直流电动机建模与仿真实验

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一种基于Matlab的无刷直流电机控制系统建模仿真方法

一种基于Matlab的无刷直流电机控制系统建模仿真方法一、本文概述无刷直流电机（Brushless DC Motor, BLDC）以其高效率、低噪音、长寿命等优点，在航空航天、电动汽车、家用电器等领域得到广泛应用。

为了对无刷直流电机控制系统进行性能分析和优化，需要建立精确的数学模型并进行仿真研究。

Matlab作为一种强大的数学计算和仿真软件，为无刷直流电机控制系统的建模仿真提供了有力支持。

二、无刷直流电机控制系统原理1、无刷直流电机基本结构和工作原理无刷直流电机（Brushless Direct Current Motor，简称BLDCM）是一种基于电子换向技术的直流电机，其特点在于去除了传统直流电机中的机械换向器和电刷，从而提高了电机的运行效率和可靠性。

无刷直流电机主要由电机本体、电子换向器和功率驱动器三部分组成。

电机本体通常采用三相星形或三角形接法，其定子上分布有多个电磁铁（也称为线圈），而转子上则安装有永磁体。

当电机通电时，定子上的电磁铁会产生磁场，与转子上的永磁体产生相互作用力，从而驱动转子旋转。

电子换向器是无刷直流电机的核心部分，通常由霍尔传感器和控制器组成。

霍尔传感器安装在电机本体的定子附近，用于检测转子位置，并将位置信息传递给控制器。

控制器则根据霍尔传感器提供的位置信息，控制功率驱动器对定子上的电磁铁进行通电，从而实现电机的电子换向。

功率驱动器负责将控制器的控制信号转换为实际的电流，驱动定子上的电磁铁工作。

功率驱动器通常采用三相全桥驱动电路，具有输出电流大、驱动能力强等特点。

无刷直流电机的工作原理可以简单概括为：控制器根据霍尔传感器检测到的转子位置信息，控制功率驱动器对定子上的电磁铁进行通电，产生磁场并驱动转子旋转；随着转子的旋转，霍尔传感器不断检测新的转子位置信息，控制器根据这些信息实时调整电磁铁的通电状态，从而保持电机的连续稳定运行。

由于无刷直流电机采用电子换向技术，避免了传统直流电机中机械换向器和电刷的磨损和故障，因此具有更高的运行效率和更长的使用寿命。

无刷直流电动机系统建模与仿真

动机控制系统的仿真模型来验算各种控制算法，优化整个系统，以在短时间内设计出预期效果的控可制系统。使用ＳｍＰｗｒｙｔｍｓ模块建立仿真模ｉｏｅＳｓｅ型，从原理上容易理解，避免繁琐的编程过程，能但其运行速度太慢，响其实用价值。本文采用Ｓｍ— 影ｉ
快速性和可靠性。
关键词：流无刷电机；ｉｌｋ数学模型；直Ｓｍｕｉ；ｎ建模仿真
中图分类号：Ｐ９．Ｔ３１９
文献标识码：Ａ
１永磁无刷直流电动机数学模型
文章编号：０１— ２７２０）１０５ —Ｏ１０２５（０８１ — ０ｌ３
ＳＵＮＸｉ—ｔｎｇ，ＡＮＧｏＷＹｕ— ｃ。ａｉＹＡＮｅＷｉ
（ｌｇｆＭａｉｅＥｎｉｅｒｎ，ｒｈｓｅｎＰｌｔｃｎｃｌｎｖｒｉｙＸｉａ１０２，ｈｎ）ＣｏｌｅｏｒｎｇｎｅｉｇＮｏｔｗｅｔｒｏｙｅｈｉａｉｅｓｔ， ’ ｎ７０７ＣｉａｅＵ
无刷直流电动机系统建模与仿真
孙希通，育才，王严卫
（西北工业大学航海学院，西西安７０７）陕１０２
ＭｏｅｉｇａｄＳｍｕａｉｎｏｈｄｌｎｉｌｔｆｔｅＢＬＤＣＭｏｏｎｒｌｙｔｍｎｏｔｒＣｏｔｏｓｅＳ
Ａｂｔａｔｓｒｃ：Ｂａｅｏｍａｈｍａｉａｍｏｅｏｓｄｎｔｅｔｃｌｄｌｆ

无刷直流电机的建模与仿真

无刷直流电机的建模与仿真摘要：该文在分析无刷直流电机（bldcm）数学模型和工作原理的基础上，利用matlab软件的simulink和psb模块，搭建无刷直流电机及整个控制系统的仿真模型。

该bldcm控制系统的构建采用双闭环控制方法，其中的电流环采用滞环电流跟踪pwm，速度环采用pi控制。

仿真和试验分析结果证明了本文所采用方法的有效性，同时也证明了验证其他电机控制算法合理性的适用性，为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。

