測控技術與儀器畢業(yè)論文范文-基于MATLABsimulink的無刷直流電機控制系統(tǒng)的建模和仿真

刷直流電機的數(shù)學模型。并在此數(shù)學模型的基礎上，提出了一種新型的基于改換或改進控制策略也十分簡單，只需對部分功能模塊進行替換或修改，而1.1課題研究的背景、目的及意義無刷直流電機(BrushlessDCMotor,以下簡稱BLDC)是隨著電力電子技術及新度快、跟蹤精度高等特點，成為研究隨動系統(tǒng)的關鍵5。運行可靠、維護方便等一系列優(yōu)點。傳感器法。特別是在1980年，H.Lehuy等人提出廠利用轉予旋轉時定子繞組中的在國內也開展了相關的研究，文獻9利用三相反電動勢中的三次諧波分量來檢繞組中產(chǎn)生反電動勢，然后再用模擬開關切換到反電動勢檢測換相的方式。文獻1無刷直流電動機雖然已經(jīng)發(fā)展到相當成熟的階段，但是相對于其他類型電動仿真、試驗3-1,結果表明，通過該模型驗證了數(shù)學模型的有效性及控制系統(tǒng)的合第一章介紹該項研究的目的意義等；第二章分析無刷直流電動機的結構和數(shù)學模型，并利用MATLAB強大的仿真功能第三章對所建立的模型進行參數(shù)設置，并進行仿真；第四章本研究得出的結論分析無刷直速度控制器無刷直流電動機的基本結構原理如圖2.2所示l2lt3]。圖2.2無刷直流電動機的結構原理圖BC相繞組分別與功率開關管V?,V?,V?連接，位置傳感器VP?、VP?、VP?的跟蹤轉予與電機轉軸相聯(lián)結，用來檢測電動機轉動的位置，其輸成1,其轉子采用瓦形磁鋼，進行特殊的磁路設計，可獲得梯形波的氣隙磁場，定第8頁共37頁2.3無刷直流電機數(shù)學模型BLDC氣隙磁場感應的反電動勢和相電流之間的關系，如圖2.3所示。由于BLDC的感應電動勢為梯形波，包含有較多的高次諧波，并且BLDC的電感為非線性14,在此，采用感應電動機等d、q變換理論進行分析并不是很有效的方法，而在分析和仿真BLDC控制系統(tǒng)時，直接采用相變量法，根據(jù)轉子位置，采用分段線性表示感應電動勢。本文以兩相導通星形三相六狀態(tài)為例，分析BLDC的數(shù)學模型及電磁轉矩等特性。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、轉子磁場分布皆對稱5;(2)忽略齒槽、換相過程和電樞反應等的影響；(3)電樞繞組在定子內表面均勻連續(xù)分布；(4)磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗。則根據(jù)BLDC特性，可建立其電壓、轉矩、狀態(tài)方程以及等效的BLDC電路：BLDC三相定子電壓的平衡方程可用以下的狀態(tài)方程表示：式中，ua,ub,uc為三相定子電壓(V);ea,ep,e為三相定子的反電動勢(V);為三相定子繞組之間的互感(·);Ra,R?,R為三相定子繞組的相電阻(Q);p為微分算子(d/dt)。并假定三相繞組對稱，則有：R?=R,=R=R。由于三相對稱的電機中，ia+is+ic=0,以及M;b+M=-Mia2.3.2轉矩方程BLDC的電磁轉矩方程可表示為：BLDC的運動方程可表示為：(N·m).2.3.3狀態(tài)方程2.3.4等效電路由BLDC的電壓方程，可以將其等效地表示為圖2.4所示的等效電路第9頁共37頁第10頁共37頁3基于Matlab的BLDC系統(tǒng)模型的建立3.1Matlab/Simulink的主要特點MATLAB/Simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包速率系統(tǒng)。主要有以下9個特點utu:有兩種仿真方式，第一種是通過simulation的菜單方式，直接點擊simulation,然后再點Startflp可，非常方便、快捷。第二種是在MATLAB命令窗口鍵入命令進用一些畫圖模塊如Scope模塊、C,raphScopeSimulink包括有一個龐大的結構方塊圖庫，用戶可以既快又方便地對系統(tǒng)建模、仿真，而不必寫任何代碼程序。并且Simulin控制模型建立要用到的環(huán)節(jié)有Simulink的Discrete,Linear,Nonlinear,Connections,54as共5大模塊?；旧习藦碾x散系統(tǒng)到連續(xù)系統(tǒng)，線性系統(tǒng)到分算法和分析函數(shù)，提供了固定步長、變步長方法，系統(tǒng)設計框圖如圖3.1所示。BLDC建模仿真系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制方案：轉將圖3.1所示的控制系統(tǒng)分割為各個功能獨立的子模塊。參考速度速度控制器每相參考電流電流滯環(huán)控制器U位置檢測電壓逆變器電流檢測U無刷直流電動機圖3.1BLDC控制系統(tǒng)設計框圖建模的整體控制框圖，其中主要包括：BLDCM本體模塊、速度控制模塊、參考電流模塊、電流滯環(huán)控制模塊、轉矩計算模塊和電壓逆變器模塊。