1、文库下载 免费文档下载http:/ S_函数的无刷直流电机双闭环速度控制系统仿真基于 S_函数的无刷直流电机双闭环速度控制系统仿真第 36 卷第 1 期 拖拉机与农用运输车 Vo.l36No.12009 年2 月 Tractor2.苏州农业职业技术学院,江苏苏州 215008)摘要:在分析无刷直流电机(BLDCM)数学模型及相关文献的基础上,采用 S-函数对三相绕组梯形反电势、绕组端电压、星形连接中性点电压及电流反馈采集过程等难点进行建模;采用转速、电流双反馈对无刷直流电机调速系统进行建模。仿真与试验数据的对比分析证明了该方法的有效性。该方法提高了仿真计算效率,较准确实现了对实际三相 PWM
2、端电压及由于换向文库下载 免费文档下载http:/ 文献标识码:A 文章编号:1006-0006(2009)01-0052-04SimulationofDoubleLoopControlSystemofBLDCMBasedonS-functionXIEHou-xun,GAOXiang,ZHAOShi-jing,LUHui-juan(1.JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China;2.SuzhouPolytechnicInstituteofAgriculture,Suzhou215008,China)1,2122Abstrac:tBasedonthemathe
3、maticalmohttp:/ 免费文档下载http:/ 引言根据永磁体在气隙中产生的磁场波形不同,永磁直流电动机分为正弦波永磁无刷直流电机(PMSM)和梯形波永磁无刷直流电机(BLDChttp:/ 软件的电气传动控制设计工具箱 SimPowerSystemToolbox 提供了 PMSM 的电机模型,但没有给出BLDCM 的电机模型。因此对 BLDCM 的建模仿真已受到广泛的关注,出现了许多不同建立模型的方法。文献1采用节点电流法对电机控制系统进行分析,通过列写 m 文件,建立 BLDCM 仿真模型,但在这一模型基础上修改控制算法或添加、删除闭环很不方便;文献2提出在Matlab/Simul
4、ink 中构造独立的功能模块,通过模块组合进行 BLDCM 建模,这一方法可观性好,添加、删除闭环或改变控制策略都十分便捷,但该方法采用快速傅立叶变换(FFT)求取反电动势,计算量大,仿真速度受到限制;文献3采用分段线性法,利用 S-函数来求取反电动势,提高了仿真速度,但忽略了换向电流的动态过程,不够准确;文献4采用 S-函数对包括无刷直流电机的本体及控制系统的部件进行建模,但也没有考虑换向电流的暂态过程。本文采用 S-函数对三相绕组梯形反电势、三相绕组端电压、星形连接中性点电压及电流反馈采集等难点进行建模,较准确实现了对三相 PWM 端电压计算及由于换向造成的电枢电流动态变化的模拟,既保证了
5、所建模型的准确性,又提高了仿真计算速度。文库下载 免费文档下载http:/ 2 直流无刷电机三相感应电势波形Fig.2WaveformsofThree-phaseinductionEMFofBLDCM图 1 无刷直流电机的原理图Fig.1MainCircuitofBrushlessDCMotor2 无刷直流电机的数学模型2.1 端电压方程假定无刷直流电机的定子绕组为 60b 相带整距集中绕组,Y 形连接,如图 1所示。忽略铁心饱和及齿槽效应,定子各相电阻、电感均相等,转子上无阻尼绕组,定子绕组感应反电势为典型的 120b 梯形波,其如图 2所示。收稿日期:2008-01-28;收修改稿日期:2
