基于malab永磁無刷直流電機(jī)制動(dòng)控制系統(tǒng)仿真研究

基于malab永磁無刷直流電機(jī)制動(dòng)控制系統(tǒng)仿真研究

0永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)在微電機(jī)制造中的應(yīng)用由于其卓越的性能和不可替代的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，永無光裕開采能源回路的發(fā)展趨勢(shì)引起了人們的注意。特別是自70年代后期以來伴隨著永磁材料技術(shù)、計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)等支撐技術(shù)的快速發(fā)展及微電機(jī)制造工藝水平的不斷提高，永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)在高性能中、小伺服驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用并日趨占據(jù)主導(dǎo)地位。本文首先介紹三相永磁無刷直流電機(jī)的工作原理，建立其相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，然后利用Matlab/Simulink建立仿真模型，并對(duì)三相永磁無刷直流電機(jī)的制動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。1雙向永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)導(dǎo)通系統(tǒng)設(shè)計(jì)三相永磁無刷電動(dòng)機(jī)的工作原理如圖1所示。其定子繞組多做成三相對(duì)稱星形接法，同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。電機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體。為了檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。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：(1)獲取電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào)，用以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng)；(2)接受位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，用來控制逆變橋各功率開關(guān)管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；(3)接受速度指令和速度反饋信號(hào)，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速。永磁體N-S交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差120°的U、V、W方波，結(jié)合正/反轉(zhuǎn)信號(hào)產(chǎn)生有效的6狀態(tài)編碼信號(hào)：101、100、110、010、011、001，通過邏輯組件處理產(chǎn)生T1-T4導(dǎo)通、T1-T6導(dǎo)通、T3-T6導(dǎo)通、T3-T2導(dǎo)通、T5-T2導(dǎo)通、T5-T4導(dǎo)通，即轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對(duì)N-S極，T1-T6功率管即按固定組合依次導(dǎo)通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電。依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)軸線在空間轉(zhuǎn)動(dòng)60°電角度，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于60°電角度空間位置。轉(zhuǎn)子在新位置上，使位置傳感器U、V、W按約定產(chǎn)生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導(dǎo)通組合，使定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)軸再前進(jìn)60°電角度，如此循環(huán)，電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動(dòng)負(fù)載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)導(dǎo)通狀態(tài)如表1所示。三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的位置傳感器編碼使通電的兩相繞組合成的磁場(chǎng)軸線位置超前轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線位置，不論轉(zhuǎn)子的起始位置處在何處，電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)瞬間都會(huì)產(chǎn)生足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)子上不需另設(shè)啟動(dòng)繞組。2基于相變量的數(shù)學(xué)模型三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)由定子三相繞組、永磁轉(zhuǎn)子、逆變器、轉(zhuǎn)子磁極位置檢測(cè)器等組成。其轉(zhuǎn)子采用瓦形磁鋼，進(jìn)行特殊的磁路設(shè)計(jì)，可獲得梯形波的氣隙磁場(chǎng)；定子采用整距集中繞組，由逆變器供給方波電流。在理想狀況下電機(jī)氣隙磁場(chǎng)感應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)和相電流之間的關(guān)系如圖2所示。由于三相永磁無刷直流電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為梯形波，包含較多的高次諧波，并且電機(jī)的電感為非線性，在此，采用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)等d、q變換理論進(jìn)行分析并不是很有效的方法，而直接采用相變量法(即a-b-c坐標(biāo)系)來建立數(shù)學(xué)模型卻比較方便。為簡(jiǎn)化仿真模型的建立，假設(shè)：(1)定子繞組為60°相帶整距集中繞組，Y形連接；(2)忽略齒槽效應(yīng)，繞組均勻分布于光滑的定子內(nèi)表面；(3)轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組，電機(jī)無阻尼作用；(4)忽略磁滯、渦流、集膚效應(yīng)和溫度對(duì)參數(shù)的影響。三相永磁無刷直流電機(jī)定子電壓平衡方程為式中：au、ub、cu為三相定子電壓；ae、be、ce為三相定子的反電動(dòng)勢(shì)；ai、bi、ci為三相定子相電流；aL、bL、cL為三相定子自感；Lab、Lac、Lba、Lbc、Lca、Lcb為三相定子繞組之間的互感；aR、bR、Rc為三相定子繞組的相電阻；P為微分算子，由電機(jī)的結(jié)構(gòu)決定。在360°電角度內(nèi)轉(zhuǎn)子的磁阻不隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化,并假定三相繞組對(duì)稱,則有對(duì)于三相對(duì)稱的電機(jī)，有ai+bi+ci=0,以及Mib+Mic=-Mia,則式(1)可改寫為三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為式中ω為三相永磁無刷直流電機(jī)的角速度。三相永磁無刷直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程可表示為式中：B為阻尼系數(shù)；J為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；LT為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。由式(5)可以得到電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)方程3數(shù)值模型仿真仿真算法選用Runge-Kutaa法。綜合考慮計(jì)算量和計(jì)算速度，本文采用固定步長(zhǎng)，設(shè)為0.2μs。仿真結(jié)構(gòu)圖見圖3，其中子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。圖4中UN函數(shù)的功能是根據(jù)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速產(chǎn)生三相電動(dòng)勢(shì)；UO函數(shù)的功能是產(chǎn)生中點(diǎn)電壓。圖3中E-matfcn函數(shù)的功能是產(chǎn)生三相電壓。4電機(jī)相電流速度三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)仿真結(jié)果如圖5、6所示。其中圖5是電