1、纯电动汽车电机控制系统建模与性能分析摘要电动汽车具有清洁无污染，能量来源多样化、能量效率高的特点，又便于实现智能化管理，可以解决燃油汽车带来的能量、环境以及交通等一系列问题，因此电动汽车已成为世界各国的研究热点。我国的电动汽车技术还处于起步阶段，各方面的关键技术都需要研究解决。电机及其控制技术是电动汽车的关键技术之一，是研究开发电动汽车首要解决的问题。普通直流电机采用机械式换向器实现端口直流量与绕组内交变量之间的相互转换，运行中电刷和换向器之间必须保持滑动接触，因而难以避免地会存在火花，噪音，无线电干扰、片间电压限制、运行维护周期和环境运行保障等许多问题。正因如此发展无刷式直流电机近年来一直受
2、到人们额特别重视。永磁无刷直流电机 BLDCM（特别是稀土永磁电动机,以后无刷直流电机用 BLDCM 英文缩写代替永磁无刷直流电机电机）是近年来迅速发展的起来的一种新型电机，他利用电子换向代替机械换向，既具有直流电机的调速性能，且不需要其他设备的配合只要改变输入或励磁电压电流就能实现调速，又有交流电机结构简单、运行可靠、未付方便等优点。而且体积小、效率高，在许多领域得到广泛的运用。关键词：无刷直流电机；机械换向；电子开关线路（电子换向装置）；转子位置传感器Electric car permanent magnet brushless dc motor control system resear
3、chABSTRACTElectric cars a clean non-polluting, diversification of energy sources, energy efficiency high characteristic, and is easy to realize intelligent management, can solve the fuel car of energy, environment, and a series of problems such as traffic, so the electric car has become a research f
4、ocus all over the world. Electric car technology is still in its infancy in our country, to solve all aspects of the key technology need to research. Motor and its control technology is one of the key technologies of electric vehicles, electric cars, is a research and developments priorities.Common
5、dc motor port straight flow is realized by using mechanicalcommutator and mutual transformation between variables on winding stated, in the operation of the must keep sliding contact between brush and commutator, so inevitably there are spark, noise, radio interference, voltage limit, maintenance cy
6、cle operation and environmental protection and many other problems. Because of this development type brushless dc motor has been in recent years people pay special attention to his forehead.Permanent magnet brushless dc motor (especially rare earth permanent magnet motor) is developing rapidly in re
