无刷直流电机建模与仿真
摘 要相对于有刷直流电机，无刷直流电机具有调速范围宽、稳定性好、效率高以及体积小重量轻等特点，在各种控制要求比较高，转速比较高的设备上，如航模，精密仪器仪表等对电机转速控制严格，转速达到很高的设备上得到运用。本文首先简略介绍了无刷直流电机的发展史，构造，工作原理和优缺点。然后，讨论了利用MATLAB里的Simulink进行系统建模的两种方法：电流反馈型方法以及非电流反馈型方法，其中对每一种内部给了详细的介绍。由于本文的电流反馈型模型无法获得高转速，因此论文研究非电流反馈型无刷直流电机调速系统设计。首先利用MATLAB里的System?Identification?Tool辨识无刷直流电机的传递函数，然后采用系统模型设计的方法：极点配置法和最优阻尼校正法设计PI调节器；最后采用一种无模型设计方法设计自适应PI调节器。上述三种PI调节器通过计算机仿真进行比较，分析了各自的优缺点。论文最后对本次毕业设计的总结。
Key words: brushless DC; simulation and modeling; the PI regulator 目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1无刷直流电机发展史 1
1.2无刷直流电机的构造工作原理以及数学模型 2
1.3无刷直流电机的优缺点 5
1.4 本文所做的工作 5
1.5 本章小结 6
第2章 电流反馈型驱动模型 8
2.1整体模型设计思路 8
2.2三相电流参考模块 8
2.3电流滞环模块 10
2.4电压逆变器模块 12
2.5中性点部分 13
2.6 BLDC主体模块 14
2.7.1三相反电动势及三相相电流模块 15
2.7.2转矩计算模块 18
2.7.3转速和theta计算模块 19
2.8位置计算模块 20
2.9仿真测试 20
2.10本章小结 21
第3章 非电流反馈驱动模型 23
3.1 本体模块 23
3.1.1 角速度以及the
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
ta计算模块 24
3.1.2 转矩计算模块 24
3.1.3 电流计算模块 24
3.1.4 反电动势计算模块 25
3.2外围电路 25
第4章 调速系统设计 28
4.1 开环传递函数 28
4.2基于模型的系统设计 31
4.2.1极点配置法 31
4.2.2最优阻尼校正法 34
4.3无模型系统设计 35
4.4 三种方法的比较 38
4.5 本章小结 38
第5章 总结与体会 40
参考文献 42
致 谢 45
附 录 46
附录A 电流反馈型驱动整体模型 46
附录B 源代码 47
附录C 英文翻译 51
第1章 绪论
1.1无刷直流电机发展史
有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来，因为它不错的的转矩控制特性，所以能够在很长一段时间内在运动控制领域拥有不可撼动的地位。而无刷直流电动机是在其基础上研究的。这一逻辑关系从它们名称中的联系就可以看出来。但是任何事物都有两面性，有刷直流电机最明显也是最致命的弱点是有机械接触电刷换向器。正是因为有了它，导致系统的可靠性稳定性大打折扣，以至于很多地方都无法得以运用，尤其在一些比较精密的仪器设备上无法发挥作用。有这座大山挡在人们面前，导致人们不得不换条路走，避开有刷直流电机。幸运的是，Bolgior 在1917年提出了轰动至今的用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷思想。这一思想出现标志着无刷电机的理论基础的诞生。过了38年，也就是在 1955年，美国的D.Harrison等首次申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电动机的诞生。其实到了这个时间，大功率开关器件仅处于初级发展阶段，不管是稳定性也好，可靠性也好，甚至包括价格方面，都是很糟糕的。雪上加霜的是，此时永磁材料和驱动控制技术水平也并非成熟。从而导致无刷直流电动机自发明以后的25年左右，在实用方面还是基本处于空白阶段。这段时间有刷电机还是占据了主导地位。但是到了1970年，这一状况在此后发生了巨变。第一个原因是世界上电力半导体工业的飞速发展。这一现象导致GTR、MOSFET、IGBT等的诞生。第二个原因是高磁能积永磁材料（如SmCo、NsFeB）一个接一个出现。无刷直流电动机系统因此得到了巨大的突破，飞速发展。在1978年汉诺威贸易博览会上，前联邦德国的MANNESMANN公司正式推出了 MAC无刷直流电动机及其驱动器，引起了世界各国的关注。