无刷直流电机控制系统建模与仿真

无刷直流电机控制系统建模与仿真

作者：孔祥吉 侯文

来源：《电子世界》2013年第17期

【摘要】在Matlab/Simulink下，结合Simulink基础模块与S-Function，构建了无刷直流电机控制系统的仿真模型。系统采用双闭环控制：速度环采用PI控制，电流环由电流滞环比较器构成。仿真结果表明，此种建模方法具有快速、实用的优点，有利于无刷直流电机控制系统的快速开发。

【关键词】无刷直流电机；电流滞环；反电势

1.引言

无刷直流电机（Brushless DC Motor，以下简称BLDCM）是随着电力电子技术及新型永磁材料的发展而迅速成熟起来的一种新型电机。以其启动转矩大、调速性能好、效率高、过载能力强、性能稳定、控制结构简单等优点，同时还保留了普通直流电机优良的机械特性，广泛应用于伺服控制、数控机床、机器人等领域[1]。随着BLDCM应用领域的不断扩大，对控制系统设计提出了更高的要求。为此，建立BLDCM控制系统的可视化仿真模型，可以有效的减少控制系统的设计时间，同时充分利用Simulink仿真的优越性，加入不同的扰动以及变化的参数，以便考察系统在不同控制条件下的动、静态特性。在分析了BLDCM数学模型的基础上，借助MATLAB的Simulink工具，建立了BLDCM控制系统的仿真模型，并利用该模型，进行了控制系统的仿真试验，结果表明，通过该仿真模型验证了数学模型的有效性及控制系统的合理性，加快了BLDCM控制系统的调试进程。

2.无数直流电机的数学模型

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BLDCM由定子三相绕组、永磁转子、逆变器、转子磁极位置检测器等组成[1]，其转子采用瓦形磁钢，进行特殊的磁路设计，可获得梯形波的气隙磁场，定子绕组采用集中整距绕组，由逆变器提供给方波电流。BLDCM梯形波反电动势和方波电流之间的关系，如图1所示。BLDCM的反电动势波形是梯形波，并且定子和转子间的互感是非正弦的[2]，在此，采用感应电动机d-q变换理论的方法进行分析效果不理想，而直接利用电动机原有的相变量法，根据转子位置，采用分段线性表示感应电动势。

3.1 BLDCM本体模块

3.2 电流滞环控制模块

由仿真波形可以看出，在n=2400r/min的参考转速下，系统响应快速且平稳，相电流和反电动势波形较理想。图9、10表明：起动阶段系统保持转矩恒定，没有造成较大的转矩和相电流冲击，说明参考电流的限幅作用有效；空载稳速运行时，忽略系统的摩擦转矩，此时的电磁转矩均值为零；在t=0.5s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。仿真结果表明了本文提出的这种BLDCM仿真建模方法的有效性及控制系统的合理性。

5.结论

在分析BLDCM数学模型的基础上，在Matlab/Simulink仿真环境下，结合独立的功能模块与S-Function模块，建立了BLDCM双闭环控制系统仿真模型，仿真结果表明：波形符合理论分析，系统能够平稳运行，具有较好的动、静态特性。采用此BLDCM仿真模型，可以便捷的实现与验证控制算法。为分析与设计无刷直流电机控制系统提供了有效手段，也为实际电机控制系统的设计提供了新的思路。

参考文献

[1]王季铁，曲家骐.执行电动机[M].北京：电子工业出版社，1997：74-91.

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[2]叶振锋，雷淮刚.基于MATLAB的无刷直流电机控制系统仿真[J].微特电机，2006，03（5）：19-21.

[3]李宁，刘启新.电机自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2005，85-93.

[4]纪志成，沈艳霞，姜建国.基于Matlab无刷直流电机系统仿真建模的新方法[J].系统仿真学报.2003，15（12）：1745-1749.

[5]殷云华，郑宾，郑浩鑫.一种基于Matlab的无刷直流电机控制系统建模仿真方法[J].系统仿真学报，2008，20（2）：293-298.

[6]Ionel D M，Eastham J F，Betzer T.Finite element analysis of a novel brushless DC motor with flux barriers[J].IEEE Trans.on Magnetics，1995，31（6）：3749-3751.

作者简介：孔祥吉（1989—），男，内蒙古通辽人，中北大学硕士研究生在读，主要研究方向：动态测试与智能仪器。