7、cent years the rise of a new type of motor, he used the electronic commutation to replace the mechanical commutation, both has the dc motor speed control performance, and do not need other equipment to cooperate as long as change input or excitation voltage current can realize speed regulation, and
8、ac motor has simple structure, reliable operation, convenient without paying. And small volume, high efficiency, has been widely used in many fields.Key word: brushless dc motor; mechanical commutation; electronic switch line (electronic commutation device); the rotor position sensor目录1 绪论. .11.1 课题
9、的背景及目的21.2 无刷直流电机的应用与发展方向.3 1.3 国内外电机控制研究现状. .31.4 课题研究的目的和内容.42 永磁无刷直流电机的结构和工作原理2.1 永磁无刷电机的结构. 52.2 永磁无刷直流电动机的工作原理52.3 永磁无刷电机稳态计算基本公式3 永磁无刷直流电动机的 Matlab在建模基础上仿真结果及分析. 3.1 永磁无刷直流电机的 Matlab 建模3.2 永磁无刷模型的仿真结果.3.3 仿真结果分析.4 位置信号及其检测技术4.1 传感器位置检测4.2 无位置传感器位置检测4.3 电动汽车用永磁无刷电机位置检测5 永磁无刷电机的控制器.5.1 速度单闭环控制电路
10、5.2 数字 PID 控制器算法及控制原理5.3 PWM 控制的定义及技术的原理5.4 控制器模块的具体分析 . 总 结致 谢参考文献I绪论1.1课题的背景及目的由电动机驱动的汽车。电动机的驱动电能来源于车载可充电蓄电池或其他能量储存装置。大部分车辆直接采用电机驱动，有一部分车辆把电动机装在发动机舱内，也有一部分直接以车轮作为四台电动机的转子，其难点在于电力储存技术。电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。正是这些优点，使电动汽车的研究和应用成为汽车工业的一个“热点”。有专家认为，对于电动车而言，目前最大的障碍就是基础设施建设以及价格
11、影响了产业化的进程，与混合动力相比，电动车更需要基础设施的配套，而这不是一家企业能解决的，需要各企业联合起来与当地政府部门一起建设，才会有大规模推广的机会。电动汽车的动力输出经由蓄电池 电流 电力调节器 电动机 动力传动系统驱动汽车行驶。电动汽车的组成包括：电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统、完成既定任务的工作装置等。电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。电力驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成。电动汽车的其他装置基本与内燃机汽车相同。纯电动汽车，相对燃油汽车而言，主要差别（异）在于四大部件，驱动电机，调速控制器、动力电池、车载充电
12、器。纯电动汽车之品质差异取决于这四大部件，其价值高低也取决于这四大部件的品质。纯电动汽车的用途也在四大部件的选用配置直接相关。传统的内燃机能把高效产生转矩时的转速限制在一个窄的范围内，这是为何传统内燃机汽车需要庞大而复杂的变速机构的原因；而电动机可以在相当宽广的速度范围内高效产生转矩，在纯电动车行驶过程中不需要换挡变速装置，操纵方便容易，噪音低。与混合动力汽车相比，纯电动车使用单一电能源，电控系统大大减少了汽车内部机械传动系统，结构更简化，也降低了机械部件摩擦导致的能量损耗及噪音，节省了汽车内部空间、重量。电机驱动控制系统是新能源汽车车辆行驶中的主要执行结构，驱动电机及其控制系统是新能源汽车的
