直流无刷电机控制系统的建模与仿真

直流无刷电机控制系统的建模与仿真

发表时间：2018-08-16T16:29:01.997Z 来源：《电力设备》2018年第13期作者：徐峰赵燕

[导读] 摘要：直流无刷电机是一种以电子换相装置取代机械换相装置的新型电机，其既具有直流电动机的调速性能，同时又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点。

（北京动力机械研究所北京 100074）

摘要：直流无刷电机是一种以电子换相装置取代机械换相装置的新型电机，其既具有直流电动机的调速性能，同时又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点。可在高空稀薄条件下工作，广泛应用在要求大功率重量比、响应速度快、可靠性高的随动系统中，因此非常有必要对其进一步加强研究。基于此本文对直流无刷电机控制系统进行了建模和仿真。

关键词：直流无刷电机；控制系统；建模与仿真

1、前言

随着全控型电力电子器件（如IGBT、IGCT等）的出现和普及，以及微控制器技术的不断进步，交流传动技术迅速普及，各种类型的变频装置被广泛应用于交流传动的场合。各种交流电力电子变换器的广泛应用，不仅使得各类生产设备的调速驱动、电气传动的性能要求得以满足，而且可以使越来越宝贵的电能得以节省，有效增加社会效益。

2、直流无刷电机的基本原理

直流无刷电机因其具有高效率、高功率密度、易于维护等优点在近年来得到了越来越广泛的应用，而将直流无刷电机与矩阵式变换器结合组成的电力传动装置则具有两者的优点。直流无刷电机与传统的电机在工作原理和结构构造方面均存在着差异，因此需要分析直流无刷电机的结构组成和工作原理。

本文讨论的直流无刷电机的转子为永磁材料制成的，可称为永磁直流无刷电机。永磁直流无刷电机按驱动电流方式可分为方波驱动和正弦波驱动，按照控制方式可分为有位置传感器控制和无位置传感器控制。本文探讨的是永磁方波型直流无刷电动机，并采用有位置传感器的方式进行控制。

永磁方波型直流无刷电机的组成可分为电机本体、转子位置传感器以及控制电机各相分别导通的功率电子开关线路。因为有转子位置传感器执行判断位置的功能，再加上开关线路根据转子位置选择适宜的导通相，所以可以将直流无刷电机的换相方式看作为电子式换相，取代了传统直流电机利用电刷装置完成的机械换相方式。相六管全桥逆变器目前被较为广泛的应用于驱动直流无刷电机。

电机定子的三相绕组有两种联结方式：△形（三角形）和Y形（星形）。一般绕组常采用Y形联结，在这种联结方式下，三相绕组的导通方式则可分为两两导通和三三导通两种。两两导通方式是指在直流无刷电机运转的每一时刻三相全桥的六个开关管中都有两个开关管同时导通，也就是说直流无刷电机在每一时刻都有两相绕组是通电的，另一相悬空；当通电的两相改变时，称为换相。每隔1/6周期（即60 电角度）发生一次换相，而每次换相只有一个开关管状态发生变化另一开关管状态保持不变，因此一个周期内每个开关管都导通120 的电角度。

3、基于Matlab/simulink直流无刷电机控制系统模型的建立

直流无刷电机的MATLAB仿真框图，如图1所示。

3.3反电动势模块

在建模过程中，求取反电动势是一项比较困难的工作，常用的方法有：分段线性法、有限元法和傅里叶变换法。分段线性法是将一个360°的运行周期分为6个阶段，每一个阶段为60°，根据转速和转子位置两个信号，确定电机所处的运行状态，并可以用直线方程来表示，通过直线方程即可求得反电动势波形，此种方法能够较好的满足建模仿真的设计要求。编写反电动势模块主要是利用S函数中的md-

loutputs函数，其格式如下：functionsys=mdloutputs（t，x，u）。S函数中默认的3个输入参数为t、x、u，它们的次序不能变动，代表的意义分别为：t表当前的仿真时间，这个输入参数通常用于决定下一个采样时刻，或者在多采样速率系统中，用来区分不同的采样时刻点，并据此进行不同的处理。x表示状态向量，这个参数是必须的，甚至在系统中不存在状态时也是如此。u表示输入向量。

3.4电流滞环控制模块

电流滞环控制模块的作用是实现滞环电流的控制，输入为三相参考电流和三

相实际电流，输出为逆变器控制信号。选择适当的滞环环宽，可使实际电流不断跟踪参考电流的波形，实现电流的闭环控制。当实际电流低于参考电流且偏差大于滞环比较器的环宽时，对应正向导通，负向关断；当实际电流超过参考电流且偏差大于滞环比较器的环宽时，对应相正向关断，负向导通。

3.5速度控制模块

速度控制模块为单输入单输出的模块，其输入为参考转速和实际转速的差值，输出为三相参考电流的幅值。

3.6参考电流模块和电压逆变模块

给出电流幅值信号Is和位置信号确定三相参考电流是参考电流模块的作用。三相参考电流直接输入电流滞环控制模块，作为输入，此模块通过S函数编程实现，其编程方法与反电动势模块相似。电压逆变模块的输入为位置信号和逆变控制信号，输出为三相端电压。该模块可根据位置信号判断电机所处的运行阶段，给出相应的三相端电压信号。转子位置和三相参考电流、端电压之间都存在一一的对应关系。

4、仿真实例

根据上述所建立的直流无刷电机控制系统仿真模型，进行转速调节仿真试验。仿真参数：额定电压为300V，电阻R为11.9Ω，电感L为27.6mH，转动惯量J为7×10-5kg·m2，极对数p为2，给定转速为1000r/min，三角载波频率为10kHz。为验证所设计的直流无刷电机控制系统模型的静、动态特性，系统先空载启动，当系统进入稳态后，于t=0.05s突加1N·m的负载，从仿真图可以看出，系统从零速启动时，保持最大启动转矩，系统在很短的时间内就进入了稳态，t=0.05s时突加负载，转速变化，但很快又恢复到给定转速，系统对负载的扰动具有很强的抑制性，仿真结果显示稳态运行时转速无静差，与理论情况相吻合。

5、结语

总之，直流无刷电机是一种典型的机电一体化产品，它是由电动机本体、位置检测器、逆变器和控制器组成的自同步电动机系统或自控式变频同步电动机。建直流无刷电机控制系统的仿真模型，通过仿真分析可以有效地缩短整个系统的设计周期，降低设计成本，因此越来越受到重视。本文对直流无刷电机控制系统的建模和仿真，为系统实现提供了有价值的借鉴。

参考文献：

［1］黄小莉，何毅．三相直流无刷电机驱动板设计［Ｊ］．机械设计与制造，２０１１（５）：６０－６２．

［2］何建华，何文辉，邓小敏．一种新的无刷直流电机机械特性检测方法［Ｊ］．中国计量学院学报，２０１１（３）：２０８－２１１．