把這些功能模塊和S函數(shù)相結合，在Matlab/Simulink中搭建出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。n圖3.2Matlab/Simulink中BLDC仿真建模整體控制框圖如圖3.3所示，無刷直流電機總體模塊包括BLDCM本體模塊，轉矩計算模塊和轉速計算模塊。圖3.4為其封裝形式和參數(shù)設置界面。12331234wW9578U456圖3.3無刷直流電動機總體模塊statorphasewindingsistance(R)0momentofinertia(J)pole-pairs(P)1dampingcoefficient(B)QKCancelHelpApply圖3.4無刷直流電機總體模塊封裝形式和參數(shù)設置界面(1)BLDCM本體模塊在整個控制系統(tǒng)的仿真模型中，BLDCM本體模塊是最重要的部分，該模塊根據(jù)電壓方程式2.2求取BLDC三相相電流，結構框圖如圖3.5所示l20l21l2212。4W5123emf++Subtract2十6kRkRk512fntegrator243wBLDCM由電壓方程式2.2可得，要獲得三相電流信號ig、ip、i,必需首先求得三相反電動勢信號ea、ep、e。而BLDC建模過程中，梯形波反電動勢的求取方法一直是較難解決的問題，反電動勢波形不理想會造成轉矩脈動增大、相電流波形不理想等問題，嚴重時會導致?lián)Q向失敗，電機失控。因此，獲得理想的反電動勢波形是BLDC仿真建模的關鍵問題之一24。目前求取反電動勢較常用的三種方法為：(1)有限元法[251,應用有限元法求得的反電動勢脈動小，精度高，但方法復雜、專業(yè)性強、不易推廣。(2)傅立葉變換(FFT)法126],FFT法應用簡單，但需要進行大量三角函數(shù)值的計算，對仿真速度影響較大。(3)分段線性法口，如圖3.6所示，將一個運行周期0-360°分為6個階段，每60°為一個換向階段，每一相的每一個運行階段都可用一段直線進行表示，根據(jù)某一時刻的轉子位置和轉速信號，確定該時刻各相所處的運行狀態(tài)，通過直線方程即可求得反電動勢波形。分段線性法簡單易行，且精度較高，能夠較好的滿足建圖3.6三相反電動式波形跡的直線方程；其它5個階段，也是如此。據(jù)此規(guī)律，可以推得轉子位置和反電動轉子位置0~π/3k*w*((-pos)/(π/6)+1)k*w*((pos-π/3)/(π/6)-1)2π/3~πk*w((2*π/3-pos)/(π/6)+1)π~4π/34π/3～5π/3-k*wk*w*((4*π/3-pos)/(π/6)+1)5π/3～2π-k*w表1中：k為反電動勢系數(shù)(V/(r/min)),Pos為電角度信號(rad),w為轉速信號(rad/s)。根據(jù)電機轉過的電角度來求反電動勢，用S函數(shù)編寫，程序如下(只列functionsys=mdIOutputs(t,x,u)globalk;w=u(1);Pos=u(2);sys=[k*w,-k*w,k*w*((-Pos)/(π/6)+t)];elseifPos>=π/3&Pos<=2*π/3elseifPos>=2*π/3&Pos<=πelseifPos>=π&Pos<=4*π/3sys=[-k*w,k*w,k*w*((Pos-π)/(π/6)-1)];elseifPos>=4*π/3&Pos<=5*π/3elsePos>=5*π/3&Pos<=2*π(2)轉矩計算模塊根據(jù)BLDC數(shù)學模型中的電磁轉矩方程式2.3,可以建立圖3.7所示的轉矩計矩信號Te。113ea十2×÷Add4XWIb56X圖3.7轉矩計算模塊結構框圖及其封(3)轉速計算模塊根據(jù)運動方程式2.4,由電磁轉矩、負載轉矩以及摩擦轉矩，通過加乘、積分環(huán)節(jié)，即可得到轉速信號，求得的轉速信號經(jīng)過積分就可得到電機轉角信號，如圖1121ThetaB2u+圖3.8轉速計算模塊結構框圖及其封裝在這個仿真模塊中采用滯環(huán)控制原理來實現(xiàn)電流的調節(jié)，使得實際電流隨給定電流的變化。圖3.9和圖3.10表示的是滯環(huán)型PWM逆變器的工作原理。其工作原理是：當給定電流值與反饋電流值的瞬時值之差達到滯環(huán)寬度正邊緣時，逆變器的開關管VT1導通，開關管VT2關斷，電動機接通直流母線的正端，電流開始上升。反之，當給定電流值與反饋電流值的瞬時值之差達到滯環(huán)寬度負邊緣時，逆變器的開關管VT1關斷，開關管VT2導通，電動機接通直流母線的負端，電流開始VT2定子電流電流檢測VT2定子電流電流檢測下降。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。