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

刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。并在此數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的基于改換或改進(jìn)控制策略也十分簡單，只需對(duì)部分功能模塊進(jìn)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(jī)(BrushlessDCMotor,以下簡稱BLDC)是隨著電力電子技術(shù)及新度快、跟蹤精度高等特點(diǎn)，成為研究隨動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵5。運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。傳感器法。特別是在1980年，H.Lehuy等人提出廠利用轉(zhuǎn)予旋轉(zhuǎn)時(shí)定子繞組中的在國內(nèi)也開展了相關(guān)的研究，文獻(xiàn)9利用三相反電動(dòng)勢中的三次諧波分量來檢繞組中產(chǎn)生反電動(dòng)勢，然后再用模擬開關(guān)切換到反電動(dòng)勢檢測換相的方式。文獻(xiàn)1無刷直流電動(dòng)機(jī)雖然已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)成熟的階段，但是相對(duì)于其他類型電動(dòng)仿真、試驗(yàn)3-1,結(jié)果表明，通過該模型驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的有效性及控制系統(tǒng)的合第一章介紹該項(xiàng)研究的目的意義等；第二章分析無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型，并利用MATLAB強(qiáng)大的仿真功能第三章對(duì)所建立的模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并進(jìn)行仿真；第四章本研究得出的結(jié)論分析無刷直速度控制器無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)原理如圖2.2所示l2lt3]。圖2.2無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖BC相繞組分別與功率開關(guān)管V?,V?,V?連接，位置傳感器VP?、VP?、VP?的跟蹤轉(zhuǎn)予與電機(jī)轉(zhuǎn)軸相聯(lián)結(jié)，用來檢測電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的位置，其輸成1,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，定第8頁共37頁2.3無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型BLDC氣隙磁場感應(yīng)的反電動(dòng)勢和相電流之間的關(guān)系，如圖2.3所示。由于BLDC的感應(yīng)電動(dòng)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(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，而在分析和仿真BLDC控制系統(tǒng)時(shí)，直接采用相變量法，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置，采用分段線性表示感應(yīng)電動(dòng)勢。本文以兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)為例，分析BLDC的數(shù)學(xué)模型及電磁轉(zhuǎn)矩等特性。為了便于分析，假定：(1)三相繞組完全對(duì)稱，氣隙磁場為方波，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場分布皆對(duì)稱5;(2)忽略齒槽、換相過程和電樞反應(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。則根據(jù)BLDC特性，可建立其電壓、轉(zhuǎn)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(dòng)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(duì)稱，則有：R?=R,=R=R。由于三相對(duì)稱的電機(jī)中，ia+is+ic=0,以及M;b+M=-Mia2.3.2轉(zhuǎn)矩方程BLDC的電磁轉(zhuǎn)矩方程可表示為：BLDC的運(yùn)動(dòng)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(diǎn)MATLAB/Simulink是一個(gè)用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包速率系統(tǒng)。主要有以下9個(gè)特點(diǎn)utu:有兩種仿真方式，第一種是通過simulation的菜單方式，直接點(diǎn)擊simulation,然后再點(diǎn)Startflp可，非常方便、快捷。第二種是在MATLAB命令窗口鍵入命令進(jìn)用一些畫圖模塊如Scope模塊、C,raphScopeSimulink包括有一個(gè)龐大的結(jié)構(gòu)方塊圖庫，用戶可以既快又方便地對(duì)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。基本上包括了從離散系統(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(shè)計(jì)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(zhuǎn)將圖3.1所示的控制系統(tǒng)分割為各個(gè)功能獨(dú)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(dòng)機(jī)圖3.1BLDC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(zhuǎn)矩計(jì)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(jié)合，在Matlab/Simulink中搭建出BLDC控制系統(tǒng)的仿真模型，并實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)的控制算法，圖中各功能模塊的作用與結(jié)構(gòu)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(jī)總體模塊包括BLDCM本體模塊，轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊和轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊。圖3.4為其封裝形式和參數(shù)設(shè)置界面。12331234wW9578U456圖3.3無刷直流電動(dòng)機(jī)總體模塊statorphasewindingsistance(R)0momentofinertia(J)pole-pairs(P)1dampingcoefficient(B)QKCancelHelpApply圖3.4無刷直流電機(jī)總體模塊封裝形式和參數(shù)設(shè)置界面(1)BLDCM本體模塊在整個(gè)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(jié)構(gòu)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(hào)ig、ip、i,必需首先求得三相反電動(dòng)勢信號(hào)ea、ep、e。而BLDC建模過程中，梯形波反電動(dòng)勢的求取方法一直是較難解決的問題，反電動(dòng)勢波形不理想會(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向失敗，電機(jī)失控。因此，獲得理想的反電動(dòng)勢波形是BLDC仿真建模的關(guān)鍵問題之一24。目前求取反電動(dòng)勢較常用的三種方法為：(1)有限元法[251,應(yīng)用有限元法求得的反電動(dòng)勢脈動(dòng)小，精度高，但方法復(fù)雜、專業(yè)性強(qiáng)、不易推廣。(2)傅立葉變換(FFT)法126],FFT法應(yīng)用簡單，但需要進(jìn)行大量三角函數(shù)值的計(jì)算，對(duì)仿真速度影響較大。(3)分段線性法口，如圖3.6所示，將一個(gè)運(yùn)行周期0-360°分為6個(gè)階段，每60°為一個(gè)換向階段，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)，通過直線方程即可求得反電動(dòng)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(dòng)式波形跡的直線方程；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)轉(zhuǎn)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(dòng)勢系數(shù)(V/(r/min)),Pos為電角度信號(hào)(rad),w為轉(zhuǎn)速信號(hào)(rad/s)。