测控技术与仪器毕业论文范文-基于MATLABsimulink的无刷直流电机控制系统的建模和仿真

刷直流电机的数学模型。并在此数学模型的基础上，提出了一种新型的基于改换或改进控制策略也十分简单，只需对部分功能模块进行替换或修改，而1.1课题研究的背景、目的及意义无刷直流电机(BrushlessDCMotor,以下简称BLDC)是随着电力电子技术及新度快、跟踪精度高等特点，成为研究随动系统的关键5。运行可靠、维护方便等一系列优点。传感器法。特别是在1980年，H.Lehuy等人提出厂利用转予旋转时定子绕组中的在国内也开展了相关的研究，文献9利用三相反电动势中的三次谐波分量来检绕组中产生反电动势，然后再用模拟开关切换到反电动势检测换相的方式。文献1无刷直流电动机虽然已经发展到相当成熟的阶段，但是相对于其他类型电动仿真、试验3-1,结果表明，通过该模型验证了数学模型的有效性及控制系统的合第一章介绍该项研究的目的意义等；第二章分析无刷直流电动机的结构和数学模型，并利用MATLAB强大的仿真功能第三章对所建立的模型进行参数设置，并进行仿真；第四章本研究得出的结论分析无刷直速度控制器无刷直流电动机的基本结构原理如图2.2所示l²lt³]。图2.2无刷直流电动机的结构原理图BC相绕组分别与功率开关管V₁,V₂,V₃连接，位置传感器VP₁、VP₂、VP₃的跟踪转予与电机转轴相联结，用来检测电动机转动的位置，其输成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，定第8页共37页2.3无刷直流电机数学模型BLDC气隙磁场感应的反电动势和相电流之间的关系，如图2.3所示。由于BLDC的感应电动势为梯形波，包含有较多的高次谐波，并且BLDC的电感为非线性14,在此，采用感应电动机等d、q变换理论进行分析并不是很有效的方法，而在分析和仿真BLDC控制系统时，直接采用相变量法，根据转子位置，采用分段线性表示感应电动势。本文以两相导通星形三相六状态为例，分析BLDC的数学模型及电磁转矩等特性。为了便于分析，假定：(1)三相绕组完全对称，气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场分布皆对称5;(2)忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响；(3)电枢绕组在定子内表面均匀连续分布；(4)磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗。则根据BLDC特性，可建立其电压、转矩、状态方程以及等效的BLDC电路：BLDC三相定子电压的平衡方程可用以下的状态方程表示：式中，ua,ub,uc为三相定子电压(V);ea,ep,e为三相定子的反电动势(V);为三相定子绕组之间的互感(·);Ra,R₀,R为三相定子绕组的相电阻(Q);p为微分算子(d/dt)。并假定三相绕组对称，则有：R₄=R,=R=R。由于三相对称的电机中，ia+is+ic=0,以及M;b+M=-Mia2.3.2转矩方程BLDC的电磁转矩方程可表示为：BLDC的运动方程可表示为：(N·m).2.3.3状态方程2.3.4等效电路由BLDC的电压方程，可以将其等效地表示为图2.4所示的等效电路第9页共37页第10页共37页3基于Matlab的BLDC系统模型的建立3.1Matlab/Simulink的主要特点MATLAB/Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包速率系统。主要有以下9个特点utu:有两种仿真方式，第一种是通过simulation的菜单方式，直接点击simulation,然后再点Startflp可，非常方便、快捷。第二种是在MATLAB命令窗口键入命令进用一些画图模块如Scope模块、C,raphScopeSimulink包括有一个庞大的结构方块图库，用户可以既快又方便地对系统建模、仿真，而不必写任何代码程序。并且Simulin控制模型建立要用到的环节有Simulink的Discrete,Linear,Nonlinear,Connections,54as共5大模块。基本上包括了从离散系统到连续系统，线性系统到分算法和分析函数，提供了固定步长、变步长方法，系统设计框图如图3.1所示。BLDC建模仿真系统采用双闭环控制方案：转将图3.1所示的控制系统分割为各个功能独立的子模块。参考速度速度控制器每相参考电流电流滞环控制器U位置检测电压逆变器电流检测U无刷直流电动机图3.1BLDC控制系统设计框图建模的整体控制框图，其中主要包括：BLDCM本体模块、速度控制模块、参考电流模块、电流滞环控制模块、转矩计算模块和电压逆变器模块。