直流电动机双闭环控制系统的设计仿真设计

摘要

传统的直流电机一直在电机驱动系统中占据主导地位，但由于其本身固有的机械换向器和电刷导致电机容量有限、噪音大和可靠性不高，因而迫使人们探索低噪音、高效率并且大容量的驱动电机。随着电力电子技术和微控制技术的迅猛发展成熟起来的直流无刷电机具有体积小、重量轻、效率高、噪音低、容量大且可靠性高的特点，从而使其极有希望代替传统的直流电机成为电机驱动系统的主流。首先，从电机本体和控制角度出发，阐述了直流无刷电机在实际应用中需要解决的关键性问题：电磁转矩脉动。详细分析了电磁转矩脉动产生的各种原因，特别是分析了相电流换向所产生的纹波转矩脉动。其次，本文对无刷直流电动机的工作原理进行了详尽的分析，建立了三相无刷直流电动机的数学模型。并利用MATLAB／SIMULINK软件建立了三相无刷直流电动机的控制系统仿真模型。仿真模型采样的是电机控制系统中常用的双环系统(转速一电流双闭环控制)。为了提高系统的静动态特性，转速外环采用PI调节器，电流环采用PI调节器。转子位置通过直流无刷电机感应电势检溺，仿真结果表明了该仿真模型控制系统与理论分析完全吻合，从而证明了模型的有效性。然后，初步设计了伺服系统的原理图。以PID控制器作为整个控制电路的核心，一台40w的直流无刷电机作为被控对象，完成了伺服系统的转速控制。最后，对未来的工作给予了展望，并对全文的容进行了总结。

关键词：无刷直流电动机；转矩脉动；PID控制器

Abstract

Conventional DC motor always takes up dominant position in driving system，butits inherent mechanical commutator and brush bring on limited capability，low reliability and big noise．These shortcoming necessitate US to develope lower noise，high efficiency and big capability driving motor．With the development of the power electronicsand micro—control technique，permanent—magnet brushless DC motor possesses small volume，light weight，high efficiency，low noise，big capability and reliability，so it is hopeful to become main motor in drive system．Fuzzy controller has the advantage of robust trait and strong anti-jamming merit．First，from the point of view of motor and control，the paper expounds all kinds of cause of brushless dc motor’s ripple toque．Especially，analyzes the cause of commutation ripple torque．

Second，mathematical model is presented based on the the operating principle of BLDCM，which is analyzed in detail．This paper introduces software matlab／simulink and how to use it．Simulation model of three—phase BLDCM is set up and performed．The control system is virtually a dual closed—loop system with current controller’s inner loop and speed controller as outer loop．speed controller adopts fuzzy。PI regulator and current controller adopts PI regultor．We estimate rotation

complete speed control through a 40w—brushless dc motor．Keywords：BLDCM；Torque Ripple；PID controller

目录

1 绪论 (1)

1.1本课题的研究意义 (1)

1.2直流电动机闭环控制的研究现状 (3)

1.3容安排 (4)

2 直流电机的工作原理和控制系统模型 (5)

2.1直流电动机的工作原理 (5)

2.2BLDC系统模型的建立 (7)

3 PID调节器设计原理 (9)

3.1双闭环直流调速系统原理 (9)

3.2调节器的工程设计方法 (10)

3.2.1电流调节器的设计 (12)

3.2.2转速调节器的设计 (14)

4 直流电机控制系统的仿真分析 (17)

4.1动态仿真工具SIMULINK简介 (17)

4.2三相无刷直流电动机的数学模型 (19)

4.3直流电机控制系统模型的建立 (22)

4.3.1 电压方程 (23)

4.3.2 转矩方程 (24)

4.3.4 等效电路 (24)

4.3.5 BLDCM本体模块 (25)

4.3.6 电流滞环控制模块 (27)

4.3.7 速度控制模块 (29)

4.3.8 参考电流模块 (30)