13、核心部件（电池、电机、电控）之一，其驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标，它是电动汽车的重要部件。无刷直流电机 BLDCM 是永磁同步电动机的一种。永磁同步电动机调速系统常用的有两种系统：正弦波系统和梯形波系统。梯形波永磁同步电动机也称无刷直流电动机，是近年来随着电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型电机。其最大特点是没有换向器(整流子)和电刷组成的机械接触结构。，它通常采用永磁体为转子，没有激磁损耗；发热的电枢绕组又通常装在外面的定子上，这样热阻较小，散热容易。因此，无刷直流电机没有换向火花，不产生无线电干扰，寿命长，运行可靠，维护简便。1.2 无刷电动机的应用与发展方向由于自身的诸多优点，
14、BLDCM 在各个领域，特别是方兴未艾的电动汽车(ElectricVehicleS，以下简称 EV)产业中得到了广泛的应用，并且具有良好的发展前景。汽车是最重要的交通工具，但是石油资源的日益减少以及燃油汽车对对环境的污染已成为亟待解决的问题。因此，无污染低噪声的 EV 的研制和开发热潮已经在全球兴起。Ev 取代燃油汽车是大势所趋，EV 将必然是 2l 世纪汽车工业发展的方向。推广使用 EV，是一个事关环境与可持续发展的重要问题，积极开发和推广使用“绿色”交通工具是此框架下交通变革的必然趋势。EVS 对其动力装置提出了比通常情况更高更复杂的要求；频繁启动停车，快速提降速，低速爬坡时输出高转矩，高
15、速经济行驶时输出低转矩：具有高能量密度和高效率，以尽可能地降低车身的尺寸和重量；既有良好的动态性能，又有高稳态精度，且易于控制。BLDCM 的诸多优势，如起动转矩大、过载能力强，体积小、省电、高效率，长寿命、免维修和控制方便，正合适 EV 的运行特性，将会成为 Ev 的首选。目前，尤其是考虑到 Ev 短距离行驶里程有限。所以，高效率、高单位能量容量和高转矩重量比的 BLDCM 尤其具有吸引力。东京电力著名的 IZA 是一款具有代表性的高性能 EV，采用的就是 BLDCM，技术水平超过了GM 公司。宝马公司的 BMW ElE2 型 Ev 采用的均是 BLDCM，Honda、Toyota 和 Ni
16、ssan 等公司的 EV 也都选择了 BLDCM 作为驱动电动机。由于无刷直流电机调速范围宽，噪声低，效率高，在空调器、电冰箱、洗衣机、DVDCD 机驱动等领域得到了大量应用。例如，在空调压缩机中，由于汽缸中充满了氟氯昂，不能采用会产生火花的有刷直流电机。交流电机成本低，制造工艺简单，但其节能效果差。直流无刷电机既有普通直流电机良好的调速性能，又从根本上消除了换向火花和电磁干扰的弊端，噪声低，可靠性高，寿命长，广泛应用于目前市场上的空调产品之中。70 年代席卷全球的石油危机，促使交流电动机矢量控制技术走出实验室，大规模地应用到了工业生产中去。当时，国外就有权威人士预言：“交流传动现在取代直流传
17、动，而无机械换向器电动机未来将会取代其它一切形式的交流传动形式。”从此之中可以看出无刷直流电动机的广阔应用前景。交流电动机的坐标变换原理和矢量控制技术在数学模型的高度体现了直流电机和交流电机的统一性，而以 BLDCM 为代表的无机械换向器电机则在物理模型上统一了交流电机结构上和直流电机性能上的优越性。电力传动自动控制技术从直流传动到交流传动，再到兼具两者优点的无刷电动机传动，在电磁学基本理论的高度上体现了交直流电动机传动本质上的统一。1.3 国内外电机控制与性能分析的研究现状由于 BLDCM 优异的性能、低廉的成本以及简便的控制方法，日益引起人们的广泛关注。目前，BLDCM 的控制研究焦点主要
18、集中在如下几个领域：（1） 基于稳态模型的标量控制交流电动机最初的运行方式是不受控运行。其控制功能仅限于接通和关断以及某些情况下的辅助起动、制动和反转。为了满足一些调速传动的需要，产生了一些性能较差的控制：如鼠笼异步电动机降压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速和电磁转差离合器调速、绕线式异步电动机串极调速、鼠笼异步电动机变压变频调速（VVVF）、变极调速和同步电机变压变频调速。在以上调速方法中，除变压变频调速外，一般为开环控制，不需变频器，设备简单，但效率低，性能差。鼠笼异步电动机基于恒压频比控制而构成的转差频率闭环控制，性能相对较好，但由于它们都是基于稳态模型，动态性能较差，一般只用于水泵