关键词：bldcm控制系统；无刷直流电机；数学模型；matlab；电流滞环中图分类号： tp391 文献标识码：a 文章编号：1009-3044（2013）05-1172-03随着现代科技的不断发展，无刷直流电动机应用技术越发成熟，应用领域也越发广泛，用户对无刷直流电动机使用增多的同时，对其控制系统的设计要求也变得越来越高。

包括低廉的设计和搭建成本、短的开发周期、合适的控制算法、优良的控制性能等。

而科学合理的无刷直流电动机控制系统仿真模型的建立，对控制系统的直观分析、具体设计，快速检验控制算法，降低直流电机控制系统的设计成本，拥有十分重要的意义。

直流无刷电动机利用电子换向原理和高磁性材料，取代了传统的机械换相器和机械电刷，解决了有刷直流电动机换向器可维护性差和较差的可靠性的致命缺点，使得直流电动机的良好控制性能得到维持，直流电动机得到更好的应用。

伴随着如今功率集成电路技术和微电子技术的发展，控制领域相继出现了大量无刷直流电动机专用驱动和控制芯片，解决高性能无刷电动机驱动控制问题所提出的解决方案也变得更加丰富和科学，无刷直流电机在控制领域显示出前所未有的广阔应用前景[1]。

通过无刷直流电动机控制系统的仿真模型来检验各种控制算法，优化整个控制系统的方法，可以在短时间内得到能够达到预期效果的控制系统。

在对无刷直流电机电流滞环控制和数学模型等分析的基础之上，可以利用simulink中所提供的各种模块，构建出bldcm 控制系统的仿真模型，从而实现只利用simulink中的模块建立bldcm控制系统仿真模型。

开环直流调速系统的动态建模与仿真

电控学院运动控制系统仿真课程设计院（系）：电气与控制工程学院专业班级：姓名：学号：开环直流调速系统的动态建模与仿真摘要：MATLAB仿真在科学研究中的地位越来越高，如何利用MATLAB仿真出理想的结果，关键在于如何准确的选择MATLAB的仿真。

本文就简单的开环直流调速系统的MATLAB仿真这个例子，通过对MATLAB的仿真，得到不同的仿真结果。

通过仿真结果的对比，对MATLAB的仿真进行研究。

从而总结出如何在仿真过程中对MATLAB的仿真做到最优选择。

详细介绍了用MATLAB语言对《电机与拖动》中直流电动机调速仿真实验的仿真方法和模型建立。

其仿真结果与理论分析一致，表明仿真是可信的，可以替代部分实物实验。

首先在分析直流调速系统原理的基础上, 介绍了基于数学模型的仿真, 在仿真中可灵活调节相关参数, 优化参数设计。

其次完成了基于系统框图, 并分析了调速系统的抗干扰能力。

采用工程设计方法对开环直流调速系统进行设计,选择调节器结构,进行参数的计算和校验；给出系统动态结构图,建立起动、抗负载扰动的MATLAB 仿真模型。

分析系统起动的转速和电流的仿真波形,并进行调试,使开环直流调速系统趋于合理与完善。

1.1课题背景直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。

在20世纪60年代，随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力传动控制技术研究和应用的繁荣。

晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。

尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。

但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。

现在的直流和交流调速装置都是数字化的，使用的芯片和软件各有特点，但基本控制原理有其共性。

长期以来，仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上，即在系统模型建立以后要设计一种算法。

无刷直流电机PWM调速控制系统的建模与仿真

数控技术
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２、无捌直流电机的数学模型
以两相导通三相六状态的无刷直流电机为例。波无刷直流电方动机的主要特征是反电动势为梯形波，包含有较多的高次谐波，这意味着定子和转子的互感是非正弦的，且无刷直流电动机的电并感为非线性【采用直、ｌ１。交变换理论己经不是有效的分析方法，因此应该利用电机本身的相变量来建立数学模型。简化数学模型的为建立，电动机模型建立时，在认为电动机气隙是均匀的。并作以下假设【．２Ｊ（）１电动机的气隙磁感应强度在空间呈梯形（近似为方波分布）；（）子齿槽的影响忽略不计；２定（）３电枢反应对气隙磁通的影响忽略不计；（）略电动机中的磁滞和涡流损耗；４忽（）相绕组完全对称。５三无刷直流电动机在运行过程中，每相绕组通过的不是持续不变的电流，电流和转子作用产生的转矩，该以及绕组上的感应电动势
－－一Ｊ－一
０．３００．４００．５０

