BLDC调速系统的建模与仿真

1、BLDC调速系统的建模与仿真调速系统的建模与仿真姓名姓名： 李业童 学号学号：1141201070 指导老师指导老师：刘白杨绪论绪论 PID全称为：比例、积分、微分控制。由以上三个控制环节组成的控制器的简称PID 控制器算法简单，鲁棒性强，稳态无静差。但是随着现代科技的进步以及工业生产的复杂化，对于那些复杂的生产系统很难建立精确的数学模型，但是PID控制往往需要精确的数学模型，因此PID控制已经不能够满足当今所需的生产要求。模糊控制技术是以模糊数学知识作为其理论基础，并结合计算机与经典控制理论等技术基础而形成的一种先进智能控制方法。模糊控制技术现在应用最广的智能控制方法之一，具有与人工智能极其

2、类似的特点，但是模糊控制不具有PID那样的精确度。因此将模糊控制和PID控制结合在一起形成模糊PI控制，能够有效地提供精确、鲁棒性强、适应性较强的控制且不需要依赖精确的数学模型 一. 课题来源 二. 国内外研究现状 三. 本次毕业设计的主要工作和内容 四. 仿真模型的搭建 五 . 仿真结果与分析 六 . 结论本次毕业设计所做的工作本次毕业设计所做的工作一一.课题来源课题来源 直流电机具有良好的机械特性、较大的启动转矩、以及调速范围非常宽、易于实现平滑调速等优点。但是由于机械换向存在较大的机械摩擦以及火花，且直流电机运行时产生的噪声交大，针对直流电机换向存在的一些列问题。20 世纪 60 年代，

3、以电子换向取代电刷换向的直流电机无刷直流电机（BLDC）终于诞生了。随后无刷直流电机逐渐地应用于生产各个领域如航天航空，电动汽车等行业。同时，随着无刷直流电机使用的，面临的系统越来越复杂，如何能够使无刷直流电机适应各个复杂的生产系统，对于无刷直流电机的控制具有重要的研究意义。二二. 国内外研究现状国内外研究现状 20世纪 90 年代以来，永磁无刷直流电机逐步取代了直流伺服电机在精确数控设备中的地位，尤其是工业机器人的驱动中。未来数年中，工业过程中的机器人使用会越来越广泛，机器人需求增长的速度十分惊人，而这些机器人都离不开无刷直流电机。同时，对于无刷直流电机的控制，国内研究技术仍然不成熟，大多依

4、赖国外的控制经验。如日本的电车采用了无刷直流电机作为驱动电机，取得了很好的效果。综观国内外无刷直流电机技术研究动向，可以总结为以下几点： (1) 产品性能趋于专用化、品种趋于多样化 (2) 通过结构和工艺创新，生产趋于自动化、规模化，进一步降低成本(3) 无位置传感器技术正逐步完善 (4) 智能控制技术逐步应用于无刷直流电机技术中三 本次毕业设计主要的工作和内容 本次毕业设计的主要工作：1. 通过查找资料了解无刷直流电机的结构和工作原理以及调速方法2. 了解经典PI控制和模糊PI控制的原理和方法3. 进行仿真模块的搭建包含：控制模块、电机本体模块、数据采集模块4 进行仿真，并认真对仿真结果进行

5、分析5 得出结论本次毕业设计主要内容：利matlab软件里面的simulink模块，建立控制模块，电机本体模块，以及数据采集模块。并通过经典PI和模糊PI对电机进行控制，同时在t=0.1秒时加入3N.M的负载转矩。通过对电机转子电流、电压、电磁转矩和转速的采集，并观察。比较出模糊PI控制与经典PI控制的优缺点。无刷直流电机的结构和工作原理无刷直流电机的结构和工作原理 t无刷直流电机组成部分：电机本体、位置传感器、电子开关线路； t电机本体在结构上与永磁同步电动机相似；t电子开关线路由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成；t电子开关线路导通次序是与转子转角同步的，起机械换向器的换向

6、作用。图1 无刷直流电机结构图四四. 仿真模型的搭建仿真模型的搭建无刷直流电机工作原理无刷直流电机工作原理 无刷直流电机由直流电源供电，然后通过逆变器输出电压使电机正常运行，然后通过位置传感器检测，并将检测信息传输到电子换向器上，通过逻辑换向传输给逆变器，同时通过检测无刷直流电机的转速，并实时地反馈给控制模块，通过与给定值的求差，得到偏差然后通过控制器得出控制量作用于直流受控源，调节其输出值，然后通过逆变器控制无刷直流电机的转速，从而实现无刷直流电机的调速控制。图2 无刷直流电机的工作原理图无刷直流电机电机本体模块无刷直流电机电机本体模块 TL：电动机负载转矩信号输入端；：电动机负载转矩信号输