19、、风机等动态性能要求较低的节能调速和一般调速场合。（2） 矢量控制1971年由德国学者 Blaschke提出的矢量控制理论使交流电机控制由外部宏观稳态控制深入到电机内部电磁过程的瞬态控制。永磁同步电机的控制性能由此发生了质的飞跃。矢量控制最本质的特征是通过坐标变换将交流电机内部复杂耦合的非线性变量变换为相对坐标系为静止的直流变量（如电流，磁链，电压等），从中找到约束条件，获得某一目标的最佳控制策略。（3） 直接转矩控制1985年，Depenbrock 教授提出异步电机直接转矩控制方法。该方法在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，在近似圆形旋转磁场的条件下强调对电机的转矩进行直接控制，省掉了矢量
20、坐标变换等复杂的计算。其磁场定向应用的是定子磁链，只需知道定子电阻就可以把它观测出来，相对矢量控制更不易受电机参数变化的影响。近年来，直接转矩控制方式被移植到永磁同步电机的控制中，其控制规律和关键技术正逐渐被人们了解、掌握。直接转矩控制在全数字化、大转矩、快速响应的交流伺服系统中有广阔应用前景。（4） 非线性控制交流电机是一个强耦合、非线性、多变量系统：非线性控制通过非线性状态反馈和非线性变换，实现系统的动态解耦和全局线性化，将非线性、多变量、强耦合的交流电动机系统分解为两个独立的线性单变量系统。其中转子磁链子系统由两个惯性环节组成。两个子系统的调节按线性控制理论分别设计，以使系统达到预期的性
21、能指标。但是，非线性系统反馈线性化的基础是已知参数的电动机模型和系统的精确测量或观测，而电机在运行中，参数受各个因素的影响会发生变化，磁链观测的准确性也很难论证，这些都会影响系统的鲁棒性，甚至造成系统性能恶化。目前这种控制方法仍有待进一步完善。（5） 自适应控制自适应控制能在系统运行过程中不断提取有关模型的信息，使模型逐渐完善，是克服参数变化影响的有力手段。应用于永磁交流电机控制的自适应方法有模型参考自适应、参数辨识自校正控制以及新发展的各种非线性自适应控制。但所有这些方法都存在的问题是：数学模型和运算繁琐，使控制系统复杂化；辨识和校正都需要一个过程，所以对一些参数变化较快的系统，就会因来不及
22、校正而难以产生很好的效果。（6） 滑模变结构控制滑模变结构控制是变结构控制的一种控制策略，它与常规控制的根本区别在于控制的不连续性，即一种使系统“结构”随时变化的开关特性。其主要特点是，根据被调量的偏差及其导数，有目地的使系统沿设计好的“滑动模态”轨迹运动。这种滑动模态是可以设计的，且与系统的参数及扰动无关，因而使系统具有很强的鲁棒性。另外，滑模变结构控制不需要任何在线辨识，所以很容易实现。在过去 10多年里，将滑模变结构控制应用于交流传动一直是国内外学者的研究热点，并已取得了一些有效的结果。但滑模变结构控制本质上的不连续开关特性使系统存在“抖振”问题。主要原因是：对于实际的滑模变结构系统，其
23、控制力总是受到限制的，从而使系统的加速度有限；系统的惯性、切换开关的时间空间滞后及状态检测的误差，特别对于计算机的采样系统，当采样时间较长时，形成“准滑模”等。所以，在实际系统中“抖振”必定存在且无法消除，这就限制了它的应用。（7） 智能控制专家系统智能控制专家控制(Expert control)是智能控制的一个重要分支。专家控制的实质是基于控制对象和控制规律各种知识，并以智能方式利用这些知识使控制系统尽可能优化。专家控制的基本思想是：自动控制理论+专家系统技术。自动控制系统中存在大量的启发式逻辑，这是因为工业控制对象及其环境的变化呈现出多样性、非线性和不确定性，这些启发式逻辑实际上是实现最优
24、控制目标的各种经验知识，难以用一般的数值形式描述，而适于用符号形式来表达，人工智能中的专家系统技术恰恰为这类经验知识提供了有效的表示和处理方法。知识库和推理机为专家系统的两大要素，知识库存储某一专门领域的专家知识、条目，推理机制按照专家水平的问题求解方法调用知识库中的知识条目进行推理、判断和决策。专家系统与传统自动控制理论的结合，形成了专家控制系统，这类系统以模仿人类智能为基础，弥补了以数学模型为基础的控制系统的不足。目前专家控制的研究大致包括用于传统 PID控制和自适应控制的专家控制和.基于模糊规则的控制方法。模糊逻辑智能控制模糊逻辑控制实质上是利用计算机模拟人的模糊逻辑思维功能实现的一种数