4.3.9 转矩计算模块 (31)

4.3.10 转速计算模块 (32)

4.3.11 电压逆变器模块 (32)

4.4仿真结果 (33)

4.5本章小结 (35)

5 结论与展望 (36)

致 (37)

参考文献 (38)

1 绪论

1.1 本课题的研究意义

直流电动机具有线性机械特性、调速围广、启动转矩大、控制电路简单和效率高等诸多优点，因此长期以来一直广泛地应用在各种驱动装置和饲服系统中。但是直流电动机均采用电刷，用机械换向器进行换向，因为机械电刷和换向器存在着相对的机械摩擦，由此带来它结构复杂、可靠性差、变化的接触电阻、噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，影响了直流电动机的调速精度和性能，从而限制了它的应用围。因此人们长期以来，一直在寻找一种不用电刷和换向器的直流电机。随着电力电子技术、计算机技术、现代控制理论以及稀土永磁材料技术的飞速发展，这种设想逐步成为现实。自1958年美国通用电气公司研制成功第一个工业应用的普通晶闸管,主关断器件从晶闸管发展到了有自关断能力的大功率半导体开关

器件(全控性器件)：电力晶体管(GTR)，可关断晶闸管(GTO)，电力场效应晶体管(MOSFET)，绝缘栅极双极性晶体管(IGBT)，高频大功率静电感应晶体管(SIT)，静电感应式晶体管(SITH)，场控晶体管(MCT)等。可以说电力电子技术在等等的几十年里飞速发展，使功率半导体器件的性能得以大大提高，同时其驱动电路也获得了迅速发展。

电力电子技术和微电子技术的发展也带动着功率集成电路P／C(分为高压化，高频化，小型化等创造了有利的条件，这些都为直流无刷直流电机的驱动控制电路的提高开辟了新的方向。稀土永磁材料技术也对直流无刷电机本体的发展起着巨大的推动作用。采用稀土永磁材料的直流无刷电机不仅具有可靠性高i3J、维修方便、结构简单、特性好、易散热、转速不受机械换向限制、噪声小，而且具有磁能积高、矫顽力Hc高、剩磁Br大等优点。

伴随着这些新的电力电子器件，高性能的数字集成电路以及先进的控制理

论的应用，直流无刷直流电机调速控制部件功能日益完善，所需的控制部件数目愈来愈少，控制器件的体积也越来越小，控制器件的可靠性提高而成本愈来噪音、重量轻等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，因而直流无刷电机的应用围不再局限于传统的工业领域，在当令国民经济的各个领域得到了广泛的应用。例如在计算机外围设备(软驱、光驱、硬盘等)、办公自动化设备(打印机、复印机、绘图仪等)、家电(洗衣机、空调、风扇等)、音像设备(VCD、摄像机、录像机等)、汽车、电动自行车、数控机床、雷达和各种军用武器随动系统、机器人、柔性制造系统、大规模集成电路制造、激光加工、医疗设备等领域得到了广泛的应用。

无刷直流电动机因为用半导体电子开关换向器替代了机械式换向器及电刷可靠性高，无需维护，寿命长，噪声低，功率密度大。特别是它的转动惯量小转子损耗相对于异步电动机小得多。当输出功率相同时，无刷直流电机所需要的整流器利逆变器容量小，因此自身体积也小，更适合于空间有限的场合。也正是因为无刷直流电机有如此多的优点，所以使它成为了新一代电动伺服系统的主角。由于无刷直流电动机在工业上的应用愈来愈广泛，它的进一步推广将显著的提高我国的能源利用水平，改变我国高污染，低效率的能源利用状态。稀土资源优势，弥补我国在能源利用水平上的差距，将是一件很有意义的工作。

早在1917年，Boliger就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械换向器，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。早在1934年，就出现过电子管线路代替机械滑动接触的无换向器直流电动机。但由于当时电子器件的技术水平和制造