随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流系统的热潮，这也标志着无刷直流电动机走向实用阶段。同年欧洲正式推广直流无刷电机及其驱动模块，在欧洲成为节能应用热点。之后，科学家们先后研制成方波无刷电机（BLDCM）和正弦波直流无刷电机（PMSM）。它们的名字的区别主要是由于流入电枢绕组的电流波形不同。众所周知，驱动电路要获得方波比正弦波容易得多。同时在其他条件完全一致的情况下，控制方波也比正弦波轻松许多。因此BLDCM的推广程度要比PMSM多上很多。在这里，特别声明，在接下来无刷直流电机建模仿真在无特殊说明情况下，默认就是BLDCM，即本文是对BLDCM这种无刷直流电机的研究。1986年，H.R.Bolton对无刷直流电动机作了全面系统的总结，指出了无刷直流电动机的研究领域，成为无刷直流电动机的经典文献，标志着无刷直流电动机在理论上走向成熟。
从中，可以看出，无刷电机所走的道路也是曲曲折折。个人认为，一个东西的最终大量推广应用需要很多必要条件。首先，这个东西要有需求。近代工业发展迅速，导致市场对电机这类驱动设备的需求量越来越大。其次，这个东西相对于替代品来说要有一定的优点，也就是产品优点。无刷电机优点那就很多了，比如无刷直流电机调速方便，稳定性高，噪音小，效率高，不产生火花等等。最后，这个东西能否推广，取决于当时相关硬件或者原料的性能。由于在1970以前，无刷直流电机受到材料限制，所以没有推广。后来，各方面都发展了，无刷直流电机才开始推广。
1.2无刷直流电机的构造工作原理以及数学模型
无刷直流电动机是由电机本体，位置传感器以及电子换向电路共同构成。其中电机本体与普通电机不同：定子为电枢而转子则是永磁体，如图11。在这里先粗略讲解一下它的工作原理：先由位置传感器输出体现永磁体（转子）位置的信号传给控制器，控制器通过电子换向线路去驱动与电枢绕组连接的功率开关器件，使得电枢上产生跳跃式旋转磁场，从而带动转子工作。当然，转子转动，那位置传感器检测到的位置发生变化，输出信号也会随之变化，重复前面工作，如此循环。
图11稀土永磁无刷直流电机构成框图
图12稀土永磁无刷直流电机系统图
下面以两相导通星型三相六状态无刷直流电动机为例（图12），进行系统性讲解。其中需要用到工作原理图（图13），所以一并给出。可以看到首先图12中VF是逆变器，BLDCM则是电机本体，PS为转子位置传感器。首先当转子在图13所在位置时，位置传感器输出信号，经过控制电路进行变换后再驱动VF,此时功率开关管1,6导通，电枢绕组在空间合成磁势F1，为如图13.此时电动机顺时针运转。当转过60度时，位置传感器检测到位置变化从而输出相应信号，使得功率开关管1，2导通，根据受力分析，电机转子继续顺时针旋转。以此类推，可以总结出功率管的导通顺序：32,34,54,56,16从中，可以总结出以下规律（如图14）：
Key words: brushless DC; simulation and modeling; the PI regulator 目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1无刷直流电机发展史 1
1.2无刷直流电机的构造工作原理以及数学模型 2
1.3无刷直流电机的优缺点 5
1.4 本文所做的工作 5
1.5 本章小结 6
第2章 电流反馈型驱动模型 8
2.1整体模型设计思路 8
2.2三相电流参考模块 8
2.3电流滞环模块 10
2.4电压逆变器模块 12
2.5中性点部分 13
2.6 BLDC主体模块 14
2.7.1三相反电动势及三相相电流模块 15
2.7.2转矩计算模块 18
2.7.3转速和theta计算模块 19
2.8位置计算模块 20
2.9仿真测试 20
2.10本章小结 21
第3章 非电流反馈驱动模型 23
3.1 本体模块 23
3.1.1 角速度以及the
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
ta计算模块 24
3.1.2 转矩计算模块 24
3.1.3 电流计算模块 24
3.1.4 反电动势计算模块 25
3.2外围电路 25
第4章 调速系统设计 28
4.1 开环传递函数 28
4.2基于模型的系统设计 31
4.2.1极点配置法 31
4.2.2最优阻尼校正法 34
4.3无模型系统设计 35
4.4 三种方法的比较 38
4.5 本章小结 38
第5章 总结与体会 40
参考文献 42
致 谢 45
附 录 46
附录A 电流反馈型驱动整体模型 46
附录B 源代码 47
附录C 英文翻译 51
第1章 绪论
1.1无刷直流电机发展史