6、008-04-02基金项目:苏州农业职业技术学院汽车电控液压助力转向技术研http:/ 究院级课题(SNYJKT0702002)#解后循等:基于 S-函数的无刷直流电机双闭环速度控制系统仿真文库下载 免费文档下载http:/ UaUb=Ur00r0iaib iLsddt000Ls00Liaib ieaeb eununu(1)运动方程为Te=TL jdXm/dt(3)式中:Xm 为转子机械角速度,TL 为负载转矩,J 为转子转动惯量3 基于 S-函数的直流无刷电机控制系统模型的建立直流无刷电机控制系统采用转速和电流双闭环系统调速,模型框图如图 3 所示。转速外环由文库下载 免费文档下载http:
7、/ 调节器组成,电流环如采用文献5滞环控制会导致开关频率不恒定,从而产生大量的开关噪声。本文采用三角波比较调节器,使开关频率恒定,从而抑制了开关噪声的产生6。整个控制框图主要由转速调节器模块、电流调节器模块、式中,Ua,Ub,Uc 为三相端电压,ea,eb,ec 为三相反电势;ia,ib,ic 为三相相电流;Ls=L-M 为每一相的等效自感,L 为三相绕组的自感,M 为相间的互感;un 为三相中性点电压;r 为电阻。2.2 转矩方程和运动方程转矩方程为Te=(eaia ebib ecic)/Xm(2)逆变器端电压模块和电机本体模块 4 部分组成。图 3 Matlab/Smiulink 中 BL
8、DCM 仿真建模整体控制框图Fig3BLDCMDiagramofSmiulationSysteminMatlab/Smiulink3.1 转速调节器模块如图 4 所示,给定转速 W_ref 与实测转速 W 之差通过一个限幅 PI 调节器,得到参考电流幅值I_ref(图中 KP 为 PI 调节器比http:/ 例系数,KI 为调节器积分系数)。文库下载 免费文档下载http:/ I_ref 与电流反馈值 I 之差经过一个比例积分(PI)电流控制器,其输出信号值 ui与三角载波 ur 之差再经过一个过零比较器,即如果 ui 大于或等于 ur,输出为 1;如果 ui 小于ur,输出为 0。表 1 反
9、馈电流检测规律Tab.1DetectingRuleofFeedbackCurrentH 电流反馈检测相 0Hc 相 b 相 a 相 c 相图 4 转速调节器模块 Fig.4SpeedRegulatorModule4P/3H5P/35P/3H3.2 电流调节器(PWM)模块理想情况下,直流无刷电机处在两相导通三相六状态模态,每一时刻两相导通,另外一相悬空。因此可以通过位置传感器检测转子的位置角来判断电机的三相电流导通情况。如图 2 所示,当 0H检测电流信号的规律如表 1 所示。此表功能可以通过 S-函数编程实现,检测得到的信号送入电流调节器处理,如图 5 所示。电流调节器采用三角波比较控制方式
10、,参文库下载 免费文档下载http:/ 5 电流采集调节器 PWM 模块Fig.5CurrentRegulatorPWMModule拖拉机与农用运输车 第 1 期 2009 年 2 月3.3 逆变器端电压模块对两相导通三相六状态的直流无刷电机来说,整个运行过程有 6 种运行状态,考虑换向过程,每一运行状态有换向三相导通和换向结束两相导通两种模态。现以 c 相为导通相和换向结束悬空相为例来说明逆变器模型模块的建立。当 0H0 时属于换向三相导通模态,ic=0 时属于换向结束两相导通两种模态。当处于换向三相导通模态时的端电压方程为Ua=Vdc(S-1/2)=ria ea Lsdia/dt unUb
11、=-Vdc(S-1/2)=rib eb Lsdib/dt unUc=-Vdc/2=ric ec Lsdic/dt unhttp:/ ib ic=0式(4)式(7)可得un=1/3(-Vdc/2-ea-eb-ec)当处于换向结束两相导通模态时端电压方程为(8)(4)(5)(6)(7)文库下载 免费文档下载http:/ eb2(13)Ua=Vdc(S-1/2)=ria ea Lsdia/dt unUb=-Vdc(S-1/2)=rib eb Lsdib/dt unUc=ec unic=0(9)(10)(11)(12)同理,其他的运行状态各相的端电压方程均能通过三相电流 ia,ib,ic,三相感应反电