把这些功能模块和S函数相结合，在Matlab/Simulink中搭建出BLDC控制系统的仿真模型，并实现双闭环的控制算法，图中各功能模块的作用与结构简述如下。n图3.2Matlab/Simulink中BLDC仿真建模整体控制框图如图3.3所示，无刷直流电机总体模块包括BLDCM本体模块，转矩计算模块和转速计算模块。图3.4为其封装形式和参数设置界面。12331234wW9578U456图3.3无刷直流电动机总体模块statorphasewindingsistance(R)0momentofinertia(J)pole-pairs(P)1dampingcoefficient(B)QKCancelHelpApply图3.4无刷直流电机总体模块封装形式和参数设置界面(1)BLDCM本体模块在整个控制系统的仿真模型中，BLDCM本体模块是最重要的部分，该模块根据电压方程式2.2求取BLDC三相相电流，结构框图如图3.5所示l²0l²1l2212。4W5123emf++Subtract2十6kRkRk512fntegrator243wBLDCM由电压方程式2.2可得，要获得三相电流信号ig、ip、i,必需首先求得三相反电动势信号ea、ep、e。而BLDC建模过程中，梯形波反电动势的求取方法一直是较难解决的问题，反电动势波形不理想会造成转矩脉动增大、相电流波形不理想等问题，严重时会导致换向失败，电机失控。因此，获得理想的反电动势波形是BLDC仿真建模的关键问题之一24。目前求取反电动势较常用的三种方法为：(1)有限元法[251,应用有限元法求得的反电动势脉动小，精度高，但方法复杂、专业性强、不易推广。(2)傅立叶变换(FFT)法126],FFT法应用简单，但需要进行大量三角函数值的计算，对仿真速度影响较大。(3)分段线性法口，如图3.6所示，将一个运行周期0-360°分为6个阶段，每60°为一个换向阶段，每一相的每一个运行阶段都可用一段直线进行表示，根据某一时刻的转子位置和转速信号，确定该时刻各相所处的运行状态，通过直线方程即可求得反电动势波形。分段线性法简单易行，且精度较高，能够较好的满足建图3.6三相反电动式波形迹的直线方程；其它5个阶段，也是如此。据此规律，可以推得转子位置和反电动转子位置0~π/3k*w*((-pos)/(π/6)+1)k*w*((pos-π/3)/(π/6)-1)2π/3~πk*w((2*π/3-pos)/(π/6)+1)π~4π/34π/3～5π/3-k*wk*w*((4*π/3-pos)/(π/6)+1)5π/3～2π-k*w表1中：k为反电动势系数(V/(r/min)),Pos为电角度信号(rad),w为转速信号(rad/s)。根据电机转过的电角度来求反电动势，用S函数编写，程序如下(只列functionsys=mdIOutputs(t,x,u)globalk;w=u(1);Pos=u(2);sys=[k*w,-k*w,k*w*((-Pos)/(π/6)+t)];elseifPos>=π/3&Pos<=2*π/3elseifPos>=2*π/3&Pos<=πelseifPos>=π&Pos<=4*π/3sys=[-k*w,k*w,k*w*((Pos-π)/(π/6)-1)];elseifPos>=4*π/3&Pos<=5*π/3elsePos>=5*π/3&Pos<=2*π(2)转矩计算模块根据BLDC数学模型中的电磁转矩方程式2.3,可以建立图3.7所示的转矩计矩信号Te。113ea十2×÷Add4XWIb56X图3.7转矩计算模块结构框图及其封(3)转速计算模块根据运动方程式2.4,由电磁转矩、负载转矩以及摩擦转矩，通过加乘、积分环节，即可得到转速信号，求得的转速信号经过积分就可得到电机转角信号，如图1121ThetaB2u+图3.8转速计算模块结构框图及其封装在这个仿真模块中采用滞环控制原理来实现电流的调节，使得实际电流随给定电流的变化。图3.9和图3.10表示的是滞环型PWM逆变器的工作原理。其工作原理是：当给定电流值与反馈电流值的瞬时值之差达到滞环宽度正边缘时，逆变器的开关管VT1导通，开关管VT2关断，电动机接通直流母线的正端，电流开始上升。反之，当给定电流值与反馈电流值的瞬时值之差达到滞环宽度负边缘时，逆变器的开关管VT1关断，开关管VT2导通，电动机接通直流母线的负端，电流开始VT2定子电流电流检测VT2定子电流电流检测下降。选择适当的滞环环宽，即可使实际电流不断跟踪参考电流的波形，实现电流闭环控制。模块结构框图如图3.11所示27,输入为三相参考电流和三相实际电流，输出为PWM逆变器控制信号。