直流电机的建模与仿真

转速n
电机双闭环调整系统的动态结构图
动态结构图
nc
kp
kd
PWM
u
电机
dn
n
电机系统的建模
一、电动机系统的数学模型
1、列些状态空间空间模型选取参数分别为 L,R i , K R , J, Ki , K n
输入变量为U,状态变量为n、i 系统的状态空间模型为：
di ( Ri i K R n U) / L dt J dn K i K n 2 i n dt
电机系统的仿真
MATLAB仿真的源程序： function dj() dt=0.02/6; x=[0;0]; y=x; t=0; nc=1000; for i=1:2000 t=[t i*dt]; x=x+(dt*fx(x,nc))'; y=[y,x]; end figure plot(t,y,'LineWidth',2);
function [dx]=fx(x,nc) L=1.5; J=0.25; kr=0.4; Ri=0.2; ki=2.2; kn=0.00015; u=220; kp=4; kd=7; i=x(1); n=x(2);
x=[i,n]'; dn=(ki*i-kn*n^2)/J; du=kd*(kp*(nc-n)-dn); di=-(Ri*i+kr*n-du)/L; Uc=du; if(Uc>0) Uc=u; end if(Uc<0) Uc=0; end dx(1)=di; dx(2)=dn;
电机转速的动态仿真曲线
仿真曲线图
电机转速的动态特性总结
通过电机的状空间数学模型以及电机的MATLAB仿真图形，我们可以知道：电机启动时电流迅速增大，达到最大值后又下降，当转速上升到给定的转速时，电流值趋于稳定，不再发生变化，同时电机的转速也达到稳定。

电动汽车用无刷直流电动机模糊控制系统的建模与仿真

络进程的必经之路。本文提出的建设思路和策略对ＴＤ — ＬＴＥ室内分布系统规划建设具有重要的指导意
义。
作者简介：陈永安（１９９４一），男，本科，主要从事通信工程等方
面的研究。收稿日期：２０１３年Ｏ１月０４日
差，存在超调，达不到高性能和高精度的要求＿＿２Ｊ。考虑到模糊控制器具有快速性、稳定性和鲁棒性强等优点，所以采用了模糊控制策略。文献１－３３利用模糊逻
辑控制器调节ＰＩＤ各参数，达到了模糊控制的目的；
０
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（１）
图２电压平衡方程等效模块
Ｌ—Ｍｌ
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２．２反电动势模块
２．１电压平衡方程等效模块。
根据式１，得到ＢＬＤＣＭ的电压平衡方程的等效模型，如图２所示， “ 。、 “ 、 “ 为三相绕组的端电
压；ｅ、、ｅ为三相绕组上产生的反电动势；ｉ。、
ｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅａｂｉｌｉｔｙａｎｄｓｏｏｎ，ｗｈｉｃｈｍａｋｅｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｔｈｅｂｅｔｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌａｂｉｌｉｔｙ．
但模糊逻辑规则数和计算量大，控制器的实时性难以

(完整版)直流电动机建模及仿真实验

动态系统建模仿真实验报告姓名：学号：联系方式：（Tel）（Email）2010年11月11日目录1直流电动机建模及仿真实验 (1)1.1实验目的 .............................................................................................................. 1 1.2实验设备 .............................................................................................................. 1 1.3实验原理及实验要求 .......................................................................................... 1 1.3.1实验原理 ....................................................................................................... 1 1.3.2实验要求 ....................................................................................................... 2 1.4实验内容及步骤 .................................................................................................. 3 1.4.1求电动机的传递函数模型和频率特性 ....................................................... 3 1.4.2设计Simulink 框图求电机的调速特性 ....................................................... 5 1.4.3设计Simulink 框图求电机的机械特性 ....................................................... 7 1.4.4求电机转速的阶跃响应和机电时间常数 ................................................... 8 1.5实验结果分析 . (10)2考虑结构刚度时的直流电动机-负载建模及仿真实验 (11)2.1实验目的 ............................................................................................................ 11 2.2实验设备 ............................................................................................................ 11 2.3实验原理及实验要求 ........................................................................................ 11 2.3.1实验原理 ..................................................................................................... 11 2.3.2实验要求 ..................................................................................................... 13 2.4实验内容及步骤 ................................................................................................ 13 2.4.1求从a u 到m θ的传递函数模型和频率特性 ................................................ 13 2.4.2求从m θ到L θ的传递函数模型、频率特性和根轨迹 ............................... 15 2.4.3求不同刚度系数对应的从a u 到L θ的电机-负载模型的频率特性 ........... 17 2.5实验结果分析 . (18)1直流电动机建模及仿真实验1.1实验目的（1）了解直流电动机的工作原理；（2）了解直流电动机的技术指标；（3）掌握直流电动机的建模及分析方法；（4）学习计算直流电动机频率特性及时域响应的方法。

