基于malab的电机建模与仿真

基于malab的电机建模与仿真

1永磁无刷直流电动机的仿真分析和控制由于永速无刷电动机具有方便的速度快、结构简单、维护方便、易控制、功率密度大等优点，因此在计算机外围设备、仪器仪表、饲养系统、频损失机、低频清洗机等家用电器中得到了广泛应用。因此,如果建立永磁无刷直流电动机的仿真模型和驱动控制系统,通过仿真分析可以有效的缩短整个系统的设计周期。本文主要研究反电势近似梯形波的永磁无刷直流电机模型的建立与仿真,根据电机的参数和实际运行状况,通过MATLAB软件的SIMULINK和PSB模块,建立永磁无刷直流电机控制系统的动态模型,并通过实验验证了结果的正确性。2转子三元复合网络结构,两相转化了一个自感的电压方程,其符合以下规定永磁直流无刷电动机的主要特征就是反电势近似为梯形波,包含有较多的高次谐波,这意味着定子和转子的互感是非线性的。因此,采用dq变换理论已不是有效的分析方法,因为dq方程适用于气隙磁场为正弦分布的电动机本文所研究的电机定子绕组是三相对称,60°相带整距集中星型连接的绕组,由此可得定子三相绕组的电压方程为:式中:uA、uB、uC为电机三相相电压;eA、eB、eC为三相反电势;iA、iB、iC为三相相电流;LA、LB、LC为三相绕组的自感;LAB、LBA、LAC、LCA、LBC、LCB为各相绕组间的互感。由于转子是永磁磁钢,转子的影响可忽略,可以认为互感是常数,与转子位置无关。且令LA=LB=LC=L,LAB=LBA=LAC=LCA=LBC=LCB=M,同时令RA=RB=RC=R,再由定子三相绕组为对称Y型连接,且无中线,则:因此,三相电压方程可表示成三个状态方程:电磁转矩方程为:电机的运动状态方程为:其中,B为阻尼系数,J为电机的转动惯量,Tl为负载转矩。对电机模型的建立和仿真,其本质是对式(4)和式(6)状态方程的联立和调用四阶龙格-库塔函数ode45的求解。本文利用SIIMULINK则可避开繁琐的编程过程,把建模过程图形化,输出结果可视化,直观化。3基于电机和控制系统的模拟模型建设3.1控制系统接口永磁无刷直流电动机控制系统实际上由电机本体,逆变器,驱动控制器3部分组成。本系统中,直流电源通过电压源型三相桥式PWM逆变器向电机供电。只要根据位置检测信号触发导通对应的开关器件,就可获得与感应电势同相位的电流,从而驱动电机运转。根据系统各部分功能的不同,采用模块化的方法将整个系统分成几个功能模块分别建模。因此,各部分模块相对独立,它们之间存在输入输出的接口配合。整个系统的模型如图1所示。3.2电机的仿真模型整个系统建模的关键在于电机模型的建立,为简化模型的建立和分析,现作如下一些假设:(1)忽略磁路饱和,不计涡流和磁滞损耗;(2)忽略齿槽效应,绕组均匀分布于光滑定子的内表面;(3)不考虑电枢反应,气隙磁场分布近似梯形波,平顶宽度近似120°电角度;(4)转子上没有阻尼绕组,永磁体不起阻尼作用。根据状态方程式(4)和式(6),通过SIMULINK中的加、减、乘、除、微分、积分等模块和自编函数搭建电机的仿真模型,如图2所示。电机的三相绕组模块:利用PSB模块提供的电阻和电感,根据三相绕组的电压方程式(1)搭建出三相绕组模块,其中反电势模块利用PSB和SIMULINK的接口模块加进去,并且从三相绕组中引出中性点,如图2所示。转矩与转速模块:由电磁转矩方程式(5)可得转矩输出的仿真模块,如图3中的左半部分所示,三相相电流与相应的反电动势系数相乘,求和后便得到无刷直流电机的电磁转矩。转速模块则由电机的运动状态方程式(6)通过加、减、乘、积分等模块很容易的搭建出来,如图3右半部分所示。3.3电流滞环比较驱动对于本文所采用的带有位置传感器的电机控制系统,逆变器的可靠换相是根据位置传感器的转子位置信号进行控制的。永磁无刷直流电机调速系统一般采用双闭环控制,其中外环是速度环,内环是电流环。速度给定信号与速度反馈信号比较后,送入速度调节器,速度调节器的输出与电流反馈信号比较后,送入电流滞环比较器或通过电流调节器,电流滞环比较器具有控制简单、性能良好的特点,所以是目前采用得较多的电流控制器。再根据位置传感器的换相逻辑信号,输出相应的触发脉冲,控制功率器件的导通与关断。本文主要从验证所建电机模型的正确性,和得到电机的原始特性考虑,利用开环控制再加限流的控制方法。3.4双向逆变桥结构逆变器模块用PSB提供的3对MOSFET功率开关器件,各自反并续流二极管,构成三相逆变桥,如图4所示。驱动控制模块根据无刷电机的运行原理,通过转子旋转的角度,在换相时刻触发功率器件的导通和关断,产生方波电流输出。4计算cg3g,l-m2.6e,nn仿真模型中的反电势波形系数通过电磁场计算得到,利用该系数建模仿真,这样与实验结果更接近,反电势波形如图5所示。实验电机参数如下:Ud=48V,L-M=2.6e-03H,R=0.66Ψ,nN=1600rpm,P=3。根据上面建立的电机及控制系统的仿真模型,进行仿真与实验。图6、7给出了相电流和电磁转矩的仿真波形,其中电磁转矩波形中出现的尖峰是由于电机换相时产生的,即换相转矩脉动,而中间的凹坑则是由于反电势波形不是平顶波引起的。图8给出了相电流的实验波形,与相电流仿真波形基本吻合,这说明所建的电机模型及整个控制系统的正确性。5仿真结果分析本文根据电机的数学模型,通过MATLAB软件的SIMULINK和PSB模块,搭建了电机及整个控制系统的仿真模型。从仿真结果看出,该电机模型与控制系统跟实验的相符合,达到仿真的目的。同时,该模型具有通用性,整个系统做成界面型,不同的永