驱动电路给定正弦波发生器VT1图3.9滞环电流跟踪型PWM逆变器单项结构示意图图3.10滞环电流跟踪型PWM逆变器输出电流电压波形2DataTypeConwersion4345_SubtractCurrentcontrollerOperator2TypeConversion3LogicalOperator1doubleDataTypeConversionDataTypeConversion2LogicaldoubledoubleSubtract1Subtract2or_cr_图3.11电流滞环控制模块结构框图及其封装3.2.3速度控制模块速度为积分的参数，Ka为微分的参数。控制模块的结构较为简单，如图3.12所示，单输入：参考转速(nref)和实际转速(n)的差值，单输出：三相参考相电流12n+1n图3.12速度控制模块结构框图及其封装3.2.4参考电流模块参考电流模块的作用是根据电流幅值信号Is和位置信号给出三相参考电流，输出的三相参考电流直接输入电流滞环控制模块，用于与实际电流比较进行电流滞环控制。转子位置和三相参考电流之间的对应关系如表3.2所示，参考电流模块的这一功能可通过S函数编程实现，程序如下(只列出主程序段，完整程序参见附录):表3.2转子位置和三相参考电流之间的对应关系表转子位置0~π/3-Is00-Is2π/3~π0-Isπ~4π/3-Is04π/3～5π/3-Is05π/3～2π0-IsifPos>=0&Pos<=pi/3elseifPos>=pi/3&Pos<=2*pi/3elseifPos>=2*pi/3&PoelseifPos>=pi&Pos<=4*pi/3elseifPos>=4*pi/3&Pos<=5*pi/3sys=[0,-Is,ls]globalwTheta=u;b=fix(Theta/(2*pi));%取整ifTheta==0elseif(Theta/(2*pi))==bsys=Theta-b*2*pi3.2.6电压逆变器模块逆变器对BLDC来说，首先是功率变换装置，也就是电子换向器，每一个桥臂上的一个功率器件相当于直流电动机的一个机械换向器，还同时兼有PWM电流调节器功能。对逆变器的建模，本文采用Simulink的SimPowerSystem工具箱提供的三相全桥IGBT模块。由于在Matlab新版本(如Matlab7.0)中SimPowerSystem工具箱和Simulink工具箱不是随便可以相连的，中间必须加上受控电压源(或者受控电压源、电压表、电流表)。本文给IGBT的A、B、C三相加三个电压表，输出的Simulink信号可以与BLDC直接连接，如图3.13所示。逆变器根据电流控制模块所控制PWM信号，顺序导通和关断，产生方波电流输出。IGBTInwertel图3.13电压逆变器模块结构框图及其封装第23页共37页电阻R=1Ω,定子相绕组自感L=0.02L,互感M=-0.0067H,转动惯量J=220V直流电源供电。比例(P)控制:比例控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例积分(I)控制:在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比微分(D)控制:在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即振荡甚至失稳。解决的办法是增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势。PID调节器在调节开始时，微分先起作用使输出信号发生突然经过反复调试离散PID控制器三个参数最终定为Kp=8,K;=0.01,Ka=0.001饱和限幅模块幅值限定在±35内，采样周期T=0.001s。为了验证所设计的BLDC控制系统仿真模型的静、动态性能，系统空载起动，待进入稳态后，在t=0.3s时突然加负载TL=5N·m,在t=0.65s时突然撤去负载。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3.14-3.16所示。图3.14转速响应曲线在0.3s和0.6s时波形出现抖动主要是因为0.3s加入了负载，并在0.65s时撤去图3.15转矩响应曲线仿真波形图3.15中，突加负载后，负载转矩有较大的脉动，这主要是由电流图3.16电流I,I,I波形仿真波形图3.15和3.16表明：起动阶段系统保持转矩恒定，因而没有造成较图3.17反电动势E,E,E.波形由仿真波形可以看出，在n=1000r/min的参考转速下，系统响应快速且平稳本文在分析无刷直流电机数学模型的基础上，提出了一种新型的基于Matlab换流引起的转矩脉动，以及齿槽效应引起的转矩脉动。