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)過的電角度來求反電動(dòng)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(zhuǎn)矩計(jì)算模塊根據(jù)BLDC數(shù)學(xué)模型中的電磁轉(zhuǎn)矩方程式2.3,可以建立圖3.7所示的轉(zhuǎn)矩計(jì)矩信號(hào)Te。113ea十2×÷Add4XWIb56X圖3.7轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊結(jié)構(gòu)框圖及其封(3)轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊根據(jù)運(yùn)動(dòng)方程式2.4,由電磁轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩以及摩擦轉(zhuǎn)矩，通過加乘、積分環(huán)節(jié)，即可得到轉(zhuǎn)速信號(hào)，求得的轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)過積分就可得到電機(jī)轉(zhuǎn)角信號(hào)，如圖1121ThetaB2u+圖3.8轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊結(jié)構(gòu)框圖及其封裝在這個(gè)仿真模塊中采用滯環(huán)控制原理來實(shí)現(xiàn)電流的調(diào)節(jié)，使得實(shí)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(dāng)給定電流值與反饋電流值的瞬時(shí)值之差達(dá)到滯環(huán)寬度正邊緣時(shí)，逆變器的開關(guān)管VT1導(dǎo)通，開關(guān)管VT2關(guān)斷，電動(dòng)機(jī)接通直流母線的正端，電流開始上升。反之，當(dāng)給定電流值與反饋電流值的瞬時(shí)值之差達(dá)到滯環(huán)寬度負(fù)邊緣時(shí)，逆變器的開關(guān)管VT1關(guān)斷，開關(guān)管VT2導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)接通直流母線的負(fù)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(dāng)?shù)臏h(huán)環(huán)寬，即可使實(shí)際電流不斷跟蹤參考電流的波形，實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制。模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖3.11所示27,輸入為三相參考電流和三相實(shí)際電流，輸出為PWM逆變器控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)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(xiàng)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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)。控制模塊的結(jié)構(gòu)較為簡單，如圖3.12所示，單輸入：參考轉(zhuǎn)速(nref)和實(shí)際轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(hào)Is和位置信號(hào)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(shí)際電流比較進(jìn)行電流滯環(huán)控制。轉(zhuǎn)子位置和三相參考電流之間的對(duì)應(yīng)關(guān)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(shí)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(zhuǎn)子位置和三相參考電流之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系表轉(zhuǎn)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(duì)BLDC來說，首先是功率變換裝置，也就是電子換向器，每一個(gè)橋臂上的一個(gè)功率器件相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的一個(gè)機(jī)械換向器，還同時(shí)兼有PWM電流調(diào)節(jié)器功能。對(duì)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(gè)電壓表，輸出的Simulink信號(hào)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(hào)，順序?qū)ê完P(guān)斷，產(chǎn)生方波電流輸出。IGBTInwertel圖3.13電壓逆變器模塊結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動(dòng)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(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)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(hào)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(hào)的微分(即振蕩甚至失穩(wěn)。解決的辦法是增加的是“微分項(xiàng)”,它能預(yù)測誤差變化的趨勢。PID調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)開始時(shí)，微分先起作用使輸出信號(hào)發(fā)生突然經(jīng)過反復(fù)調(diào)試離散PID控制器三個(gè)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(nèi)，采樣周期T=0.001s。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的BLDC控制系統(tǒng)仿真模型的靜、動(dòng)態(tài)性能，系統(tǒng)空載起動(dòng)，待進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，在t=0.3s時(shí)突然加負(fù)載TL=5N·m,在t=0.65s時(shí)突然撤去負(fù)載?？傻玫较到y(tǒng)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、三相電流和三相反電動(dòng)勢仿真曲線如圖3.14-3.16所示。圖3.14轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線在0.3s和0.6s時(shí)波形出現(xiàn)抖動(dòng)主要是因?yàn)?.3s加入了負(fù)載，并在0.65s時(shí)撤去圖3.15轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線仿真波形圖3.15中，突加負(fù)載后，負(fù)載轉(zhuǎn)矩有較大的脈動(dòng)，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(dòng)階段系統(tǒng)保持轉(zhuǎn)矩恒定，因而沒有造成較圖3.17反電動(dòng)勢E,E,E.波形由仿真波形可以看出，在n=1000r/min的參考轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)響應(yīng)快速且平穩(wěn)本文在分析無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的基于Matlab換流引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，以及齒槽效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。(2)嘗試從硬件和軟件兩方面實(shí)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(jī)控制系統(tǒng)仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2002,19(5):[6]旭坤.基于DSP的無刷直流電動(dòng)機(jī)伺服控制系統(tǒng)研究.[碩士學(xué)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(jī)調(diào)速系統(tǒng).第五屆中國交流電[11]石山.一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