李勇_基于SIMULINK無刷直流電機控制系統(tǒng)的仿真

1、學院_魯東大學_專業(yè)_電氣自動化_班級_電氣1201_本專 學號_20122212989_姓名_ 李勇_ 密封線 學生須將文字寫在此線以下魯東大學信息與電氣工程學院2014 2015 學年第 二 學期 微特電機與控制 課程論文課程號： 220852119任課教師 趙玫 成績 論文題目：（可指定題目，也可說明題目范圍。）基于SIMULINK無刷直流電機控制系統(tǒng)的仿真建模論文要求：（對論文題目、內(nèi)容、行文、字數(shù)等作出判分規(guī)定。）1. 建立無刷直流電機控制系統(tǒng)的Simulink仿真模型，仿真采用位置和電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)模型主要包括無刷直流電機及其驅(qū)動主電路、無刷直流電機換相模塊、電機轉(zhuǎn)向判斷、位置

2、和電流調(diào)節(jié)器、PWM產(chǎn)生模塊和相應(yīng)的測量模塊組成。主電路采用三相橋式電路驅(qū)動的形式；電流和位置的調(diào)節(jié)均采用防積分飽和的PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)；PWM信號通過電流調(diào)節(jié)器的輸出與20KHz三角波比較產(chǎn)生，從而實現(xiàn)無刷直流電機的PWM控制。2. 小組成員分工合作完成整個論文的內(nèi)容，但是課程論文要每人一份，著重闡述自己的工作，不能前篇一律。3.答辯環(huán)節(jié)以小組為單位進行，7月16日提交論文，并進行答辯。4. 需要列出主要參考文獻，并進行對比分析。教師評語： 教師簽字： 年 月 日9 基于SIMULINK無刷直流電機控制系統(tǒng)的仿真建模 李勇，韓業(yè)林，王孝磊，吳曉東，居禮，陶顯明 摘 要 從組成結(jié)構(gòu)、工作原理以及數(shù)

3、學模型等方面來介紹無刷直流電動機，并根據(jù)數(shù)學模型，建立無刷直流電機控制系統(tǒng)的Simulink仿真模型，仿真采用位置和電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)模型主要包括無刷直流電機及其驅(qū)動主電路、無刷直流電機換相模塊、電機轉(zhuǎn)向判斷、位置和電流調(diào)節(jié)器、PWM產(chǎn)生模塊和相應(yīng)的測量模塊組成。通過試驗驗證方案的可行性，分析其存在的優(yōu)缺點。 關(guān)鍵詞：無刷直流電動機；simulink；位置電流雙閉環(huán)AbstractFrom the structure, working principle and composition of mathematical models to introduce a brushless DC mo

4、tor, and the mathematical model, the establishment of Simulink simulation model of a brushless DC motor control system simulation using the location and current double closed loop configuration, the system model includes a brushless DC motor and drives the main circuit, a brushless DC motor commutat

5、ion module, motor rotation judgment, position and current regulators, PWM generation module and corresponding measurement modules. Feasibility test verification program, analyze the advantages and disadvantages of its existence.Keywords: brushless DC motor; simulink; position current double closed l

6、oop引言 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Ill，隨著無刷直流電機應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，要求控制系統(tǒng)設(shè)計簡易、成本低廉、控制算法合理、開發(fā)周期短。建立無刷直流電機控制系統(tǒng)的仿真模型，可以有效的節(jié)省控制系統(tǒng)設(shè)計時間，及時驗證施加于系統(tǒng)的控制算法，觀察系統(tǒng)的控制輸出；同時可以充分利用計算機仿真的優(yōu)越性，人為地改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、加入不同的擾動和參數(shù)變化，以便考察

7、系統(tǒng)在不同結(jié)構(gòu)和不同工況下的動、靜態(tài)特性2J。因此，如何建立有效的無刷直流電機控制系統(tǒng)的仿真模型成為電機控制算法設(shè)計人員迫切需要解決的關(guān)鍵問題。本文在分析無刷直流電機數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，借助于Matlab強大的仿真建模能力，利用電氣模塊庫中內(nèi)含的功能元件，對通常的運動控制系統(tǒng)仿真模型進行了改進，提出了一種基于MatlabSimulink建立無刷直流電機系統(tǒng)仿真模型的新方法。1永磁無刷直流電機(BLDC)的數(shù)學模型無刷直流電機由定子三相繞組、永磁轉(zhuǎn)子、逆變器、轉(zhuǎn)予磁極位置檢測器等組成，其轉(zhuǎn)子采用瓦形磁鋼，進行特殊的磁路設(shè)計，可獲得梯形波的氣隙磁場，定子采用整距集中繞組，由逆變器供給方波電流。以一臺

8、三相兩極永磁電動機為例，并假設(shè)：（1） 定子繞組為60°相待整距集中繞組星形聯(lián)結(jié)；（2） 忽略磁路飽和，不計渦流和磁滯損耗；（3） 不考慮電樞反應(yīng)氣隙磁場分布近似矩形波，其波形平頂寬度為120°點角度；逆變器對BLDC來說，首先是功率變換裝置，也就是電子換向器，每一個橋臂上的一個功率器件相當于直流電動機的一個機械換向器，還同時兼有PWM電流調(diào)節(jié)器功能。對逆變器的建模，本文采用Simulink的SimPowerSystem工具箱提供的三相全橋IGB嗾塊。由于在Matlab新版本(如Matlab70)qbSimPowerSystem-V工具箱和SimulinkI具箱不是隨便可以

