1、基于 MATLAB 的无刷直流电动机控制系统仿真2005 年第 27 卷第 1 期第 23 页电气传动自动化ELECrRICDRIVEAI】,Il0MATIoNVo1.27,No.12O05,27(1):2,325文章编号:1005-7277(2005)0l 一 002303基于 MATLAB 的无刷直流电动机控制系统仿真叶振锋,雷淮刚(上海大学,上海 200072)摘要:在分析了无刷直流电动机(BLDCM)数学模型的基础上,用 MATLAB 建立了无刷直流电动机控制系统的仿真模型.对系统进行了仿真和分析,给出了仿真结果,验证了数学模型的有效性及控制系统设计的合理性.关键词:无刷直流电动机;仿
2、真;数学模型;控制系统中图分类号:TM921.5 文献标示码:ASimulationofB【J)Icontrolsystembasedon僵 An.ABYEZhen-feng.LEIHuai-gang(ShanghaiUniversit)一,Shanghti200072,China)Abstract:BasedonmathematicalmodelofBLDCMcontrolsystem.thesimulativemodelofsystemisbuild.simulatedandalia-lyzedbasedonMA1LAB.Theresultispresentedandprovedthema
3、thematicalmodelisvalidandthecontrolsystemisrationa1.Keywords:brushlessdirectcurrentmotor;simulation;mathematicalmodel;controlsysteml 引言无刷直流电动机由于转子采用永磁材料励磁,无励磁损耗,具有体积小,重量轻,结构简单,维护方便,运行可靠,高效节能易于控制等优点,同时,无刷直流电动机是利用电子换向器取代了机械电刷和机械换向器,因此,使无刷直流电动机保留了普通直流电动机优良的机械特性,从而在军民各个领域得到了广泛应用.与此同时,对无刷直流电动机控制系统的眭能也提出了
4、更高的要求.常建立无刷直流电动机控制系统的仿真模型来验算各种控制算法,优化整个控制系统,可以在短时间内设计出预期效果的控制系统.本文在分析方波驱动无刷直流电动机的数学模型的基础上.用 Matlab6.5 下的 PSB,Simulink 和 SFUNC-TION 建立无刷直流电动机控制系统的仿真模型,并通过对实例电机的仿真,给出了各种仿真波形.从而验证了数学模型的有效性及控制系统的合理性.2 无刷直流电动机的数学模型无刷直流电动机是由电力电子开关逆变器,永磁同步电动机和磁极位置检测电路等组成.假定无刷直流电动机工作在二二导通,三相六拍工作方式;定子绕组为 60 旧带整距集中绕组,Y 形连接;忽略
5、磁路饱和,不计涡流和磁滞损耗;转子上没有阻尼绕组,永磁体也不起阻尼作用;不考虑电枢反应,气隙磁场分布为梯形波,平顶宽为 120电角度;忽略齿槽效应,三相绕组完全对称均匀分布于光滑定子的内赫,Lai目I?f6I+fe6I 一神 JLJLeJ.一 0LM.兰 01?it00LMJic:J1+ecfI?II+IeILLj?24?电气传动自动化 2005 年第 1 期2.2 电磁转矩方程堕过空噬动缝子奎 L葡雨f31=(ei+ebi6+ei)/(D其中,为电机的电磁转矩,co 为电机转子电角频率.2.3 转子运动方程一TL=_,(4)其中,n 为负载转矩,_,为转动惯量.3 控制系统仿真模型的建立3.