25、字反馈控制。人的思维具有模糊逻辑的特点，因此用计算机模拟人的模糊思维，即模糊概念、模糊判断和模糊推理，就是模糊控制的思维科学基础，再和反馈控制理论相结合就可以实现模糊控制。传统的 PID控制系统设计中需要给出被控对象的精确模型。模型的不精确性及不确定性都会影响 PID控制性能。相反，模糊控制不需要知道被控对象的精确模型，它是基于控制系统输入/输出数据因果关系的模糊推理控制。?模糊控制不是基于被控对象精确模型的控制方式，因此具有较强的鲁棒性，其稳态精度可以通过引进智能积分等方法达到所要求的精度。此外，还可以将模糊逻辑推理和 PID控制相结合，对 PID控制参数进行自适应调整，实现无静态跟踪伺服控
26、制。神经网络智能控制人工神经网络是利用计算机模拟人类大脑神经系统的联接机制而设计的一种信息处理的网络结构，一般简称神经网络（NN）。神经网络中最基本单元是神经细胞，简称神经元。它是一种多输入单输出的信息处理单元，包括输入处理、活化处理和输出处理三个部分。从控制的观点，神经元模型由加权加法器、单输入单输出线性动态系统和静态非线性函数所组成。它们模拟神经细胞综合处理信息的突变性和饱和性的非线性特征。神经网络是由大量神经元构成网络，能够根据某种学习规则，通过调整神经元之间的联接强度（权重）来不断改进网络的逼近性能，即神经网络具有非常强的非线性映射能力。正因为如此，神经网络在智能控制、模式识别、故障诊
27、断、系统辩识等领域获得了广泛应用。除了上述的专家系统，模糊伺服控制、神经网络伺服控制策略外，还有遗传算法等控制。1.4 课题研究的目的和内容根据电动汽车电机驱动系统的特点，本人采用永磁无刷直流电机作为电动汽车驱动电机，结合电动汽车驱动系统的要求，主要对电动汽车用永磁无刷控制技术进行研究。本论文拟作的主要工作有如下：（1）详细分析永磁无刷电机的结构和工作原理，以便于设计其控制系统的仿真结构，在一定的假设简化基础上，分析并建立无刷电机的数学模型和等效电路；（2）设计电动汽车电机控制的控制框图以及软件和硬件；（3）对各种位置检测技术进行分析和阐述，并由此确定电动汽车用永磁无刷直流的位置检测方案；(4
28、)建立系统仿真模型，对永磁无刷直流电机的电流，转矩，转速检测及其控制方法进行研究，并获取仿真实验数据；(5)对电动汽车用永磁无刷直流电机的电流、转矩、转速进行研究，并通过实验获得实验数据，对数据进行分析；(6)对永磁无刷的弱磁理论和控制方法进行简单的综述，分析无刷直流电机弱磁的可能性，并对弱磁进行简单的研究2 永磁无刷直流电机的结构特点及工作原理2.1 永磁无刷电动机的结构永磁无刷电动机可以看做是一台用电子还相装置取代机械换相的直流电动机，如图 2-1 所示，永磁永磁直流无刷电动机结构直流无刷电动机主要由永磁电动机本体、转子位置传感器和电子换向电路组成。无论是结构或控制方式，永磁直流无刷电动机
29、与传统的直流电动机都有很多相似之处：用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极；用具有多相绕组的定子取代电枢；用由固态逆变器和轴位置检测器组成的电子换向器取代机械换向器和电刷。电子换向电路 电动机本体 输出图 2-1 永磁直流无刷电动机的结构2.2 永磁无刷直流电动机的工作原理直流电源功率变换器驱动控制电路位置传感器永磁无刷直流电动机的控制系统主要有永磁无刷直流电动机、直流电压、逆变器、位置传感器和控制器几部分组成，采用“三相六拍 120方波型”驱动。如图 2-2所示。永磁刷刷直流电动机通过逆变器功率管按一定的规律导通、关断，使电动机定子电枢产生按 60电角度不断前进的磁势，带动电动机转子