模塊結構框圖如圖3.11所示27,輸入為三相參考電流和三相實際電流，輸出為PWM逆變器控制信號。驅動電路給定正弦波發(fā)生器VT1圖3.9滯環(huán)電流跟蹤型PWM逆變器單項結構示意圖圖3.10滯環(huán)電流跟蹤型PWM逆變器輸出電流電壓波形2DataTypeConwersion4345_SubtractCurrentcontrollerOperator2TypeConversion3LogicalOperator1doubleDataTypeConversionDataTypeConversion2LogicaldoubledoubleSubtract1Subtract2or_cr_圖3.11電流滯環(huán)控制模塊結構框圖及其封裝3.2.3速度控制模塊速度為積分的參數(shù)，Ka為微分的參數(shù)?？刂颇K的結構較為簡單，如圖3.12所示，單輸入：參考轉速(nref)和實際轉速(n)的差值，單輸出：三相參考相電流12n+1n圖3.12速度控制模塊結構框圖及其封裝3.2.4參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，用于與實際電流比較進行電流滯環(huán)控制。轉子位置和三相參考電流之間的對應關系如表3.2所示，參考電流模塊的這一功能可通過S函數(shù)編程實現(xiàn)，程序如下(只列出主程序段，完整程序參見附錄):表3.2轉子位置和三相參考電流之間的對應關系表轉子位置0~π/3-Is00-Is2π/3~π0-Isπ~4π/3-Is04π/3～5π/3-Is05π/3～2π0-IsifPos>=0&Pos<=pi/3elseifPos>=pi/3&Pos<=2*pi/3elseifPos>=2*pi/3&PoelseifPos>=pi&Pos<=4*pi/3elseifPos>=4*pi/3&Pos<=5*pi/3sys=[0,-Is,ls]globalwTheta=u;b=fix(Theta/(2*pi));%取整ifTheta==0elseif(Theta/(2*pi))==bsys=Theta-b*2*pi3.2.6電壓逆變器模塊逆變器對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IGBT模塊。由于在Matlab新版本(如Matlab7.0)中SimPowerSystem工具箱和Simulink工具箱不是隨便可以相連的，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3.13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。IGBTInwertel圖3.13電壓逆變器模塊結構框圖及其封裝第23頁共37頁電阻R=1Ω,定子相繞組自感L=0.02L,互感M=-0.0067H,轉動慣量J=220V直流電源供電。比例(P)控制:比例控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例積分(I)控制:在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比微分(D)控制:在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分(即振蕩甚至失穩(wěn)。解決的辦法是增加的是“微分項”,它能預測誤差變化的趨勢。PID調節(jié)器在調節(jié)開始時，微分先起作用使輸出信號發(fā)生突然經(jīng)過反復調試離散PID控制器三個參數(shù)最終定為Kp=8,K;=0.01,Ka=0.001飽和限幅模塊幅值限定在±35內，采樣周期T=0.001s。為了驗證所設計的BLDC控制系統(tǒng)仿真模型的靜、動態(tài)性能，系統(tǒng)空載起動，待進入穩(wěn)態(tài)后，在t=0.3s時突然加負載TL=5N·m,在t=0.65s時突然撤去負載。可得到系統(tǒng)轉速、轉矩、三相電流和三相反電動勢仿真曲線如圖3.14-3.16所示。圖3.14轉速響應曲線在0.3s和0.6s時波形出現(xiàn)抖動主要是因為0.3s加入了負載，并在0.65s時撤去圖3.15轉矩響應曲線仿真波形圖3.15中，突加負載后，負載轉矩有較大的脈動，這主要是由電流圖3.16電流I,I,I波形仿真波形圖3.15和3.16表明：起動階段系統(tǒng)保持轉矩恒定，因而沒有造成較圖3.17反電動勢E,E,E.波形由仿真波形可以看出，在n=1000r/min的參考轉速下，系統(tǒng)響應快速且平穩(wěn)本文在分析無刷直流電機數(shù)學模型的基礎上，提出了一種新型的基于Matlab換流引起的轉矩脈動，以及齒槽效應引起的轉矩脈動。