无刷直流电机的matlab仿真

1、机电技术 2011年8月60 作者简介:程勇(1979-,男,讲师,主要研究方向:电机控制,智能算法研究。无刷直流电机的matlab 仿真程 勇(西安科技大学,陕西 西安 710054摘 要:首先分析了无刷直流电机数学模型,结合matlab 软件对直流无刷电机调速系统进行了仿真研究和分析,最后给出了仿真波形,验证了模型准确可靠。关键词:直流无刷电机;matlab ;调速中图分类号:TM33 文献标识码: A 文章编号:1672-4801(201104-06-02直流无刷电机转子为永磁材料,随定子磁场同步转动。这种电机结构简单而且解决了普通直流电机物理电刷等缺点。随着永磁材料不断发展,直流无刷电

2、机应用越来越广泛1。本文详细分析了无刷直流电机模型后,通过MATLAB 仿真实现直流无刷电机的调速仿真系统。通过仿真结论可知,文中的BLDCM 模型准确可靠,具有一定的应用价值。1 直流无刷电机基本特性直流无刷电动机三相定子电压的平衡方程式可用下列状态方程表达5:0000A s A AABAC A A B s B BA B BC B B C s C CACBC C C u R i L L L i e u R i L L L P i e u R i L L L i e =+(1式中, A u 、B u 、C u 为定子相绕组电压;A i 、B i 、C i 为定子相绕组电流;A e 、B e 、

3、C e 为定子绕组电动势;A L 、B L 、C L 为每相绕组的自感;AB L 、AC L 、BA L 、BC L 、CA L 、CB L 为每两相绕组间互感;P 为微分算子。由电动机结构决定,在一个360°电角度(机械上为一对磁极距,转子的磁阻不随转子位置变化而变化,并假定三相对称,则有:AB BA AC CA BC CB L L L L L L M = A B C L L L L =式中,M 为无刷直流电动机定子绕组间互感。则式(1可改写成式(200000A s A A AB sB B BC s C C C u R i L M M i e u R i M LM P i e u

4、R i MML i e =+(2由于三相绕组为星形连接,且没有中线,则有:0A B C i i i += (3(2、(3式联立得:00000000A s A A AB s B B BC s C C C u R i L M i e u R i L M P i e u R i L M i e =+(4由式(4可以得到无刷直流电机理想状态下的等效电路,如图1所示。N图1 无刷直流电机的等效电路图及主电路原理图由电机统一理论可知,电机电磁转矩可表示为:(Pc c b b a a e i e i e i e P T +=(5 式中,为机械角速度。在通电期间,无刷直流电动机的带电导体处于相同的磁场下,各相

5、绕组的感应电动势为:n PN E m m 60/(= (6式中,n :电动机转速;m :主磁通;P :极对数;N :总导体数。因此,电磁转矩表达式可化为:d e d m d m d I k I PN I E T 2/(/2(= (7 式中,d I 是方波电流的幅值,并有:P n P n ××=×=3060/2 (8由式(8可以看出,无刷直流电动机的电磁转矩表达式和普通直流电动机相同,其电磁转矩大第4期 程勇:无刷直流电机的matlab 仿真 61 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。当送入120°电角度

6、的三相方波电流并使之与每相感应电动势同相(与转子磁动势相差90°时,无刷直流电动机转矩脉动等于零3。电机机械运动方程4:dtd JT T L d = (9 式中, T 为负载转矩;J 为转子惯性矩; 为机械角速度。2 Matlab 建模 2.1 机械运动方程模块由机械运动方程可得,电磁转矩、负载转矩以及摩擦转矩,通过加乘、积分等环节,可得到电机的机械角速度,再通过积分可得到电机的位置信号量Angle 。如图2所示,是系统的机械运动方程模块的内部结构。 图2 机械运动方程模块3 转速调节环仿真系统转速调节结构采用如图3所示的结构。其中,通过PID 调节器、带电流截止环节的转速负反馈调速

7、系统,即可实现系统的稳定运行和无静差调速,又限制了启动时的最大电流。但由于电流截止负反馈只能限制最大启动电流,而不能保证在整个启动过程中维持最大电流,随着转速的上升,电动机反电动势增加,使启动电流达到最大后又迅速降下来,电磁转矩随之减小,影响启动的快速性5-7。图3 基于Matlab 转速调节环仿真模型图4 转速调节环反馈的电流波形从转速调节环反馈的电流波形(见图4,可以看出采用了PID 调节器后,转速反馈的电流波形逐渐上升,最后达到最大值并且稳定在最大值。使电机转速稳定无静差。4 结论本文在分析直流无刷电机数学模型的基础上,建立了BLDCM 系统仿真模型,仿真结果符合理论分析,并具有较好的动态、静态响应。采用该模型实现不同算法和控制策略,为进一步分析BLDCM 提供了便捷的途径。参考文献:1 张曼若.直流无刷电动机的发展与应用微电机J.1995(1: 23. 2 曲家哄,展望21世纪的直流无刷电动机J.微特电机.1999(4.3 邓兵,潘俊民. 无刷直流电机控制系统计算机仿真J. 计算机仿真,2002,19(5:104.4 孙剑波,龚世缨,董亚晖.永磁无刷直流电机调速系统的仿真研究J.微电机(伺服技术,2001(2.5 卿浩,辜承林,唐小琦,等.无刷直流电机模糊控制系统的建模及仿真分析J.微电机,2006,39 (3 :19-21. 6 纪志成