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无刷直流电机的高效、优化仿真方法 何隆瑞，尹华杰 华南理工大学 广州 （510641） 摘 要：在分析无刷直流电机 （BLDC）数学模型的基础上，结合电机非换相和换相的动态分 析，提出了一种基于 Matlab 的 BLDC 优化高效的仿真新方法；提出了一个准确的转子电角度 模块，解决了电压逆变模块的仿真精度问题；建立了准确的逆变模块；模块的优化以及对 s 函数的数学抽象和运算公式的简化，极大提高了仿真速度。关键的仿真波形验证了仿真模型 的有效性和正确性。 关键词：无刷直流电机；优化；仿真；Matlab 1 引言 无刷直流电动机(BLDC)是近年来随着电力电子器件及新型永磁材料而迅速成熟起来的 一种新型机电一体化电机,具有交流电机结构简单,运行可靠,维护方便等优点，因而在各种驱 [1] 动领域得到了广泛应用 。随着应用场合的扩大，对BLDC 控制系统的设计要求也越来越 高，因此，许多文献提出了大量BLDC 仿真建模方法，但这些模型尚存在一些问题或不足。 例如，文献[2]-[6]提出的逆变模块，不能正确反映理论分析，仿真的换相电流存在突变的假 像；文献[5]-[6]没有确切提出反电势波形的建模，文献[2]-[4]虽提出了用 s 函数对反电势建 模，但是采用了查表法，使用大量冗长的判断语句，降低了仿真速度，尤其是其中采用 s 函数实现的电角度（转子位置）输入参数模块，给仿真带来了误差，影响了反电势的准确性。 本文在文献[2]和[7]-[9]的基础上，建立了一种优化高效的BLDC 仿真新方法，彻底解决了电 角度的误差；建立了相当准确的逆变模块；对所有模块结构进行了重新组合和优化，整个建 模简洁，一目了然；对需要查表或者判断的功能模块，如反电势模块、逆变模块，全部经过 数学的高度抽象，以十分简洁的一个或者数个c 语言表达式解决，使用s-function builder 编 程实现，，极大加快了仿真速度，仿真结果与理论分析完全一致。这种优化高效的建模对于 验证各种控制算法、优化控制系统、快速设计出具有预期效果的 BLDC 系统，具有十分重 要的意义。 2 BLDC 的数学模型[10 ] 假定 BLDC 工作在二相导通、三相六状态工作方式，三相绕组完全对称，Y 形连接， 气隙磁场为梯形波，平顶宽度为 120 °电角度，定子电流、转子磁场分布皆对称；不考虑齿 槽、电枢反应等影响；电枢绕组在定子内表面均匀连续分布；磁路不饱和，不计涡流和磁滞 损耗，则可建立BLDC 的以下数学模型。 (a) 电压方程 -1- u R 0 0 i L −M 0 0 i e 1 ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ a a a a ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ (1) ub 0 R 0 ib =+ 0 L −M 0 p ib + eb +un 1 ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