有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来，因为它不错的的转矩控制特性，所以能够在很长一段时间内在运动控制领域拥有不可撼动的地位。而无刷直流电动机是在其基础上研究的。这一逻辑关系从它们名称中的联系就可以看出来。但是任何事物都有两面性，有刷直流电机最明显也是最致命的弱点是有机械接触电刷换向器。正是因为有了它，导致系统的可靠性稳定性大打折扣，以至于很多地方都无法得以运用，尤其在一些比较精密的仪器设备上无法发挥作用。有这座大山挡在人们面前，导致人们不得不换条路走，避开有刷直流电机。幸运的是，Bolgior 在1917年提出了轰动至今的用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷思想。这一思想出现标志着无刷电机的理论基础的诞生。过了38年，也就是在 1955年，美国的D.Harrison等首次申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电动机的诞生。其实到了这个时间，大功率开关器件仅处于初级发展阶段，不管是稳定性也好，可靠性也好，甚至包括价格方面，都是很糟糕的。雪上加霜的是，此时永磁材料和驱动控制技术水平也并非成熟。从而导致无刷直流电动机自发明以后的25年左右，在实用方面还是基本处于空白阶段。这段时间有刷电机还是占据了主导地位。但是到了1970年，这一状况在此后发生了巨变。第一个原因是世界上电力半导体工业的飞速发展。这一现象导致GTR、MOSFET、IGBT等的诞生。第二个原因是高磁能积永磁材料（如SmCo、NsFeB）一个接一个出现。无刷直流电动机系统因此得到了巨大的突破，飞速发展。在1978年汉诺威贸易博览会上，前联邦德国的MANNESMANN公司正式推出了 MAC无刷直流电动机及其驱动器，引起了世界各国的关注。随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流系统的热潮，这也标志着无刷直流电动机走向实用阶段。同年欧洲正式推广直流无刷电机及其驱动模块，在欧洲成为节能应用热点。之后，科学家们先后研制成方波无刷电机（BLDCM）和正弦波直流无刷电机（PMSM）。它们的名字的区别主要是由于流入电枢绕组的电流波形不同。众所周知，驱动电路要获得方波比正弦波容易得多。同时在其他条件完全一致的情况下，控制方波也比正弦波轻松许多。因此BLDCM的推广程度要比PMSM多上很多。在这里，特别声明，在接下来无刷直流电机建模仿真在无特殊说明情况下，默认就是BLDCM，即本文是对BLDCM这种无刷直流电机的研究。1986年，H.R.Bolton对无刷直流电动机作了全面系统的总结，指出了无刷直流电动机的研究领域，成为无刷直流电动机的经典文献，标志着无刷直流电动机在理论上走向成熟。
从中，可以看出，无刷电机所走的道路也是曲曲折折。个人认为，一个东西的最终大量推广应用需要很多必要条件。首先，这个东西要有需求。近代工业发展迅速，导致市场对电机这类驱动设备的需求量越来越大。其次，这个东西相对于替代品来说要有一定的优点，也就是产品优点。无刷电机优点那就很多了，比如无刷直流电机调速方便，稳定性高，噪音小，效率高，不产生火花等等。最后，这个东西能否推广，取决于当时相关硬件或者原料的性能。由于在1970以前，无刷直流电机受到材料限制，所以没有推广。后来，各方面都发展了，无刷直流电机才开始推广。
1.2无刷直流电机的构造工作原理以及数学模型
无刷直流电动机是由电机本体，位置传感器以及电子换向电路共同构成。其中电机本体与普通电机不同：定子为电枢而转子则是永磁体，如图11。在这里先粗略讲解一下它的工作原理：先由位置传感器输出体现永磁体（转子）位置的信号传给控制器，控制器通过电子换向线路去驱动与电枢绕组连接的功率开关器件，使得电枢上产生跳跃式旋转磁场，从而带动转子工作。当然，转子转动，那位置传感器检测到的位置发生变化，输出信号也会随之变化，重复前面工作，如此循环。
图11稀土永磁无刷直流电机构成框图
图12稀土永磁无刷直流电机系统图
下面以两相导通星型三相六状态无刷直流电动机为例（图12），进行系统性讲解。其中需要用到工作原理图（图13），所以一并给出。可以看到首先图12中VF是逆变器，BLDCM则是电机本体，PS为转子位置传感器。首先当转子在图13所在位置时，位置传感器输出信号，经过控制电路进行变换后再驱动VF,此时功率开关管1,6导通，电枢绕组在空间合成磁势F1，为如图13.此时电动机顺时针运转。当转过60度时，位置传感器检测到位置变化从而输出相应信号，使得功率开关管1，2导通，根据受力分析，电机转子继续顺时针旋转。以此类推，可以总结出功率管的导通顺序：32,34,54,56,16从中，可以总结出以下规律（如图14）：
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