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

基于MATLAB/simulink的无刷直流电机控制系统的建模和仿真摘要在分析了无刷直流电机（BLDCM）的工作原理及控制系统的组成,推导出了无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MATLAB的无刷直流电机控制系统仿真建模的新方法，该方法借助MATLAB仿真软件，在Simulink环境下，把独立的功能模块和S函数相结合，构建了无刷直流电机系统的仿真模型。

系统采用双闭环控制：速度环采用离散PID控制，根据滞环电流跟踪型PWM 逆变器原理实现电流控制。

仿真和试验结果表明：波形符合理论分析，系统能平稳运行，电机转矩脉动小，系统过渡时间短，无超掉，稳态性能好，验证了该方法的合理性和有效性。

采用该BLDC仿真模型，可以十分便捷的实现、验证控制算法，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Simulink可以给长直接的构造控制系统并观察其结果。

此方法也适用于验证其他控制算法的合理性，为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。

关键词：无刷直流电机，建模，仿真，电流滞环，Matlab1 引言课题研究的背景、目的及意义无刷直流电机(Brushless DC Motor，以下简称BLDC)是随着电力电子技术及新型永磁材料的发展而迅速成熟起来的一种新型电机。

以其体积小、重量轻、效率高、惯量小和控制精度高等优点，同时还保留了普通直流电动机优良的机械特性，广泛应用于伺服控制、数控机床、机器人等领域[1]。

建立无刷直流电机控制系统的仿真模型，可以有效的节省控制系统设计时间，及时验证施加于系统的控制算法，观察系统的控制输出；同时可以充分利用计算机仿真的优越性，人为地改变系统的结构、加入不同的扰动和参数变化，以便考察系统在不同结构和不同工况下的动、静态特性[2]。

因此，如何建立有效的无刷直流电机控制系统的仿真模型成为电机控制算法设计人员迫切需要解决的关键问题。

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的BLDC控制系统仿真建模的新方法，将该方法在Simulink环境下结合S函数构建了无刷直流电机仿真模型，利用Matlab中的Simulink工具箱建立了BLDC控制系统的计算机仿真模型[3-4]。

采用该BLDC仿真模型，可以十分便捷地实现、验证控制算法，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Simulink 可以非常直接地构造控制系统并观察其结果，同时，该模型提供的各仿真模块具有通用性。

无刷直流电机控制的国内外现状、发展及展望在控制系统中，若给定的输入信号是预先未知且随时间变化的，并且系统的输出量随输入量的变化而变化，这种系统就称为随动系统。

快速跟踪和准确定位是随动系统的两个重要技术指标。

传统概念，火力随动系统是火力系统的重要组成部分。

它是构成武器自动化体系的基本环节，它在一定程度上按照人们的意愿去完成所要求的控制规律，具有快速性和商精度的特点。

近几年来，用高新技术武装的各种战术导弹、隐形飞机、武装直升机等空中武器不断涌现，其目标识别能力、隐蔽程度、目标命中精度均大大提高，这给武器随动系统提出了新的要求。

因此，如何使随动系统具有稳定性好，可靠性高、响应速度快、跟踪精度高等特点，成为研究随动系统的关键[5]。

运动控制通常是指在复杂条件下，将预定的控制方案转变成期望的机械运动。

运动控制系统使被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制等。

随着计算机技术、现代控制理论的迅猛发展，由数字控制装置组成的随动系统即数字随动系统应运面生。

1.2.1 无刷直流电机控制的发展过程和现状无刷直流电机既具有传统直流电机的优点。

如较好的机械特性和调节特性，起动转矩大、过载能力强、调节方便、动态特性好等，又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点[6]。

对转子位置的检测和换相技术的研究是无刷直流电动机伺服控制的一个方面，传统的方法是采用位置传感器，为了减轻系统的负担，国外的一些学者提出无位置传感器法。

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感应电动势进行位置检测，这就是所谓的“反电动势法”[7]。

1990年，S．Ogasawara 提出了续流二极管法，它通过检测反向并联在驱动三极管上的二极管的导通状态来得出转子的位置[8]。

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测位置，它对逆变器开关造成的噪声不敏感，因而可精确确定转子的位置。

文献[10]采用端电压检测法，结合80C51单片机对无刷直流电机进行控制。

但是由于定予反电动势和电机的转速成正比，所以在电机静止对反电动势为零，没有换相信号，电机不能自起动。

为了实现启动必须外加起动信号，使电动机转子向确定的方向加速，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[11]在文中详细比较了用于无位置传感器的无刷电机起动方式。

在起动方式中主要有外同步方式和预定位方式两种。

外同步驱动方式起动是以变频方式同步拖动电机转子旋转，需要专门的脉冲分配电路提供各相导通的控制信号，因此起动电路比较复杂；预定位方式起动的控制电路相对简单，但是为了起动可靠，必须设计起动控制电路并且合理的调整电路参数。