7、入端；F+和和F-：直流电动机励磁电路控：直流电动机励磁电路控制端子，分别连接励磁电源的正制端子，分别连接励磁电源的正负电极；负电极；A+和和A-：电动机电枢回路控制端；：电动机电枢回路控制端；m为电机；电动机信号的测试端为电机；电动机信号的测试端包括：转速（包括：转速（n），电流（），电流（A），），电磁转矩（电磁转矩（Te)等；等；图3 无刷直流电机模块经典经典PI控制模块控制模块 图中图中3000为额定转速；为额定转速；其中作差里器的其中作差里器的-号为反馈速号为反馈速度；度；图中图中PI模块为模块为PI控制器，包含控制器，包含比例和积比例和积分模块。用于输入调节量，分模块。用于输入调节

8、量，输出控制量输出控制量图中第三个模块为：直流受图中第三个模块为：直流受控电压源，控电压源，用于输出调解后电压用于输出调解后电压图4 经典PI控制模块模糊模糊PI控制模块控制模块 其中其中ln1为转差输入，输入量通过比例功率放大，作为模糊控制器一个输入量。为转差输入，输入量通过比例功率放大，作为模糊控制器一个输入量。另外一个通过求得转差与时间的变化求得转差率，并作为模糊控制器的另外一个输另外一个通过求得转差与时间的变化求得转差率，并作为模糊控制器的另外一个输入量。模糊控制器采用双输入、输出，同时模糊控制器的输出量作为入量。模糊控制器采用双输入、输出，同时模糊控制器的输出量作为PI控制器的输控制

9、器的输入量，再通过入量，再通过PI控制器的比例、积分环节得到控制量，输入给直流受控电压源。得控制器的比例、积分环节得到控制量，输入给直流受控电压源。得到调节后的电压，输入给到调节后的电压，输入给BLDC模块。模块。图5 模糊PI控制模块电机数据采集模块电机数据采集模块 此模块能够实时地采集到无刷直流电机的电压、此模块能够实时地采集到无刷直流电机的电压、电流、转速、电磁转矩的图像。电流、转速、电磁转矩的图像。图6 电机数据采集模块五五. 仿真结果与分析仿真结果与分析无刷直流电机仿真图：图7 无刷直流电机仿真图 无刷直流的电机的电无刷直流的电机的电压与电流，电流在压与电流，电流在0-0.015s时

10、电流由时电流由45A慢慢慢慢降低到降低到0A左右，在左右，在0.1s加加入入3N.M转矩之后，电流转矩之后，电流上升，幅值基本维持在上升，幅值基本维持在4A左右。左右。电压在电压在0-0.15s时电压由时电压由0升为升为220V左右，在左右，在0.1S加入转矩之后，发生细小加入转矩之后，发生细小变化，变化范围在变化，变化范围在10V以以内。内。图8 无刷直流电机的电压与电流波形 在启动过程中，由于电机转子自身的惯性，在启动在启动过程中，由于电机转子自身的惯性，在启动时电磁转矩较大。在时电磁转矩较大。在0.015秒时基本稳定秒时基本稳定 在在0Nm。在。在0.1S加入转矩后，转矩迅速在加入转矩后

11、，转矩迅速在3A处稳定。处稳定。图9 无刷直流电机转矩变化曲线 图10 经典PI与模糊PI控制条件下转速曲线启动过程中，经典启动过程中，经典PI控制超出给定转速控制超出给定转速175，超调量为，超调量为5.8%，而模糊控制只超出，而模糊控制只超出10，超调量为超调量为0.3%。模糊。模糊PI控制达到额定转速比经典控制达到额定转速比经典PI控制少控制少70%在在0.2s加入一个负载转加入一个负载转矩后，模糊矩后，模糊PI恢复额定转速时间比经典恢复额定转速时间比经典PI少少85%。且恢复时，模糊。且恢复时，模糊PI控制超调量比经控制超调量比经典典PI控制少。控制少。总结总结 在无刷直流电机的调速控制方面，经典PI控制的控