(2)嘗試從硬件和軟件兩方面實現(xiàn)系統(tǒng)電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)三環(huán)控制，以[sys,xO,sir,ts]=mdlInitializeSizcs;sys=mdlOutputs(t,x,u);sys=[];error(['unhandledflag=',num2str(flag)]);function[sys,x0,sir,ts]=mdllnitializeSizes)sizes.DirFeedthrough=1;sys=simsizes(sizes);x0=[];ts=[-10];globalPos;k=0.060;%V/(r/min)反電elseifPos>=pi/3&Pos<=2*pi/3sys=[k*w,k*w*((Pos-pi3)/(pi/6)-1),-k*w];elseifPos>=2*pi/3&Pos<=pisys=[k*w*((2*pi/3-Pos)/(pi6)+1),k*w,-k*w];sys=[-k*w,k*w*((4*pi/3-Pos)/(pi/6)+1),k*w]elsePos>=5*pi/3&Pos<=2*pisys=[k*w*((Pos-5*pi3)/(pi/6)-1),-k*w,k*w];sys=mdlOutputs(t,x,u);第31頁共37頁otherwiseerror(['unhandledflag=',num2str(flag)]);function[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes()sizes=simsizes;sizes.NumContStates=0;sizes.NumDiscStates=0;sizes.NumOutputs=3;sizes.Numlnputs=2;sizes.DirFeedthrough=1;sizes.NumSampleTimes=1;sys=simsizes(sizes);ts=[-10];functionsys=mdlOutputs(t,x,u)globalPos;%位置Is=u(1);Pos=u(2);ifPos>=0&Pos<=pi/3sys=[Is,-Is,0];elseifPos>=pi/3&Pos<=2*pi/3sys=[Is,0,-Is]:elseifPos>=2*pi/3&Pos<=pisys=[0,Is,-Is]:elseifPos>=pi&Pos<=4*pi/3sys=[-Is,Is,0];elseifPos>=4*pi/3&Pos<=5*pi/3sys=[-Is,0,Is];elsePos>=5*pi/3&Pos<=2*pisys=[0,-Is,Is];function[sys,x0,str,ts]=[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes;sys=mdlOutputs(t,x,u);error(['unhandledflag=',num2str(flag)]);sizes=simsizes;sizes.NumContStatessizes.NumDiscStatessizes.NumOutputssizes.Numlnputs第33頁共37頁functionsys=mdlOutputs(t,x,u)b=fix(Theta/(2*pi));%取整ifTheta==0sys=Theta-b*2*pii[2]鄧兵，潘俊民.無刷直流電機控制系統(tǒng)仿真[J].計算機仿真，2002,19(5):[6]旭坤.基于DSP的無刷直流電動機伺服控制系統(tǒng)研究.[碩士學位論文].安徽[7]K.lizuka,H.Uzuhashi,M.Kano,T.Endo,K.Mohri,MicrocomputerControlforsensorlessBrushlessMotor,IEEETraApplication,v01.IA-21,no,4,May/June1985motorsusingdisturbanceobserversandadaptivevelocityestimations,IEEETransonIndustrialElectronics,v01.45.[9]田淳.無位置傳感器稀土永磁無刷直流方波電機調速系統(tǒng).第五屆中國交流電[11]石山.一種新型無位置傳感器無刷直流電動機啟動方法.微特電機.2001(2):JIANGJian-guo.ANovelMethodforModelingandSimulationofBLDCSystemBasedonMatlab[J].JournalofSystemSimulation,2003,15(12):1745-1749.)[15]MillerTJE.BrushlessPermanent-MagnetandReluctanceMotoiDrives[M].Oxford,NewYork:ClarendonPress,1989.[16]隋華.壓電效應的有限元分析及壓電懸置控制方法的研究.[碩士學位論文].[17]Natic,Mass.MATLABUsers