30、旋转来实现的。分析如图 2-2所示。图 2-2a是理想条件下的电枢各相反电势和电流，每个功率管导通 120电角度，互差 60电角度，当功率管 V3和 V4导通时，电动机的 V和U（电流流进绕组方向为正向）相通(参考图 1)。定子电枢合成磁势为图 2-2b所示的 Fa5；若功率管 V3关断，功率管 V5导通，此时电动机的 W相和U 相通电，电枢合成磁势变为 Fa5，Fa5 比 Fa4顺时针前进了 60电角度。由此可知，定子电枢产生的磁势将随着功率管有规律地不断导通和关断，并按 60电角度不断地顺时针转动。逆变器功率管共有六种出发组合状态，每种出发组合状态只有与确定的转子位置或发电动机波形相对应，
31、才能产生最大的平均电磁转矩。当两个磁势向量的夹角为 90是，相互作用力最大。而电子电枢产生的磁势是以 60电角度在前进，因此在每种出发模式下，转子磁势与定子磁势的夹角在 60120范围变化才能产生最大的平均电磁转矩。如图 2-2c所示，假如在 t1时刻，转子的此时 Fj处于线圈 U、y 平面内，且使转子顺时针旋转，此时应该导通功率管 V5和 V4，使定子的合成磁势为 Fa5与 Fj的夹角成 120。转子在 Fa5与 Fj相互作用产生电磁转矩的作用下顺时针旋转，到 t3时刻 Fa5与 Fj的夹角成 60，此时关断功率管 V4，导通功率管 V6，定子合成磁势为 Fa6，与 Fj的夹角成 120，两
32、者产生的电磁转矩使转子进一步旋转。V1 V3 V5 直流无刷电机 V4 V6 V22-2 无刷直流电动机的电流换向器 的工作原理图。LEM 电流传感器ADC POPINT I/O SPI速度给定保护电路 控制指令 显示电路U Fa1 Fa2 U -U Fa4 Fa5 -U -W V W -V -U -W Fa3 V w Fa62-2a) 理想条件下的电枢各相反电势和电流t3 t4Z Fa5t2 FyNt1U X XY W2-2b) 定子电枢合成磁势电枢 U 相反电动势及电流FuO tu t电枢 V 相反电动势及电流tv FvO t电枢 W 相反电动势及电流O ttwFw2-2c）2.3 永磁无
33、刷电机的稳态计算公式BLDCM（以后都用这个单词代替无刷直流电动机）的结构多种多样，既有气隙磁场按近似分布，又有按正弦分布的，因此，简单假定其为梯形波分布，将 BLDCM 三相方程变换为dq 方程式是不恰当的。若将电感表示为级数形式且采用多参考坐标理论，也可以进行这种坐标变换，但运算繁琐；若仅仅取其基波进行交换，则计算误差大。相反，直接利用电机原有的相变量来建立数学模型却比较方便，又能获得较准确的结果。为简化分析，以一台三相两极 BLDCM 为例，在允许范围内做如下假设：定子绕组为三相星形连接，无中线引出；忽略齿槽效应，绕组均匀分布于光滑定子的内表面；忽略磁路饱和，不计涡流和磁滞损耗；转子上没
34、有阻尼绕组，永磁铁不起阻尼作用。（1）电枢组感应电动势单根导体在气隙磁场中的感应电动势为（2.1）式中 为气隙磁感应强度；为导体有效长度；导体相对磁场的线速度；（2.2）式中 为电机转速（r/min）为电枢内径；为极矩；为极对数设电枢绕组每相串联匝数为 ，则每相绕组的感应电势为（2.3）将式（2.2）代入式（2.1）得（2.4）方波气隙磁感应强度对应每极磁通为（2.5）式中 为计算极弧系数，则有（2.6） 将式（2.6）代入式中（2.3）得每相绕组感应电势(2.7)则线电势，即电枢感应电势为(2.8)式中 为电势常数（2）电枢电流在每个导通时间内有以下电压平衡方程式(2.9) 式中 为电源电压
35、；为开关管的饱和压降为每相绕组电流；为每相绕组电阻。由上式得(2.10)（3）电磁转矩在任一时刻，电机的电磁转矩 由两相绕组得合成磁场与转子永磁场互相作用而产生，则（2.11）式中 为电机的角速度。则有(2.12)式中 为转矩常数。（4）转速将式（2.8）代入式（2.9）得(2.13)空载转速为（2.14）（5）电势系数与转矩系数电势系数为（2.15）转矩系数为（2.16）当电机以角速度 来表示时，则电势系数为（2.17）将式（2.15）代入式（2.17），得（2.18）可见电势系数 与转矩系数 相等。（6）永磁无刷直流电机的数学模型因为永磁无刷直流电机的气隙磁场、反电动势以及电流是非正弦的，
36、因此采用直交轴坐标变换已经不是可行有效的方法。通常，直接利用电机本身的相变量来建立数学模型。该方法既简单又具有较好的准确度。在假设磁路不饱和，不计涡流和辞职损耗，三相绕组完全对称，则三相绕组的电压平衡方程可表示为（2.19）式中 、 、 为定子相绕组电压（V）；、 、 为定子相绕组电流（A）；、 、 为定子相绕组电动势（V）；为每相绕组的自感（H）；为每两相绕组间的互感（H）；微分算子由于转子的磁阻不随转子位置变化而变化，因而定子绕组的自感与互感为常数。当三相绕组为 Y 连接，且没有中线，则有（2.20）并且（2.21）将式(2.20)和式（2.21）代入（2.19），得到电压方程为（2.22
