基于malab的無刷直流電機調速系統(tǒng)的研究

基于malab的無刷直流電機調速系統(tǒng)的研究

1基于matlab的blcdm控制系統(tǒng)的仿真模型無刷直流電機（brusinc紳級電氣工程，以下簡稱bms）是隨著電子能源技術和電機控制技術的發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型電機。因其體積小、結構簡單、高效和控制精度高等優(yōu)點,廣泛應用于伺服領域,機器人等領域。隨著無刷直流電機的應用領域不斷拓寬,各種控制算法和策略不斷涌現(xiàn),建立無刷直流電機控制系統(tǒng)的仿真模型可以有效驗用于各種算法和策略,縮短開發(fā)周期。文獻提出了基于S函數(shù)的建模方法,雖比較靈活,但模型較為復雜,仿真速度較慢,且程序比較繁雜。本文利用MATLAB/SIMULINK的仿真工具箱,通過建立子模塊并結合S函數(shù),建立了BLDCM控制系統(tǒng)。仿真結果驗證了該模型的有效性。2功能主義電路以兩相導通星形三相六狀態(tài)為例,分析無刷直流電動機的數(shù)學模型及電磁轉矩等特性。為簡化電機的數(shù)學模型,作如下假設:1)忽略電機鐵心飽和,不計渦流損耗和磁滯損耗;2)不計電樞反應,氣隙磁場分布近似認為是平頂寬度為120o電角度的梯形波;3)忽略齒槽效應,電樞繞組在定子內表面均勻連續(xù)分布;4)驅動系統(tǒng)逆變電路的功率管和續(xù)流二極管均具有理想的開關特性。可得到三相繞組的電壓平衡方程:式中ua,ub,uc為定子相繞組電壓;ia,ib,ic為定子相繞組電流;ea,eb,ec為定子相繞組電動勢;L為每相繞組的自感;M為每兩項繞組間的互感;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,則有:將式(2)、(3)代入(1),得到電壓方程:理想情況下,當某相不通電時,該相電壓為0,但在實際系統(tǒng)的換向時,電機繞組中的電流變化跟不上功率開關的變化,產生一定的滯后,這樣在不通電的繞組中仍然殘余一部分電壓,因此產生中點電壓Un,其方程為:BLDCM的轉矩和運動方程可表示為:式中:Te為電磁轉矩;TL為負載轉矩;B為阻尼系數(shù);ω為電機機械轉速;J為電機的轉動慣量。3bldcm的主要模塊本文采用速度環(huán)和電流環(huán)的雙閉環(huán)控制調速,主要包括BLDCM本體模塊、速度控制模塊、參考電流模塊、電流環(huán)控制模塊、轉矩計算模塊和電壓逆變器模塊。圖中各子模塊的作用和結構簡述如下。3.1反電動勢的線性關系該模塊根據式(4)求取BLDCM三相相電流,結構框圖如圖2所示。由式(4)可知要獲得電流信號必須先求得三相反電動勢,所以反電動勢模塊的建立最為重要。理想的反電動勢呈梯形分布,其平頂寬度為120o電角度,梯形波的幅值與電機轉速w成正比,以A相為例如圖3所示。式中,Ke為反電動勢系數(shù),由電機結構決定,本文取Ke=0.382。由圖5可推導出轉子位置和反電動勢之間的線性關系,如表1所示。表中,θ由電角度位移pos推導出,由于電動機轉數(shù)per可以由per=fix(pos/2π)推出,fix函數(shù)實現(xiàn)取整功能,那么轉子位置角θ=pos-per×2π,B、C兩相反電動勢波形依次比A相滯后2π/3、4π/3電角度,用S函數(shù)實現(xiàn)。3.2發(fā)電機轉子位置分析電流環(huán)控制需要給定三相參考電流,根據電機轉子位置和三相電流的換相關系可以得出電流換相信號,通過分析電動機工作過程推導出轉子位置與三相電流之間的對應關系如表2,其中1表示該相定子通過正向電流,-1表示該相定子通過負向電流,0表示該相定子不通電流。參考電流模塊如圖4所示。邏輯信號與實際反饋的電流幅值相乘就可得出實際參考電流,如圖5所示。3.3電流源環(huán)境控制模塊電流滯環(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實際電流,輸出為逆變器控制信號,模塊結構圖如圖6所示。3.4轉速差值的輸出本文采用離散PID算法,輸入為額定轉速和實際轉速的差值,輸出三相參考電流的幅值Is,同時使用Saturation飽和限幅模塊將輸出的參考相電流幅值限定在要求范圍內,如圖1所示。3.5計算矩陣和旋轉的模塊根據式(6)、(7),可以建立如圖7轉矩計算模塊和圖8轉速計算模塊。3.6元電壓換向器,輸出雙向電壓,確保電子換向器輸出為三維電壓,這也是造成三元換向器,輸出一個電子換向器,輸出一個亞電壓逆變器模塊輸入為電流滯環(huán)控制模塊給出的逆變控制信號,輸出為三相端電壓。相當于一個電子換向器。本文采用SIMULINK的SimPowerSystem工具箱提供的三相全橋IGBT模塊,連接方式如圖9所示。4系統(tǒng)的kp仿真本文基于MATLAB/SIMUILINK建立了BLDCM控制系統(tǒng)的仿真模型,并對該模型進行仿真。參數(shù)設置為:定子繞組電阻R=1?,自感L=0.02H,互感=-0.061H,轉動慣量J=0.005kg.m2,阻尼系數(shù)B=0.0002N.m.s/rad,額定轉速n=400r/min,極對數(shù)P=2,220V直流電源供電。經反復測試,離散PID控制三個參數(shù)kp=6,ki=0.15,kd=0.02,飽和限幅模塊限定在±30以內,采樣周期T=0.0001s。仿真時長1.2s,系統(tǒng)空載啟動,進入穩(wěn)定狀態(tài)后,在t=0.5s是加入負載TL=3N.m,在0.9s時撤去負載。得到系統(tǒng)轉速、轉矩、三相電流和三相反電動勢仿真曲線如圖10-13所示。由仿真結果得出,在n=400r/min的參考轉速下,系統(tǒng)響應迅速且平穩(wěn),在突加負載和撤去負載的情況下,轉矩都能夠快速響應且能夠維持波動范圍基本不變,證明此建模方法的有效性和控制系統(tǒng)的合理性。5模型測試與分析本文在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下,通過將系統(tǒng)功能模塊化,并且與S函數(shù)相結合的方法,構建了無刷直流電機仿真模型,采用速度電流雙閉環(huán)控制方法對該模型進行了測試,結果表明:仿真速度很快,波形符合理論分析,系統(tǒng)能夠快速響應且平穩(wěn)運行,具有良好的靜、動態(tài)特性。由于采用模塊化設計,只需對部分模塊進行修改,就可以快速驗證各種新型控制算法和策略,為今