6、1 电机电压方程模块根据式(2)电机电压方程可以得出电机等效模型如图 1 所示.图 1 电机电压方程模型3.2 电机的反电动势模块电机定子每相绕组反电动势波形是梯形的,如图 2 所示,定子每相绕组反电动势在 02 丌区间内的函数表达式为:.7【k(一2f+兀一k(2f+12kOwt1丌15丌丌5丌7丌(5)丌丌【5)7 丌 ll丌11丌其中,k 为电势常数.显然,电机定子每相绕组反电动势是转子位置和角速度的函数,故可方便地用SFUNCTION 来实现.现给出 A 相绕组反电动势SFUNCTION 的输出部分程序 .functionsys=mdlOutputs(t,x,u,ke)P=3.1415
7、926;iftern(u(1),2p)p/6sys=6 kerem(u(1),2p)u(2)/p;elseifrem(u(1),2p)5p/6sys=ke*u(2):elseif 嗍(u(1),2p)7p/6sys=一 6kerein(u(1),2p)u(2)/p+6ke*u(2);elseif(u(1),2p)11p/6sys=一 ke*u(2):elsesys=6 ke*rem(u(1),2p)u(2)/p 一 12-keu(2);end(程序中参数为电势常数;输人变量 u(1)为 0,u(2)为 co).B,C 相绕组反电动势同样可以用 SFUNC-TION 生成,与 A 相绕组反电动势
8、相位分别相差120.和 240.3.3 电磁转矩方程模块由式(3)可得电磁转矩模块,如图 2 所示.iC图 2 电磁转矩方程模块3.4 机械运动方程模块由式(4)可得机械运动方程模块,如图 3 所示.Te图 3 机械运动方程模块3.5 换相逻辑模块无刷直流电动机控制系统中逆变器的换相是通过检测转子位置来控制的,是转子位置的函数,且与各相反电动势是相对应的,是 120.电角度导通.故可用 SFUNCHON 方便地生成换相逻辑信号.现给出 A 相上桥臂换相信号的 SFUNCHON输出部分程序.其余桥臂的换相信号同样可用 sFUNCTION 来生成.(程序中输人变量 U 为)functionsys=
9、mdlOutputs(t,x,u)P=3.1415926;ifrem(u,2p)p/6sys=O:elseifrem(u,2p)5p/6sys=1:elsesys=O:end2005 年第 1 期叶振锋.雷淮刚基于 MATLAB 的无刷直流电动机控制系统仿真 ?25?3.6PWM 功能模块PWM 信号由一个固定频率的三角波 ut 及直流电压信号 ud 合成就可生成.以此 PWM 信号就可以方便的控制逆变器的功率开关器件.PWM 信号的产生如图 4 所示.图 4PWM 信号3.7BLDCM 控制系统控制器模块BLDCM 控制系统采用串级控制,分为速度环(外环)和电流环 (内环).内环和外环均采用
10、 PI 算法,保证系统为无静差系统,并且有较好的动态和.静态特性.3.8 电源和逆变器模块电源采用 MATLAB 中的 DC 电源模块;逆变器采用 IGBT 功率开关器件模块.组合上述各个模块就可以建立无刷直流电动机控制系统的仿真模型,如图 5 所示.图 5BLDCM 控制系统的仿真模型其中,PWM 部分包括 PWM 功能模块,电流环的 PI 模块和换相逻辑模块;BLDCM 部分包括电机电压方程模块,电机的反电动势模块,电磁转矩方程模块和机械运动方程模块.4 实例仿真及结果本例仿真中用到的 BLDCM 的参数为:额定电压U=36V,额定转速 n=2000rpm,额定负载 n=0.03Nm,极对
11、数为 1,每相定子绕组电阻 R=1.1Q,每相定子绕组电感 L=5.24mH,互感 M=1.44mH,转子的转动惯量 J=5.510Xscmo 仿真时空载启动,在 0.03s 时加入额定负载,得到转子转速,定子电流及反电动势的波形,分别如图 68 所示.5 结论本文在分析了无刷直流电动机(B【JCM)的数学模型的基础上,用 MATLAB 建立了无刷直流电动机控制系统的仿真模型,从仿真结果看,与理论分图 6 转子转速波形图 7 定子电流波形图 8 反电动势波形析基本一致,具有较好的动态,静态响应.在此仿真模型的基础上,可以验算各种控制算法,为 BLDCM控制系统的分析和设计提供了有效的途径.参考
12、文献:1】邓兵 ,潘俊民.无刷直流电机控制系统仿真.计算机仿真,2002.2】胡双 ,马志云,周理兵,陶桂林.永磁无刷直流电机系统建模与仿真.微特电机,2003.3】PRAGASENPILIAY,RAMUKRISHNSN.Modeling,Simulat-ion.andAnalysisofPermanent-MagnetMotorDrives.Part:TheBrushlessDCMotorDrive.IEEETrans.IndustrialApplica-tion,1989.作者简介:叶振锋(1974 一), 男,上海大学在读硕士,主要研究方向为电力电子与电力传动等.雷淮刚(1968 一), 男,上海大学,副教授,主要研究方向为电力电子与电力传动等.收稿日期:20040328