(2)尝试从硬件和软件两方面实现系统电流环、速度环和位置环三环控制，以[sys,xO,sir,ts]=mdlInitializeSizcs;sys=mdlOutputs(t,x,u);sys=[];error(['unhandledflag=',num2str(flag)]);function[sys,x0,sir,ts]=mdllnitializeSizes)sizes.DirFeedthrough=1;sys=simsizes(sizes);x0=[];ts=[-10];globalPos;k=0.060;%V/(r/min)反电elseifPos>=pi/3&Pos<=2*pi/3sys=[k*w,k*w*((Pos-pi3)/(pi/6)-1),-k*w];elseifPos>=2*pi/3&Pos<=pisys=[k*w*((2*pi/3-Pos)/(pi6)+1),k*w,-k*w];sys=[-k*w,k*w*((4*pi/3-Pos)/(pi/6)+1),k*w]elsePos>=5*pi/3&Pos<=2*pisys=[k*w*((Pos-5*pi3)/(pi/6)-1),-k*w,k*w];sys=mdlOutputs(t,x,u);第31页共37页otherwiseerror(['unhandledflag=',num2str(flag)]);function[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes()sizes=simsizes;sizes.NumContStates=0;sizes.NumDiscStates=0;sizes.NumOutputs=3;sizes.Numlnputs=2;sizes.DirFeedthrough=1;sizes.NumSampleTimes=1;sys=simsizes(sizes);ts=[-10];functionsys=mdlOutputs(t,x,u)globalPos;%位置Is=u(1);Pos=u(2);ifPos>=0&Pos<=pi/3sys=[Is,-Is,0];elseifPos>=pi/3&Pos<=2*pi/3sys=[Is,0,-Is]:elseifPos>=2*pi/3&Pos<=pisys=[0,Is,-Is]:elseifPos>=pi&Pos<=4*pi/3sys=[-Is,Is,0];elseifPos>=4*pi/3&Pos<=5*pi/3sys=[-Is,0,Is];elsePos>=5*pi/3&Pos<=2*pisys=[0,-Is,Is];function[sys,x0,str,ts]=[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes;sys=mdlOutputs(t,x,u);error(['unhandledflag=',num2str(flag)]);sizes=simsizes;sizes.NumContStatessizes.NumDiscStatessizes.NumOutputssizes.Numlnputs第33页共37页functionsys=mdlOutputs(t,x,u)b=fix(Theta/(2*pi));%取整ifTheta==0sys=Theta-b*2*pii[2]邓兵，潘俊民.无刷直流电机控制系统仿真[J].计算机仿真，2002,19(5):[6]旭坤.基于DSP的无刷直流电动机伺服控制系统研究.[硕士学位论文].安徽[7]K.lizuka,H.Uzuhashi,M.Kano,T.Endo,K.Mohri,MicrocomputerControlforsensorlessBrushlessMotor,IEEETraApplication,v01.IA-21,no,4,May/June1985motorsusingdisturbanceobserversandadaptivevelocityestimations,IEEETransonIndustrialElectronics,v01.45.[9]田淳.无位置传感器稀土永磁无刷直流方波电机调速系统.第五届中国交流电[11]石山.一种新型无位置传感器无刷直流电动机启动方法.微特电机.2001(2):JIANGJian-guo.ANovelMethodforModelingandSimulationofBLDCSystemBasedonMatlab[J].JournalofSystemSimulation,2003,15(12):1745-1749.)[15]MillerTJE.BrushlessPermanent-MagnetandReluctanceMotoiDrives[M].Oxford,NewYork:ClarendonPress,1989.[16]隋华.压电效应的有限元分析及压电悬置控制方法的研究.[硕士学位论文].[17]Natic,Mass.MATLABUsers