37、）电磁转矩为（2.23）(7)运动方程运动方程为：(2.24)式中： 为电磁转矩, 为负载转矩, 为转子的机械角速度, 为阻尼系数, 为转动惯量。(8)等效电路根据电压方程式（2.22），可以简化出电机的等效电路图，如图(2.4)所示。图 2.3 永磁无刷直流电机等效电路2 永磁无刷直流电动机的 Matlab在建模基础上仿真结果及分析3.1永磁无刷直流电机的 Matlab仿真建模梯形永磁同步电动机与直流电机比较，一般直流电机的励磁在定子上，梯形波永磁同步电动机的励磁在转子上，并用永磁体代替，而将直流电动机转子上的电枢做在了定子上。直流电动机是通过电刷和换向器组成的机械式逆变器将直流电变换为电枢
38、绕组需要的交流电，而梯形波永磁同步机电动机的电枢绕组在定子上，因此可以给定子上的电枢绕组直接通交流电不再需要机械式的换向器，故称为无刷直流电机，正因如此，无刷直流电机与直流电机有相同的工作原理，可以进行调压调速。直流电动机转子的交流点频率是随转速变化的，因此无刷直流电动机定子绕组的交流电频率也需要随转速变化，即无刷直流电动机工作时也需要调压调频，因此定子绕组一般由电力电子变频器供电。由于交流电动机的转速随频率变化，而无刷直流电动机的频率是随转速变化，这造成了无刷直流电动机 控制的特殊性，需要通过转子励磁的位置来决定无刷直流电动机绕组的通电时刻。 梯形波永磁同步电机调速系统的仿真模型如图 2.4
39、 所示，系统主电路由模块直流电源 、逆变器（Universal Bridge）和永磁同步电机（permanent magnet synchronous machine）组成，永磁同步电动机的励磁类型选择梯形波 Trapezoidal（参考图 2-2c）。图 3.1 永磁无刷电机调速系统仿真模型表 2.6 永磁无刷同步电机调速系统模型参数定子电阻 励磁磁通永磁无刷电机 定子电感 励磁脉冲宽度 电压 300V 转动惯量 极对数转速调节器 比例系数 积分系数本电机仿真模型设定的额定转速是 2000r/min，3.1永磁无刷模型的仿真结果在 simulink 模型启动后的仿真结果如图 3.2 所示，为
40、给定 2000r/min 带载 1.5N.m 启动时的转速响应，定子电阻为 4.765w,定子电感 1m 为 0.0085h，转动惯量 j 为0.008kg.m2，励磁磁通为 0.1848wb，励磁脉冲宽度为 ，极对数 p 为 2，转速调节器的比例系数为 10.7，积分系数为 0.15，负载转矩为 1.5N.m 启动时的转速响应。 图 3.2a) 为定子电流的波形，启动时电动机速率略有调速后进入稳态，稳态转速波动很小,但在调速之前转速有一定的波动，出现了一个最大值，如图 3.2b）为电机输出的转速 n。 图 3.2c) 转矩响应曲线， 图 3.2d）为电动机转子转动角度的幅值.可以看到无换向器
41、电动机呈现交流方波，由于电压采用了 PWM 控制，在 导通区间内电流有脉动，这使电动机电压和转矩也产生一定脉动。a) b)c) d)图 3.2 永磁无刷电机调速系统波形 a)定子电流 b)电机转速 c)转矩响应曲线 d)转子转动幅值如图 3.3 所示为无换向器电动机输入的三相交流电，相差 120 度的电角度，组合成六个循环变化的状态，每个状态导通电机的两相。a)b)c)图 3.3 无刷电动机输入的三相交流电 a)b)c)分别为 A、B、C 相电流的变化图像由电机总线选择器（busselect）导出三相交流电的图像，可以看出三相电压除了在开始阶段有很大的跳变时，过后就会形成一个稳定的状态，当然还
42、是有小的失衡。如图图 3.4 输入的两相电流 A、B 之间电压图像，可见每当一个周期内，两条线之间会出现一个电压峰值。而其实存在三相电流，那么电机所运行时始终保持最高电压状态。图 3.4 输入的两相电流 A、B 之间电压图像3.3仿真结果分析在启动初始阶段，转矩有较大峰值，这是因为在无刷直流电动机启动时。无刷直流电机的反电动势还没来得及建立起来，相电流较大，造成转矩峰值；在反电动势建立起来后，转矩迅速降到稳态值，转矩脉动很小。以上波形与与无刷直流电机的理论波形很吻合。充分说明建立的无刷直流电机控制系统仿真模型是准确的，且行之有效。本文基于 MatlabSimulink 建立了 BLDC 控制系