matlab直流电动机调速系统仿真实训心得

一、概述在现代工业生产中，直流电动机广泛应用于各种设备和机械中，其调速控制系统的稳定性和性能直接影响到整个生产线的效率和质量。

为了提高学生的实践操作能力和掌握直流电动机调速系统的原理和方法，我校开设了相关的仿真实训课程。

在本次实训中，我主要使用Matlab 软件，进行了直流电动机调速系统的仿真实验，获得了丰富的经验和收获，现将心得体会整理如下。

二、理论基础1. 直流电动机调速原理直流电动机调速系统是通过调节电动机的电流或电压来实现转速的调节。

常用的调速方法包括电阻调速、调速励磁和PWM调速等。

2. Matlab在仿真中的应用Matlab是一种功能强大的科学计算软件，广泛用于工程技术领域。

其仿真环境和信号处理工具箱可以方便地进行电机控制系统的建模和仿真。

三、实训内容与步骤1. 系统建模我根据直流电动机的特性和调速原理，进行了系统的建模工作。

通过Matlab的Simulink工具，搭建了直流电动机的数学模型，包括电动机的等效电路、控制系统和负载模型等。

2. 参数设置与仿真在建立完毕电机系统模型后，我对电机的各项参数进行了设置，包括额定转速、额定电流、负载惯量等。

利用Matlab进行了系统的仿真实验，观察了不同调速方法对电机性能的影响。

3. 实验结果分析通过对仿真实验数据的分析，我发现了不同调速方法的优缺点，比较了电机在不同负载和控制参数下的性能表现，提出了一些改进和优化控制策略的建议。

四、心得体会与经验总结1. 对仿真实验的认识通过本次实训，我深刻体会到仿真实验的重要性。

在实际工程中，通过仿真可以事先评估系统设计的合理性，降低试错成本，提高工程质量。

2. 对Matlab的认识与应用Matlab作为工程领域的标准软件之一，其强大的建模和仿真能力为工程师提供了便利。

在实训中，我更加熟练地掌握了Matlab的使用技巧，对其在电机控制系统仿真中的应用有了更深刻的理解。

3. 对直流电动机调速系统的认识通过本次实训，我对直流电动机调速系统的原理和方法有了更加深入的了解，认识到了控制系统设计和参数调节对电机性能的影响，为今后的工程实践打下了坚实的基础。

四相无刷直流电动机系统建模与仿真

第２ｌ卷第ｌ９期
Ｖ０１．２１Ｎｏ．１９
电子设计工程
ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＤｅｓｉｇｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２０１３年１０月
Ｏｃｔ．２０１３
四相无刷直流电动机系统建模与仿真
直流电动机由于调速性能好，堵转转矩大等优点而在各种运动控制系统中得到广泛应用。随着电子技术，计算机技术以及永磁材料的迅速发展，诞生了无刷直流电动机。无刷直流电动机结构简单，运行可靠，维护方便，并且转速不再受机械换向的限制，用途非常广泛。四相无刷直流电动机是无
（ＳｈａｎｇｈａｉＭａｒｉｔｉｍｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｎｇａｈｉａ２０１３０６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｔａｋｅｓｔｈｅｏｆｕ￣ｐｈａｓｅｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｉｓｍｂｒｕｓｈｌｅｓｓＤＣｍｏｔｏｒ（ＢＬＤＣＭ）ａｓｔｈｅｅｘａｍｐｌｅｔｏａｎａｌｙｚｅ
确性。分析了参数变化对转速的影响，为四相无刷电机控制系统的设计和调试奠定了基础。关键词：四相无刷直流电动机；数学模型；Ｍａｔｌａｂ：电机转速

“双闭环控制直流电动机调速系统”数字仿真实验

“双闭环控制直流电动机调速系统”数字仿真实验24、SIMULINK建模我们借助SIMULINK，根据上节理论计算得到的参数，可得双闭环调速系统的动态结构图如下所示：图7 双闭环调速系统的动态结构图（1）系统动态结构的simulink建模①启动计算机，进入MATLAB系统检查计算机电源是否已经连接，插座开关是否打开，确定计算机已接通，按下计算机电压按钮，打开显示器开关，启动计算机。

打开Windows开始菜单，选择程序，选择MATAB6.5.1，选择并点击MATAB6.5.1，启动MATAB程序，如图8，点击后得到下图9：图8选择MATAB程序图9 MATAB6.5.1界面点击smulink 中的continuous,选择transfor Fc n（传递函数）就可以编辑系统的传递函数模型了，如图10。

图10 smulink界面②系统设置选择smulink界面左上角的白色图标既建立了一个新的simulink模型，系统地仿真与验证将在这个新模型中完成，可以看到在simulink目录下还有很多的子目录，里面有许多我们这个仿真实验中要用的模块，这里不再一一介绍，自介绍最重要的传递函数模块的设置，其他所需模块参数的摄制过程与之类似。

将transfor Fc n（传递函数）模块用鼠标左键拖入新模型后双击transfor Fc n（传递函数）模块得到图11，开始编辑此模块的属性。

图11参数表与模型建立参数对话栏第一和第二项就是我们需要设置的传递函数的分子与分母，如我们需要设置电流环的控制器的传递函数：0.01810.0181()0.2920.0180.062ACR s s W s s s++=⋅=，这在对话栏的第一栏写如：[0.018 1]，第二栏为：[0.062 0]。