9、相連的，中間必須加上受控電壓源(或者受控電壓源、電壓表、電流表)。本文給IGBT的A、B、C三相加三個電壓表，輸出的Simulink信號可以與BLDC直接連接，如圖所示。逆變器根據(jù)電流控制模塊所控制PWM信號，順序?qū)ê完P(guān)斷，產(chǎn)生方波電流輸出。2整體框架圖：3 仿真模型整體框圖4反電動勢的求取問題。S函數(shù)（部分）：function sys=mdlOutputs(t,x,u)global k;global Pos;global w;k=0.0024;w=u(1);Pos=u(2);if Pos>=0& Pos<=pi/3sys = k*w,-k*w,k*w*(-Pos)/(p

10、i/6)+1),1,1,0;elseif Pos>=pi/3& Pos<=2*pi/3 sys = k*w,k*w*(Pos-pi/3)/(pi/6)-1),-k*w,1,0,1;elseif Pos>=2*pi/3& Pos<=pi sys = k*w*(2*pi/3-Pos)/(pi/6)+1),k*w,-k*w,0,1,1;elseif Pos>=pi& Pos<=4*pi/3 sys = -k*w,k*w,k*w*(Pos-pi)/(pi/6)-1),1,1,0;elseif Pos>=4*pi/3& Pos&l

11、t;=5*pi/3 sys = -k*w,k*w*(4*pi/3-Pos)/(pi/6)+1),k*w,1,0,1;elseif Pos>=5*pi/3& Pos<=2*pi sys = k*w*(Pos-5*pi/3)/(pi/6)-1),-k*w,k*w,0,1,1;end電機單獨仿真波形： 主要工作：關(guān)于程序中給定電流參數(shù)S函數(shù)的編寫：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，用于與實際電流比較進行電流滯環(huán)控制一轉(zhuǎn)子位置和三相參考電流之間的對應(yīng)關(guān)系如表2所示在仿真圖中所處位置：function sys

12、,x0,str,ts=cemf(t,x,u,flag)clc;switch flag case 0 sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizes; %初始化 case 1 sys=; %連續(xù)狀態(tài)的更新 case 2 sys=; %離散狀態(tài)的更新 case 3 sys=mdlOutputs(u); %求取系統(tǒng)的輸出信號 case 4 sys=; %計算下一時刻的仿真時間 case 9 sys=; %終止仿真 otherwise error('Unhandled flag=',num2str(flag);end%在flag=0的時候進行整個系統(tǒng)的初始化funct

13、ion sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizessizes = simsizes; %讀入初始化參數(shù)模板sizes.NumContStates = 0; %連續(xù)狀態(tài)個數(shù)sizes.NumDiscStates = 0; %離散狀態(tài)個數(shù)sizes.NumOutputs = 3; %輸出變量個數(shù)sizes.NumInputs = 2; %輸入信號個數(shù)sizes.DirFeedthrough = 1; %輸入直接傳入輸出信號否sizes.NumSampleTimes = 1; % at least one sample time is neededWO 一般來說為1個sys =

14、 simsizes(sizes);x0=; %狀態(tài)初始化str=;ts=-1 0; %采樣周期若寫成-1表示繼承其輸入信號%在flag=1的時候進行連續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)的更新function sys=mdlDerivatives(t,x,u)sys = ;%在flag=2的時候進行離散系統(tǒng)狀態(tài)的更新function sys=mdlUpdates%sys(1,1)=x(1)+T*x(2); %為什么會寫成這樣呢%sys(2,1)=x(2)+T*fst2(x,u,r,h);%在flag=3的時候進行系統(tǒng)輸出信號的求取function sys=mdlOutputs(u)m=current_dq(u(1),u

15、(2);sys(1,1)=m(1);sys(2,1)=m(2);sys(3,1)=m(3);%在flag=4的時候進行下一時刻仿真時間的計算function sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u)%sampleTime = 1; % Example, set the next hit to be one second later.%sys = t + sampleTime;%在flag=9的時候終止仿真過程function sys=mdlTerminate(t,x,u)%sys = ;%自定義子程序function x=current_dq(angle,curren

16、t)pos=mod(angle,2*pi);x(1)=current;x(2)=-current;x(3)=0;if 0<=pos && pos<pi/3 x(1)=current; x(2)=-current; x(3)=0;endif pi/3<=pos && pos<2*pi/3 x(1)=current; x(2)=0; x(3)=-current;endif 2*pi/3<=pos && pos<pi x(1)=0; x(2)=current; x(3)=-current;endif pi<=pos && pos<4*pi/3 x(1)=-current; x(2)=current; x(3)=0;endif 4*pi/3<=pos && pos<5*pi/3 x(1)=-current; x(2)=0; x(3)=current;endif 5*pi/3<=pos && pos<2*p