1.2.2 无刷直流电动机的发展趋势无刷直流电动机具有调速性能好、控制方法灵活多变、效率高、启动转矩大、过载能力强、无换向火花、无无线电干扰、无励磁损耗及运行寿命长等诸多优点。

近年来，由于永磁材料性能提高、制造成本价格下降、电力电子技术发展及对电机性能要求等因素的影响，无刷直流电动机的应用领域迅速扩展。

随着大规模集成电路的普及，各具特色的无刷直流电动机专用集成电路控制芯片纷纷涌现，将各种功能的电子控制电路集成在一片控制芯片中，既使控制电路体积大大减小，又减少了整个装置的调试工作量。

随着电力电子工业的发展，无刷直流电动机的应用将更加普及。

无刷直流电动机的应用研究无刷直流电动机是一种新型的直流电动机，与传统的直流电机相比，无刷直流电动机具有优越的性能，在许多领域得到了广泛应用。

(1)在精密电子设备和器械中的应用用来存放各种信息数据的计算机外存设备，其各种存储器的主轴电动机均采用高档精密无刷直流电动机，特别是用于硬盘驱动器的主轴电机，能悬浮于盘片上下两侧以高速驱动磁盘稳定旋转，这对无刷直流电动机零部件和装配精度提出了很高要求。

无刷直流电动机还广泛应用于医疗器械、激光打印机、复印机、卫星太阳能帆板驱动、医疗监控设备等领域。

(2) 在家用电器中的应用近年来的变频式空调机中使用了多台无极调速无刷直流电动机。

无论是压缩机拖动，还是在风机、加湿机中，都逐步采用无刷直流电动机拖动方式，既提高机械可靠性，又降低成本。

此外在热水器、吸尘器、洗衣机、电风扇、搅拌机中使用无刷直流电动机可实现多功能自动操作，提高家电产品的自动化程度和效率。

(3) 在工业系统中的应用在许多工业系统中，往往需要能精确定位又要快速动作的执行机构。

在这些系统中采用无刷直流电动机的伺服控制，不仅提高了生产效率，而且大大改善了产品质量。

无刷直流电动机还广泛应用于其它领域，如航空工业、军事国防等等。

现代控制理论的发展和应用促使许多新型交流伺服电机控制方法诞生，交流伺服电机是一个多变量、非线性、强耦合的控制对象，仅仅采用一般的控制方法，很难达到较高的性能要求。

由于无刷直流电动机具有一系列的优点，应用领域宽广，更适合于高性能的交流伺服系统，因此对无刷直流电动机交流伺服系统控制策略及应用的研究具有重要的价值和意义。

无刷直流电动机需要解决的问题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机，还是一种新型电动机。

主要涉及以下几个方面：①对于无刷直流电动机，应该进一步改进的问题中首先是转矩脉动。

尤其是用于视听设备、电影机械、计算机中的无刷直流电动机，更要求运行平稳，没有噪声。

为了改进性能，利用计算机进行模拟、分析、计算、比较。

②电动机性能的改进离不开高性能材料的应用，首先应该提及的是永磁材料性能的提高。

研制和采用磁性能更好，温度特性更佳、防锈防腐特性更强、价格更便宜的稀土材料是一个关键。

在加工技术方面首先应该提到的是充磁技术，应该保证气隙磁场形状，保证性能。

③针对无刷直流电动机交流伺服系统的特点。

而智能化、全数字化是控制系统发展的主要方向，模糊控制、神经网络、遗传算法和自学习控制的发展将使系统性能更加优越，无位置传感器算法、智能控制策略和电机专用DSP构成了无刷直流电机控制的主旋律。

本论文的主要工作本文在分析无刷直流电机数学模型的基础上，借助于Matlab强大的仿真建模能力，利用电气模块库中内含的功能元件，对通常的运动控制系统仿真模型进行了改进，提出了一种新型的基于Matlab的BLDC控制系统仿真建模的新方法，利用Matlab 中的Simulink工具箱建立了BLDC控制系统的计算机仿真模型，进行了控制系统的仿真、试验[3-4]，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理性，加快了实际系统设计和调试的进程。

本论文的主要安排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强大的仿真功能建立无刷直流电动机的模型；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2 无刷直流电机的基本结构和数学模型控制系统总体构成无刷直流电动机的有位置传感器的设计方案，是建立在检测位置传感器有效信号的基础上的。

DSP控制器通过加装在电机内部的转子位置传感器发出的位置信号来判断当前的转子位置，以决定下一步的控制时序。

系统采用全数字双环控制结构：速度环和电流环，从而提高了无刷直流伺服电机的控制精度。

具体框图参见图2．1。

图控制系统框图无刷直流电机基本结构无刷直流电动机的基本结构原理如图所示[12][13]。

图无刷直流电动机的结构原理图它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。

图中的电动机本体为三相两极，三相定子绕组分别与电子开关线路中对应的功率开关器件联结，A相、B相、C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，其输出端与电子开关线路中对应的功率开关器件连接。

当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场互相作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。

由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。