点击OK ，参数设置完成。

如图12。

图12传递函数参数设置设置完所有模块的参数后将模块连接起来既得到图7所示的系统仿真模型。

在这里需要注意的是，当我们按照理论设计的仿真模型得到的实验波形与理想的波形有很大的出入。

基于VisSim的单相无刷直流电动机的建模与仿真

制建模和仿真软件。利用Ｖｓｉ／Ｃ可将ｉｍＥＤＳＶｓｉ／ｔｎ设计的控制算法自动生成高质量的ｉｍＭｏｉＳｏＣ语言定点代码，直接下载到目标ＤＰ中进行调并Ｓ试，可大大缩短系统的开发周期Ｊ文中采用模块。化的建模方法 ¨ 对单相ＢＤＭ整体建模，在ＬＣ
ＡｂｔａｔＢｓｄｏｈａｈｍｔａｍｏｅｆｔｅＳｎｌ—ｈｓｒｓｌｓＤｔｒ（ＢＤ）ｓｒｃ：ａｅｎｔｅｍｔｅａｉｌｄｌｏｉｇｅｐａｅＢｕｈｅＣｍｏｏＳＬＣ，ａｃｈｓ
ｎｏｅｔｏｆｒｖｌｍｅｈｄｏｍｏｅｉａｓｍｕａｉｎｆＢＬＤＣｙｔｍｉＶｉＳｍｈｓｅｎｄｌｎｇｎｄｉｌｔｏｏＳｓｓｅｎｓｉａｂｅｐｒｐｓｄ．ＩｏｏｅｎＶｉＳｉ，ｔｓｌｔｄｆｃｉｎｌｂｌｃｓ，ｓｃｓｓｍｈｅｉｏａｅｕｎｔｏａｏｋｕｈａＢＬＤＣｌｃｂｏｋ，Ｈｙｔｒｓｓｃｒｅｏｔｏｌｒｂｏｋ，ｓｅｅｉｕｒｎｔｃｎｒｌｅｌｃＳｅｏｔｏｌｒｂｌｃｐｅｄｃｎｒｌｅｏｋ，Ｃｏｇｎｏｑｕｏｋ．，ｈａｅｂｅｎｍｏｅｅｇｉｇｔｒｅｂｌｃｖｅｄｌｄ．Ｂｙｔｒａｃｃｍｂｎａｉｎｏｈｅｏｇｎｉｏｉｔｏｆｔｅｓｌｃ，ｔｏｅｍｏｅｆＳｈｅｂｏｋｓｈｅｗｈｌｄｌｏＢＬＤＣｃｎｂｓａｌｓｄ．ＴｈｅｓｍｕｌｔｏｅｕｔｍｏｓｒｔｈｅａｅｅｔｂｉｈｅｉａｉｎｒｓｌｓｄｅｎｔａｅｔｇｏｐｅａｉｅｆｒｎｅｏｈｏｄｏｒｔｎｇｐｒｏｍａｃｆｔｅＳＢＬＤＣｔｒｍｏｅ．Ｔｈｅｍｏｅｓａｆｅｔｖｉｏｅａｎｈｅｍｏｏｄ１ｄｌｉｎｅｆｃｉｅａｄｔｘｍｉｅｔ

电机的数学模型与仿真分析

2.6 直流电机的基本方程
稳态运行时
U E I a Ra
I Ia If
La d ia dt Ra ia k af if U
动态情况并励直流电动机等效电路
kaf if CT n E 或kaf if CT
Lf dif dt Rf if U
dt
2 n (rad / s) 60
两式中的三项都是有方向的
工程上，习惯使用工程单位：转速为n(r/min)，转动惯量用飞轮矩GD2(Nm2)。
交流电机控制系统仍在不断的发展和完善，目前主要的发展有如下一些动向：
1 新材料、新结构和专用调速型电机 2 新型变流装置和变流技术 3 新的控制策略 4 无速度（位置）检测器的检测技术 5 全数字化控制及集成化技术 6 能量回馈的实现
1. 电气工程的仿真技术
2. 直流电机的数学模型与仿真分析 3. 电磁耦合系统
离散化
非线性代数方程组
线性化
线性代数方程组
求解
求解
1.1 电气工程仿真的特点
3、仿真工具：
主要有三种：一种是从通用的仿真软件发展而来， pspice，saber等，一种是从专用软件中发展而来，如matlab，emtp；另一种是电力电子的专门软件：如simplis，MATLAB， Psim， Pspice，Saber， EMTP，SIMPLIS，SCAT，Simplorer。
计语言容易
4、MATLAB语言与其它语言的关系仿佛和C语言与汇编语言的关系一样计算机语言的发展
管理、可视化
智能化
数值运算
解析运算
标志着计算机语言向“智能化”方向发展，被称为第四代编程语言。

