无刷直流电机模糊PI控制系统建模与仿真.docVIP

无刷直流电机模糊PI控制系统建模与仿真 摘要：从无刷直流电机（bldcm）的工作原理和结构出发，在分析了bldcm数学模型的基础上，采用模块化方法，在matlab/simulink 中建立了bldcm 转速、电流双闭环控制系统模型。利用该模型进行了电机动静态性能的仿真研究，仿真结果与理论分析一致，表明该方法建立的bldcm控制系统仿真模型合理、有效。该模型简单、直观、参数易于修改和替换，可方便地用于其他控制算法仿真研究。 关键词：无刷直流电机；matlab/simulink； 双闭环控制系统模型； 仿真模型 随着新型永磁材料、自动控制技术、电力电子技术以及电子技术的迅速发展，无刷直流电机(bldcm)也随之发展起来并已成熟为一种新型的机电一体化设备，它是现代工业设备中重要的运动部件。无刷直流电机采用电子换相器替代直流电机的机械换向器，实现直流到交流的逆变，采用位置传感器控制绕组电流的切换，既保持了直流电机的良好调速特性，又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便的特点。bldcm以体积小、速度高、可靠性好等优点广泛地应用于航空航天、机器人、电动汽车、仪器仪表、家用电器以及数控装置等领域［1］。近年来，无刷直流电机的应用领域不断扩大，其控制系统的要求也随之越来越高。无刷直流电机控制系统设计的过程中，为了缩短设计周期、降低研究成本和风险，通常先采用计算机仿真技术，建立无刷直流电机控制系统的仿真模型，分析电机转速、转矩等参数变化情况，研究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数据，施加不同的控制算法以寻求最佳参数，有效地节省控制系统设计时间，加快了实际系统设计和调试的进程［2］。 1无刷直流电机的数学模型 由于无刷直流电机的气隙磁场、反电动势以及电流是非正弦的，因此，采用直、交轴坐标变换已不是有效的分析方法。而在分析和仿真bldcm控制系统时，直接利用电机原有的相变量来建立数学模型却比较方便，又能获得较准确的结果。本文以两相导通星形三相六状态bldcm为例，分析其数学模型及电磁转矩等特性。为了便于分析，假定［3］： (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 (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。 根据无刷直流电机的特性，可建立其电压、转矩以及运动方程。 1.1无刷直流电机电压方程 无刷直流电机的电磁转矩是由定子绕组中的电流与转子磁钢产生的磁场相互作用而产生的。定子绕组产生的电磁转矩可表示为：tem=eaia+ebib+ecicω（5）其中：tem为电磁转矩（单位：n·m）；ω为电机机械转速（单位：rad/s），ω=2πn/60。 由式(5)可看出，无刷直流电动机的电磁转矩方程与普通直流电动机相似，其电磁转矩大小与磁通和电流幅值成正比，所以控制逆变器输出方波电流的幅值即可控制无刷直流电动机的转矩。 1.3运动方程 无刷直流电机的电磁转、负载转矩以及转速之间的关系可用电机的机械运动方程来描述，如下式所示。tem－tl－bω=jdωdt（6）式中：tl为负载转矩（单位：n·m）；b为阻尼系数（单位：n·m·s）；j为转子的转动惯量（单位：kg·m2）；dω/dt为转子机械角加速度。 2无刷直流电机调速系统仿真模型建立 为使调速系统具有较好的动静态性能，无刷直流电机控制系统采用转速、电流双闭环串级控制。外环为速度环，使转速跟随给定速度变化，实现转速稳态无静差，采用模糊pi控制算法。内环为电流环，使电流跟随电流给定的变化，保证起动时电机能获得允许的最大电流，提高系统的动态性能，采用滞环调节方法［46］。 在matlab的simulink环境下，利用s函数和simpowersystemtoolbox提供的丰富模块库，在分析bldcm数学模型的基础上，采用模块化建模方法，建立bldcm控制系统的仿真模型如图1所示，其中主要包括：bldcm本体模块、控制模块、三相电压逆变器模块和逻辑换相模块［78］。 图1永磁无刷直流电机系统仿真模型图2.1bldcm本体模块 踩踩 在无刷直流电机调速系统的整体模型中，bldcm本体模块是最重要的模块，也是最难实现的部分。bldcm模块建立的依据即为电机的数学模型，由电压平衡方程式（4）可知，要获得三相电流信号ia，ib，ic，必需首先求得三相反电动势信号ea，eb，ec。而bldcm建模过程中，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bldcm仿真建模的关键问题之一。根据转子位置将电机的一个运行周期0~360°分为6个阶段，每60°为