43、统的仿真模型，并对该模型进行了BLDC 双闭环控制系统的仿真。仿真中，BLDC 电机参数设置为：定子相绕组电阻 R=1Q，定子相绕组自感 L 一 002L，互感 M 一一 0061H，转动惯量 I，一 0005kgm2， 阻尼系数B=00002Nins，rad，额定转速 n=1000rmin，极对数 p=1，220V 直流电源供电。离散 PID 控制器三个参数 Kp=5，Ki=001，Kd=0001，饱和限幅模块幅值限定在+-35内，采样周期 T=001s。可得到系统转速、转矩、三相电流和三相反电动势仿真曲线如图 3.2 和图 3.3 所示。由仿真波形可以看出，在 2000rmin 的参考转速
44、下，系统响应快速且平稳，相电流和反电动势波形较为理想。仿真波形图 3.2 表明：起动阶段系统保持转矩恒定，因而没有造成较大的转矩和相电流冲击，参考电流的限幅作用十分有效；其结果与仿真波形一致，证明了本文所提出的这种新型 BLDC 仿真建模方法的有效性及控制系统的合理性。4 位置信号及其检测技术永磁无刷直流电机转子信号，主要功能是用于电流的换相，也就是用于控制开关管的通断。从上面的分析可以知道，电流换相发生在六个关键的磁状态。因而，转子位置传感器只需要检测到一周期中的六个关键磁状态就可以满足无刷直流电机基本的控制要求。一般地，转子位置信号由三路信号组成，如图 4.1 所示，每路信号为 180 度
45、电角度的高电平以及 180度电角度的低电平周期性地变化，每路信号两两呼呼相差 120 度的电角度，组合成六个循环变化的状态，每个状态导通电机的两相。图 4.1 转子位置信号及导通相对应关系图转子位置信号检测主要有两种方式：一种是通过转子位置传感器检测位置信号；另一种是无位置传感器检测位置信号。本文主要对位置传感器进行介绍，对后一种略微提及。4.1 转子位置传感器检测位置信号位置传感器定义：能感受被测物的位置并转换成可用输出信号的传感器。它能感受被测物的位置并转换成可用输出信号的传感器。位置传感器可分为两种，直线位移传感器和角位移传感器。位置传感器是组成无刷直流电动机系统的三大部分之一，也是区别
46、于有刷直流电动机的主要标志。其作用是检测主转子在运动过程中的位置，将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，以控制它们的导通与截止，使电动机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换向，形成气隙中步进式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转。直流无刷电机需要位置传感器来测量转子的位置，电机控制器通过接受位置传感器信号来让逆变器换相与转子同步来驱动电机持续运转。尽管直流无刷电机也可以通过定子绕组产生的反感生电动势来检测转子的位置，而省去位置传感器，但是电机启动时，转速太小，反感生电动势信号太小而无法检测。转子位置传感器对电机转子位置进行检测，其输出的信号竟有逻辑变换
47、后用来控制开关管的通断，使电机各组绕组按顺序导通，保证电机能够持续工作。转子位置传感器也由转子和定子组成，其转子与电机同一轴，以跟踪电机转子的位置；其定子固定于电机定子或端盖上，以检测和输出转子位置信号。转子位置传感器的主要技术指标为：输出信号的幅值、精度，响应速度，工作温度，抗干扰能力，损耗，体积重量，安装方便性以及可靠性等。其中包括磁敏式、电磁式、光电式，下文主要介绍常用几种。（1） 霍尔元件位置传感器霍尔元件位置传感器是磁敏式位置传感器一种，它基于霍尔效应制成的半导体器件，用他可以检测磁场及其变化。霍尔位置传感器和电动机本体一样，也是由静止部分和运动部分组成，即位置传感器定子和位置传感器转子。其转子与电机主转子一同旋转，以指示电机主转子的位置，既可以直接利用电动机的永磁转子，也可以在转轴其他位置上另外安装永磁转子。定子是由若干个霍尔元件，按一定的间隔，等距离地安装在传感器定子上，以检测电机转子的位置。图 4.2为霍尔位置传感器的