基于Matlab的无刷直流电机的建模与仿真

Ａｂｔｃ：ｈａｅｎｌｓｓｓｅｐｏｍｎｒｎｉｌｎｏｔｏｙｔｍａｏｔＢＤｏｏｓｒｔＴｅｐｐｒａａｙｉｅｍｌｙｅｔｐｉｃｐｅａｄｃｎｒｌｓｓｅｂｕＬＣｍｔｒ．ＤｔｕｅＢＤｏｏ ’ ａｅｒｄＬＣｍｔｒ
Ｓａｔｍｍｈｏｄｅ１．ＵｓｎｇｈｍｅｌｉｔｅｏｄａｎｄＡＴＬＢｓｍｕａｔｏｎｏｆａＭＡｉｌｉｓｔｗｒｅ，ＥａｂｓｔｅｓｔｌｉｈｈＢＬＤＣｍｏｔｓｉｏｒｍｕｌＪｎｏｄａｔｏｍｅｌ，Ｔｈｅ
ＺｕＪａｊａｈｕｎｕｎ（陕西理工学院电气工程系，陕西汉中７３０）２０３（ｈｎｉＵｉｅｓｔｆＴｃｎｌｇ，ＳａｘＨｎｈｎ７３０）Ｓａｘｎｖｒｉｙｏｅｈｏｏｙｈｎｉａｚｏｇ２０３
摘要：分析了无刷直流电机的工作原理及控制系统的组成，推导出无刷直流电机的数学模型，利用此数学模型并借
０引言
１无刷直流电动机的控制的迅速发展，为当今无微刷直流电机的研究和制造奠定了一定的基础。目前无刷直流电动机的发展己经与大功率开关器件、专用集成电路、稀土永磁材料、微机、新型控制理论及电机理论的发展紧密结合，体现着当今应用科学的许多最新成果。同时由于无刷直流电动机具有可靠性高、维护方便、构简单、特性好、散热容结易、转速不受机械换相的限制、噪音小等优点，因此被广泛应用于各种工业领域。ａｌｂ以矩阵为基本编程单元的一Ｍｔａ是种程序设计语言，它提供了各种矩阵的运算与操作，并有较强的绘图功能，目是前国际上最流行的控制系统计算机辅助设计软件。１９年Ｍｔｏｋ公司推出了交互式模型输入９２ａｈＷｒｓ仿真环境ＳｂＩＮ，ｌＵＩ它可对采用方框图或微分方程描述的系ｔＫ统进行仿真。对于电力电子电路，可以采用受控开关分析，特别是１９年推出的Ｍｔａ５２ＳＭＩＮ巾增加了功率９８ａｌｂ．中，ＩＵＩＫ现对电力电子系统的仿真分析。以态变量为基础的仿状真方法，使人们可以容易得到电路的瞬态性能，并评价电路

