得仿真速度受限制。本文提出了一種新型的BLDC建模方法，將控制單元模塊化，在Matlab/Simulink建立獨(dú)立的功能模塊：BLDC本體模塊、電流滯環(huán)控制模塊、參考電流模塊和三相逆變模塊，對(duì)這

46、些功能模塊進(jìn)行有機(jī)整合，即可搭建出無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)的仿真模型。在建模過(guò)程中，梯形波反電動(dòng)勢(shì)的求取方法一直是較難解決的問題，本文采用分段線性法成功地化解了這一難點(diǎn)，克服了建模方法存在的不足。Matlab針對(duì)電氣傳動(dòng)控制領(lǐng)域所設(shè)計(jì)的工具箱SimPowerSystemToolbox2.3已經(jīng)提供了PMSM（永磁同步電機(jī)）的電機(jī)模型，但沒有給出BLDC（無(wú)刷直流電機(jī)）的電機(jī)模型。因此，本文在分析無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，借助于Matlab強(qiáng)大的仿真建模能力，在Matlab/Simulink中建立了BLDC控制系統(tǒng)的仿真模型。該BLDC建模仿真系統(tǒng)采用的是雙閉環(huán)控制方案。仿真模型主要包括：BLDC本

47、體模塊、電流滯環(huán)控制模塊、參考電流模塊和三相逆變模塊等。下面逐一介紹各部分的搭建與功能。4.1無(wú)刷直流電機(jī)本體模塊在整個(gè)控制系統(tǒng)的仿真模型中，BLDC本體模塊無(wú)疑是最重要的部分，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4.1所示，圖4.1 無(wú)刷直流電機(jī)本體模塊Fig.4.1 Body module of BLDC無(wú)刷直流電機(jī)本體模塊由以下幾個(gè)模塊搭建而成，它們是電壓方程模塊、電磁轉(zhuǎn)矩方程模塊、轉(zhuǎn)速方程模塊、位置計(jì)算模塊。下面依次介紹以下這幾個(gè)模塊。4.1.1 電壓方程模塊電壓方程模塊根據(jù)BLDC的電壓方程式(3.4)求取BLDC三相相電流，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4.2所示，圖4.2 BLDC本體模塊電壓方程結(jié)構(gòu)框圖Fig.4.

48、2 The BLDC body module voltage equation在整個(gè)控制系統(tǒng)的仿真模型中，BLDC本體模塊是最重要的部分，該模塊根據(jù)BLDC電壓方程式（3.4）求取BLDC三相相電流，而要獲得三相相電流信號(hào)ia，ib，ic，必須先求得三相反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)ea，eb，ec。而在BLDC建模過(guò)程中，梯形波反電動(dòng)勢(shì)的求取方法一直是較難解決的問題，反電動(dòng)勢(shì)波形不理想會(huì)造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大、相電流波形不理想等問題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致?lián)Q相失敗，最終導(dǎo)致電機(jī)失控。因此，獲得理想的反電動(dòng)勢(shì)波形是BLDC仿真建模的關(guān)鍵問題之一。本文采用了分段線性法，如圖4.3所示，將一個(gè)運(yùn)行周期0°360°

49、;分為6個(gè)階段，每60°為一個(gè)換相階段，每一相的每一個(gè)運(yùn)行階段都可用一段直線進(jìn)行表示，根據(jù)某一時(shí)刻的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信號(hào)，確定該時(shí)刻各相所處的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)直線方程即可求得反電動(dòng)勢(shì)波形。分段線性法簡(jiǎn)單易行，且精度較高，能夠較好的滿足建模仿真的設(shè)計(jì)要求。因而，本文采用分段線性法建立梯形波反電動(dòng)勢(shì)波形。理想情況下，二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的BLDC定子三相反電動(dòng)勢(shì)的波形如圖4.3所示。圖中，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置將運(yùn)行周期分為6個(gè)階段：0/3，/32/3，2/3，4/3，4/35/3，5/32。以第一階段0/3為例，A相反電動(dòng)勢(shì)處于正向最大值Em，B相反電動(dòng)勢(shì)處于負(fù)向最大值-Em，C相反電動(dòng)勢(shì)處于換相

50、階段，由正的最大值Em沿斜線規(guī)律變化到負(fù)的最大值-Em。根據(jù)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信號(hào)，就可以求出各相反電動(dòng)勢(shì)變化軌跡的直線方程，其它5個(gè)階段，也是如此。據(jù)此規(guī)律，可以推得轉(zhuǎn)子位置和反電動(dòng)勢(shì)之間的線性關(guān)系，如表4.1所示，從而采用分段線性法，解決了在BLDC本體模塊中梯形波反電動(dòng)勢(shì)的求取問題。圖4.3 無(wú)刷直流電機(jī)反電勢(shì)波形圖Fig.4.3 back EMF waveforms of BLDC表4.1 轉(zhuǎn)子位置和反電動(dòng)勢(shì)之間的線性關(guān)系表Table 4.1 Linear relationship between the rotor position and

51、0;the back-EMF轉(zhuǎn)子位置eaebec0/3K*w- K*wK*w*(per-pos)/(/6)+1)/32/3K*wK*w*(pos-/6-per)/(/6)-1)- K*w2/3K*w*(per+2*/3-pos)/(/6)+1)K*w- K*w4/3- K*wK*wK*w*(pos-per)/(/6)-1)4/35/3- K*wK*w*(per+4*/3-pos)/(/6)+1)K*w5/32K*w*(pos-5*/3-per)/(/6)-1)- K*wK*w表中：K為反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)(V/(r/min)，pos為角度信號(hào)，w為轉(zhuǎn)速信號(hào)，轉(zhuǎn)數(shù)per=fix(pos/(2*

52、pi)*2*pi (4.1)fix函數(shù)是實(shí)現(xiàn)取整功能。根據(jù)上式，用M文件編寫反電勢(shì)系數(shù)的S函數(shù)如下：反電動(dòng)勢(shì) S 函數(shù)(emf.m) %=%BLDCM模型中反電動(dòng)勢(shì)函數(shù)%=function sys,x0,str,ts =emf(t,x,u,flag) switch flag case 0, %初始化設(shè)置sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizes; case 3, %輸出量計(jì)算 sys = mdlOutputs(t,x,u); case 1,2,4,9 %未定義標(biāo)志 sys = ; otherwise %錯(cuò)誤處理error('unhandled flag = 

53、9;,num2str(flag); end %=%mdlInitializeSizes 進(jìn)行初始化，設(shè)置系統(tǒng)變量的大小%=function sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizes() sizes = simsizes; %取系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置sizes.NumContStates = 0; sizes.NumDiscStates = 0; sizes.NumOutputs = 3; sizes.NumInputs = 2; sizes.DirFeedthrough = 1; sizes.NumSampleTimes = 1; sys = simsizes(sizes); x

54、0 = ; str = ; ts = -1 0; %=%mdlOutputs 計(jì)算系統(tǒng)輸出%=function sys=mdlOutputs(t,x,u) global k; global Pos; global w; k=0.060; % V/(r/min)反電動(dòng)勢(shì)系數(shù) w=u(1); % 轉(zhuǎn)速(rad/s) Pos=u(2); % 角度(rad) if Pos>=0 & Pos<=pi/3 sys=k*w,-k*w,k*w*(-Pos)/(pi/6)+1); elseif Pos>=pi/3 & Pos<=2*pi/3sys=k*w,k*w*(Pos-pi/3)/(pi/6)-1)