12、势ea,eb,ec 及转子位置角 H 表达出来。可见逆变器端电压的求取,需要感应反电势及中性点电压。3.3.1 感应反电势模块根据转子位置将运行周期分为 6 个阶段:0P/3,P/32P/3,2P/3P,P4P/3,4P/35P/3,5P/32P。采用分段线性法3,通过 S-函数编程求取梯形反电势。S-函数编程实现的功能如表 2 所示。式中,S 为 PWM 信号,导通时,S=1,关闭时,S=0;Vdc 为供电电压,由转子位置文库下载 免费文档下载http:/ 2 转子位置和反电动势之间的关系表Tab.2RelationbetweenRotorPositionandCounterEMFeaebk
13、wkwkw(per 2P/3-pos)/(P/6 1)-kw-kwkw(pos-5P/3-per)/(P/6-1)-kwkw(pos-P/6-per)/(P/6-1)kwkwkwhttp:/ 4P/3-pos)/(P/6 1)-kweckw(per-pos)/(P/6 1)文库下载 免费文档下载http:/ 为反电势系数;pos 为角度信号;w 为电机转速;转数 per=fix(pos/(2pi)2pi,fix 函数实现取整功能。3.3.2 中性点电压模块如式(9)和式(13),中性点电压在换向续流和换向结束两个阶段具有不同的值,可以采用 S-函数编程实现。S-函数编程实现的功能见表 3。表
14、3 转子位置和中性点电压之间的关系表Tab.3RelationbetweenRotorPositionandNeutralityVoltage中点电压 un 如 ic0,un=1/3(-Vdc/2-ea-eb-ec)0H如 ic=0,un=-(ea eb)/2P/3H如 ib0,un=1/3(-Vdc/2-ea-eb-ec)如 ia=0,un=-1/2#(eb ec)如 ic0,un=1/3(-Vdc/2-ea-eb-ec)如 ib=0,un=-(ec ea)/2 如 ia低。本文采用 S-函数编程实现,提高了计算效率。A 相端电压模块整体结构框图如图 7文库下载 免费文档下载http:/ 7
15、 A 相端电压求取模块Fig.7APhaseInventorModule3.4 电机本体模块3电动机本体模块是控制系统的仿真模型中的关键部分,该模块完成求取 BLDCM 的三相相电流、电磁力矩及电机转速。该模块由两个子模块组成:电气子模块即相电流计算子模块和机械子模块即转矩和转速计算子模块。本文给出了机械子模块的实现方法,图 8 为机械子模块结构框图,该模块根据 BLDCM 数学模型中的电磁转矩方程式(2),建立转矩计算模块,模块输入为三相相电流与 http:/ 三相反电动势,通过加乘模块即可求得电磁转矩信号,同时根据运动方程式(3),由电磁转矩、负载转矩以及摩擦转矩,通过加乘、积分环节,即可
16、得到转速信号,求得的转速信号经过积分就可得到电机位置信号,此可用中点电压求取子模块结构框图如图 6所示。图 6 中点电压求取模块Fig.6Neutra-lpointVoltageModule3.3.3 端电压模块文库下载 免费文档下载http:/ SimPowerSystemToo-lbox 电力电子模块建模实现7,但该方法模块算法固定,计算效率较图 8 BLDCM 机械子模块Fig.8MechanicPartModuleofBLDCM#解后循等:基于 S-函数的无刷直流电机双闭环速度控制系统仿真于 BLDCM 感应反电动势模块、端电压模块、反馈电流采集及中性点电压的求取。4 仿真及试验结果对