直流电机PWM调速系统的设计与仿真

直流电机PWM调速系统的设计与仿真一、引言直流电机是电力传动中最常用的一种电动机，具有调速范围广、响应快、结构简单等优点。

而PWM（脉宽调制）技术是一种有效的电机调速方法，可以通过改变占空比控制电机的转速。

本文将介绍直流电机PWM调速系统的设计与仿真，包括建模分析、控制策略、电路设计和仿真实验等内容。

二、建模分析1.直流电机的模型直流电机的数学模型包括电动势方程和电机转矩方程。

电动势方程描述电机的输出电动势与供电电压之间的关系，转矩方程描述电机的输出转矩与电机转速之间的关系。

2.PWM调速系统的控制策略PWM调速系统的控制策略主要包括PID控制和模糊控制两种方法。

PID控制是一种经典的控制方法，通过比较实际输出与期望输出，计算出控制量来调整系统。

模糊控制则是一种基于模糊逻辑的控制方法，通过模糊推理，将输入量映射为输出量。

三、电路设计1.电机驱动电路设计电机驱动电路主要由电流传感器、逆变器和滤波器组成。

电流传感器用于测量电机的电流，逆变器将直流电压转换为交流电压，滤波器用于消除电压中的高频噪声。

2.控制电路设计控制电路主要由控制器、比较器和PWM信号发生器组成。

控制器接收电机转速的反馈信号，并与期望转速进行比较，计算出控制量。

比较器将控制量与三角波进行比较，生成PWM信号。

PWM信号发生器将PWM信号转换为对应的脉宽调制信号。

四、仿真实验1.系统建模与参数设置根据直流电机的模型，建立MATLAB/Simulink仿真模型，并根据实际参数设置电机的转矩常数、转矩常数、电机阻抗等参数。

2.控制策略实现使用PID控制和模糊控制两种方法实现PWM调速系统的控制策略。

通过调节控制参数，比较不同控制方法在系统响应速度和稳定性上的差异。

3.仿真实验结果分析通过仿真实验，分析系统的静态误差、动态响应和稳定性等性能指标。

比较不同控制方法的优缺点，选择合适的控制方法。

五、结论本文介绍了直流电机PWM调速系统的设计与仿真，包括建模分析、控制策略、电路设计和仿真实验等内容。

无刷直流电机的建模与仿真

无刷直流电机的建模与仿真一、引言随着无刷直流电机在伺服系统、电动汽车、机器人及家用电器等领域的广泛应用，人们对电机及其系统的运行分析和优化设计也越来越关注。

借助建模与仿真技术，人们可以研究、分析整个电机系统的各类定量关系，提取设计、分析和调试电机及其驱动系统所需的信息、数据和资料。

本文主要研究反电动势近似梯形波的永磁无刷直流电机模型的建立与仿真，通过MATLAB/SIMULINK ，构建一个无刷直流电机的控制系统模型，并对其进行仿真分析。

二、无刷直流电机的数学模型无刷直流电机具有梯形的反电动势、矩形电流波形，定子与转子的互感是非线性的，因此不宜采用坐标变换的方法进行分析。

为了便于分析，简化系统的模型，假设电机铁磁部分的磁路为线性，即不计饱和、剩磁、磁滞和涡流的影响；不考虑电枢反应对气隙磁场的影响；三相定了为Y 形连接。

由此可得无刷直流电机三相绕组的电压方程如下：⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛c b a c b a C CBCABC B BAAC AB A c b a c b a e e e i i i p L L L L L L L L L i i i R R Ru u u 000000 （1）其中a u ，b u ，c u ——三相相电压； a i ，b i ，c i ——三相相电流；a e ，b e ，c e ——三相反电动势； A L ，B L ，C L ——三相绕组的自感；AB L ，AC L ，BA L ，BC L ，CA L ，CB L ——各相绕组间的互感； R ——绕组电组（假设三相相等）； p ——微分算子；对于转子使用永磁材料构成的无刷直流电动机，转子的影响可忽略，可认为电感是常数，与转子位置无关，即：C B A L L L == ；M L L L L L L CB CA BC BA AC AB ======又因为三相绕组为Y 形连接，无中线，所以任意时刻总有0=++c b a i i i 成立。

直流电动机建模及仿真

他励直流电动机建模及仿真报告人：本人电力系统及其自动化一、模型描述及仿真要求一台他励直流电动机 T L =2Ω+Ωdtd 励磁电流为常值，试求电枢端点突然加110V 时的速度响应和电流响应。

已知R a =1Ω；La =1±10% H ；G af I f0=10N ·m 。

要求：1、给出直流电动机的数学模型2、画出直流电动机的仿真框图或给出相关程序代码3、给出直流电动机速度响应和电枢电流响应的的曲线及数据二、直流电动机数学模型1、他励直流电动机动态过程中电枢电流i a 、励磁电流i f 、转速Ω可用下列方程描述：⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧+Ω+Ω==+=Ω++=++=ΩLa f af e f ff f f f af a a a a a a a aa a T R dt d J i i G T dt di L R i u i G dtdi L R i e dt di L R i u 相应的上述时域方程在零初始条件下，其拉式变换，即频域数学模型为：⎪⎩⎪⎨⎧+Ω+Ω=+=Ω++=ΩL f af f f f f f f af a a a a a Ts R s Js s Ia s I G s sI L R s I s U s s I G s sI L R s I s U )()()()()()()()()()()()(2、此模型中励磁电流保持常值不变，即梳控。

在此前提下相应的频域数学模型简化为：⎩⎨⎧+Ω+=+Ω+Ω=Ω++=Ω++=ΩΩLL f af f af a a a f af a a a a a T s R Js T s R s Js s Ia I G s I G s I s L R s I G s sI L R s I s U )()()()()()()()()()()()(000 本模型中有：T L =2Ω+Ωdtd 变成频域方程即：)()12()(s S s T L Ω+=3、本模型中参数选取（1）已知R a =1Ω、G af I f0=10N ·m（2）La=1±10% H 此处选取为 La =1H （3）选定上面参数后，电枢回路时间常数Ta=La/Ra=1 ,为保证起动过程中无振荡过程，应使阻尼比ξ>1【1】，相应的即可得出a M T T 4>。

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《直流电动机建模及仿真实验》
—实验报告
院（系） 3 系
姓名 ******
学号 *********
任课教师王卫红
2013年 11月 6日
直流电动机建模及仿真实验
1实验目的
了解直流电动机的工作原理；了解直流电动机的技术指标；掌握直流电动机的建模及分析方法；
学习计算直流电动机频率特性及时域响应的方法。

2实验设备
（1）硬件：PC 机。

（2）工具软件：操作系统：Windows 系列；软件工具：MATLAB 及simulink 。

3实验原理
原理框图：
直流电机电枢回路的电路方程是：
dt
di
L
iRa E u a +=- 其中，u a 是加到电机两端的电压，E 是电机反电势，i 是电枢电流,R a 是电枢回路总电阻,
L 是电枢回路总电感,Ra
La
T l =
称为电枢回路电磁时间常数。

并且反电动势E 与电机角速度m ω成正比：
m
e m e k k E θω == 其中ke 称为反电势系数,m θ为电机轴的转角。

对于电机而言,其转动轴上的力矩方程为：
m
m m m l m J J M i k θω ==- 其中km 是电机的力矩系数,l M 是负载力矩,J 是电机电枢的转动惯量。

进行拉式变换得到：
⎪⎩⎪⎨⎧=-=+=-s
s J M s I k s k s E s s I T s I Ra s E s Ua m m l m m e l )()()()()
)()(()()(θθ
由此方程组可以得到相应的电动机数学模型的结构框图：
图4.1直流电动机数学模型结构框图
实验要求：
（1）根据电机的工作原理（电压平衡方程、力矩平衡方程）建立从电枢电压a u 到转速m θ 的
传递函数模型，并根据表1所给电机参数求其频率特性。

表1共给出了两个电机的参数，其中A 为大功率电机，B 为小电机。

（2）编制MATLAB 或simulink 程序求电机的调速特性，即不同负载力矩情况下电压和转速
之间的关系，将数据填入表2和表3。

（提示：由于调速特性是电机的静态特性，故可先推导出考虑负载力矩情况下电枢电压Ua 与转速m θ 之间的静态模型，然后再仿真。

）（3）编制MATLAB 或simulink 程序求电机的机械特性，即不同电压情况下负载力矩和转速
之间的关系。

（提示：在仿真时可将电枢电压固定，改变负载力矩的值，即可求出M l 与转速m θ 之间的关系。

）
（4）编制MATLAB 或simulink 程序求电机转速的阶跃响应，并根据阶跃响应求出其机电时
间常数。

（提示：由于电机的电磁时间常数较小，故可将电压Ua 与转速m θ 之间的动态响应看作非周期环节，所以能够从其阶跃响应求出机电时间常数。

）
表1 电机参数表
4 实验步骤
（1）根据图4.1可求得传递函数
()()()1111a m
m a l a l m e m a l m e m
R T s k U M R T s J s k k R T s J s k k θ+=-+⋅++⋅+
假定干扰为0，可求得输入输出传递函数
()()
()
()1m m
a a l m e m
s k G s U s R T s J s k k θ=
=
+⋅+
带入数据可求得0.0043750a
l a
L T R =
=≈ 在后边建模模型的时候可以将其取0 带入A 电机数据求得()2
46.32
0.0105 2.42561.496
A G s s s =
++ 带入B 电机数据可求得()423
0.27
1.0510 6.75100.1134
B G s s s --=⨯+⨯+ 用matlab 的bode 指令可以得到两电机的频率响应
A 电机的频率响应图
B 电机的频率响应图
（2）在simulink 中搭建系统的框图如下
M a g n i t u d e (d B )10
10
10
10
P h a s e (d e g )
Frequency (rad/sec)
M a g n i t u d e (d B )10
10
10
10
P h a s e (d e g )
B 电机的频率响应波特图
Frequency (rad/sec)
A电机系统simulink仿真图
可求得
表2 电机A调速特性表
同理可得到B电机的调速特性
表3 电机B调速特性表
（3）对于电机B 测得固定电压，改变负载得到如下数据（转速表）
将其画到图标中可得电机B 的机械特性图
负载力矩
转速
电机B 的机械特性
用同样的方法和原理可以求得大电机A 的机械特性，测得数据表如下。

可得其机械特性图如下
（4）根据阶跃响应求出电机的时间常数 a.同理对于电机A ，其阶跃响应图像如下图
时间t
转速
由图可见，阶跃响应波动较大，其电磁时间常数34.375100a
l a
L T R -==⨯≈很小，将其忽略，求得时间常数0.0094T s = 。

b.对于电机B ，其阶跃响应图像如下图
由于电机的电磁时间常数31.6100a
l a
L T R -=
=⨯≈ 可以忽略，所以可以将该系统看做一个一阶环节。

所以取稳态值的0.632对应的t 作为时间常数，通过matlab 易求得
0.0590T s =
6 实验结果及分析
本次实验结果都比较符合电机的基本特性，其中A 电机对应的是大电机，而B 电机对应的较小的电机。

本次实验结果较好地体现了两者的特性。

通过本次实验，了解直流电动机的工作原理；直流电动机的技术指标；掌握了直流电动机的建模及分析方法；学习了计算直流电动机频率特性及时域响应的方法。

受益匪浅。

时间t
转速
B 电机的阶跃响应图。