17、比分析本文对该模型进行了仿真。仿真中的参数设置为:绕组电阻 r=0.058;每相绕组等效电感Ls=0.28mH;极对数 P=1;转子转动惯量 J=0.0005kg#m2;每相反电势系数 K=0.0040V/(r#min-1);最大转速 nmax=3500r/min;供电电压 Vdc=24V。系统由 wo=500r/min 初速空载启动,待进入稳态后,在 t=0.25s 时突加负载 TL=1.5N#m,得到系统转速、转矩、A 相电流仿真曲线,如图 9图 11 所示。由图 9 可以看出,在 w_ref=2000r/min 的给定转速下,系统转速响应快速且平稳。仿真波形图10 表明:启动阶段系统保持
18、转矩恒定,电流环的限幅作用十分有效;空载稳速运行时,系统电磁转矩只克服摩擦转矩,因而较小;在 t=0.25s 时突加负载,转速发生突降,但又能迅速恢复到平衡状态,稳态运行时无静差。仿真波形图中,突http:/ 加负载进入稳态后,负文库下载 免费文档下载http:/ PI 控制器调节造成的。图 11 为 A 相电流稳态仿真曲线,图 12 为文献8提供的试验电流曲线,从两图的对比中可知,仿真电流曲线较准确地模拟了由于换向造成地相电流地动态变化,充分证明了本文采用 S-函数进行BLDCM控制系统建模方法的准确性。参考文献:1 WAIKARSP.ALowCostLowLossBrushlessPerm
19、anentMagnetMotorDriveD.TheOfficeofGraduateStudiesofTexasA高翔(1953-),男,教授,博士生导师,研究方向为车辆工程;赵世婧(1980-),图 11 A 相电流仿真曲线 Fig.11A-phaseCurrentofBLDCMSmiulationSystem女,助教,硕士,研究方向为载运工具运用;卢慧娟(1979-),女,助教,硕士,研究方向为车辆工文库下载 免费文档下载http:/ 12 试验电流曲线Fig.12ExpermientCurrentWaveform5 结论本文采用 S-函数对三相绕组梯形反电势、三相绕组端电压、星形连接中性
20、点电压及电流反馈采集过程等难点进行建模,在提高了计算效率同时,较准确实现了对实际三相 PWM 端电压及由于换相造成的电枢电流动态变化模拟;通过与试验电流波形的对比,表明该建模方法具有较高的准确性。采用该仿真模型可以灵活地实现各种控制算法和控制策略,能有效地节省系统设计周期,加快实际系统设计和调试的进程。该模型已被应用于笔者参与的汽车电动液压助力转向系统的仿真研究。(上接第 51 页)2)采用流体分析软件对膜片式增压器进行三维湍流数值模拟,能够精确地分析和详实地模拟其内部流场分布,并在一定程度上弥补试验无法获得的内部流场数据。使用数值模拟的方法研究内部流场,将改变传统的设计方法,极大地缩短开发周
21、期,节约试验成本,显著地提高设计质量,对于提高增压器的各项性能具有一定参考价值。参考文献:1 张俊红,李志刚,王铁宁.车用涡轮增压技术的发展回顾、现状及展望http:/ 李占成,罗福强.增压中冷柴油机与增压器匹配试验分析J.拖拉机与农用运输车,2006,33(2):5658.文库下载 免费文档下载http:/ CAD/CAM 和内燃机增压;董星涛(1964-),副教授,硕士生导师,主要研究方向为 CAD/CAM 和内燃机增压。3 WOIASP.Micropumps-summarizingtheFirstTwoDecadesJ.2001,4560:3952.4 张虹,马朝臣.车用涡轮增压器压气机叶轮强度计算与分析J.内燃机工程,2007,28(1):6266.5 曹淼龙,林小禾,王瑞金.注塑机转盘的优化设计J.机械工程师,2006(10):7779.(编辑 刘红云)SPIE,文库下载网是专业的免费文档搜索与下载网站，提供行业资料，考试资料，教学课件，学术论文，技术资料，研究报告，工作范文，资格考试，word 文档，专业文献，应用文书，行业论文等文档搜索与文档下载，是您文档写作和查找参考资料的必备网站。文库下载 免费文档下载http:/ http:/
