无刷直流电机控制系统仿真建模

无刷直流电机控制系统仿真建模

随着电子技术的发展和新型磁体材料的开发，无刷直流电机（blsdm）是随着新型电、流量管、主电源、旋转位置传感器等部分的一个封闭系统。无刷直流电机采用电子交换器代替直流电机的机械交换装置，以实现直流电机的逆变。数据采集装置用于控制组的电流变换。它不仅具有直流电机的良好速度特性，而且具有结构简单、操作可靠、维护方便的特点。此外，由于它体积小、速度快、可靠性好等优点，它现在得到了广泛应用。随着bldm在工业应用中的普及，如在系统和速度控制系统中的动态性能和控制精度的要求越来越高。在这项工作中，我们使用自适应比例差分和最小差分控制策略（pid），我们可以设计一个无盲点直流动机的神经系统。它不仅具有强烈的模糊控制能力，而且具有良好的动态响应能力、快速上升时间短的特点，而且具有pid控制器的动态跟踪质量和稳定性。我们使用nb的基本框架对整个系统进行建模和一般计算机模拟研究。结果表明，该方法可以取得良好的控制效果。1两组反电动势测试以两相导通星形三相6状态为例,直接利用电机本身的相变量来建立BLDCM的数学模型.假设磁路不饱和,不计涡流和磁滞损耗,三相绕组完全对称,则三相绕组的电压平衡方程为⎛⎝⎜UAUBUC⎞⎠⎟=⎛⎝⎜Rs000Rs000Rs⎞⎠⎟⎛⎝⎜IAIBIC⎞⎠⎟+⎛⎝⎜LsMMMLsMMMLs⎞⎠⎟p⎛⎝⎜IAIBIC⎞⎠⎟+⎛⎝⎜EAEBEC⎞⎠⎟+Un⎛⎝⎜111⎞⎠⎟(1)Un=UA+UB+UC3−EA+EB+EC3(2)(UAUBUC)=(Rs000Rs000Rs)(ΙAΙBΙC)+(LsΜΜΜLsΜΜΜLs)p(ΙAΙBΙC)+(EAEBEC)+Un(111)(1)Un=UA+UB+UC3-EA+EB+EC3(2)式中:UA、UB、UC为三相定子绕组相电压(V);IA、IB、IC为三相定子绕组相电流(A);EA、EB、EC为三相定子绕组反电动势(V);Un为中性点电压;Rs为三相定子绕组的电阻(Ω);Ls为三相定子绕组的自感(H);M为三相定子绕组之间的互感(H);p=d(·)/dt.又因为在三相对称的星形绕组电动机中存在IA+IB+IC=0,因而有MIA+MIB+MIC=0,所以式(1)可以化简为⎛⎝⎜UAUBUC⎞⎠⎟=⎛⎝⎜Rs000Rs000Rs⎞⎠⎟⎛⎝⎜IAIBIC⎞⎠⎟+⎛⎝⎜Ls−M000Ls−M000Ls−M⎞⎠⎟p⎛⎝⎜IAIBIC⎞⎠⎟+⎛⎝⎜EAEBEC⎞⎠⎟+Un⎛⎝⎜111⎞⎠⎟(3)(UAUBUC)=(Rs000Rs000Rs)(ΙAΙBΙC)+(Ls-Μ000Ls-Μ000Ls-Μ)p(ΙAΙBΙC)+(EAEBEC)+Un(111)(3)无刷直流电动机的电磁转矩方程和运动方程为Te=(EAIA+EBIB+ECIC)/ω(4)dω/dt=(Te−TL−Bω)/J(5)Τe=(EAΙA+EBΙB+ECΙC)/ω(4)dω/dt=(Τe-ΤL-Bω)/J(5)式中:Te为电磁转矩(N·m);TL为负载转矩(N·m);B为阻尼系数(N·m·s/rad);J为转子的转动惯量(kg·m2);dω/dt为转子机械角加速度(rad/s2).2系统功能模块在Matlab6.5的Simulink环境下,利用SimPowerSystemToolbox和FuzzyToolbox中的模块库,根据上面建立的BLDCM的数学模型,将系统各个单元模块化,建立独立的功能模块:BLDCM本体模块;速度模糊自适应PID控制模块;电流滞环控制模块和三相电压逆变模块.通过这些功能模块的有机组合,实现了整个系统的仿真模型,如图1所示.该模型与一般基于传递函数的仿真模型相比,不但提高了系统模型的准确性,而且便于对电机的相电流、反电动势、电磁转矩和转速进行动态分析.各功能模块的作用与结构简述如下.2.1电角度0认定方波无刷直流电机转矩脉动的主要部分就是由于电流和反电动势偏离理想波形而产生的转矩脉动,所以反电动势模型的建立极其重要.电机旋转360°电角度,各相的反电动势波形如图2所示.本文采用分段线性近似的方法,根据电机转过的电角度来求取反电动势,用M文件编写,程序如下:functionEmf=emf(θ)θ=mod(θ,360);%将电角度转化到if(θ>=0)&(θ<60)Emf=[1;(30-θ)/30;-1];elseif(θ>=60)&(θ<120)Emf=[1;-1;(θ-90)/30];elseif(θ>=120)&(θ<180)Emf=[(150-θ)/30;-1;1];Elseif(θ>=180)&(θ<240)Emf=[-1;(θ-210)/30;1];elseif(θ>=240)&(θ<300)Emf=[-1;1;(270-θ)/30];elseEmf=[(θ-330)/30;1;-1];end其中θ为电机转过的电角度.上面得到的是归一化后的反电动势,再乘以反电动势系数Kb和角速度ω就得到实际反电动势值.根据以上分析得到的三相电压平衡方程式(3),利用Simulink工具箱,可以建立三相电压平衡方程的模型.图3是A相电压平衡方程的模型,图中电感L表示的是自感与互感之差,同理可建立B、C两相的模型.再由式(4)、式(5)以及图3得出的反电动势E和相电流I,可以建立如图4所示的电磁转矩模型.2.2相电流控制板设计速度环的输出Is是电流参考给定的绝对值,再根据转子位置信号,就可以求得该时刻各相实际电流参考的给定值,也使用M文件来编写.只要设置合适的滞环宽度,就能使电机三相电流跟随参考电流的变化,实现电流控制作用,结构如图5所示.2.3双向逆变桥电路利用SimPowerSystemToolbox中的模块,选用6个内部自带反并联续流二极管的MOSFET开关器件,构成三相逆变桥,根据电流滞环控制器输出的斩波信号out和由转子位置信号确定的导通信号(如表1所示),控制逆变器各功率管按一定顺序工作,得到可调的三相电压输出,给BLDCM供电,结构如图6所示.2.4模糊规则库的建立本文构造了以速度误差e和误差变化率ec作为输入,系数Kp、Ki、Kd的增量作为输出的二维模糊控制器.根据电机的额定转速1000r/min,可确定误差e的实际论域范围为[-1000,1000],误差变化率de/dt的实际论域范围为[-2.5×105,2.5×105].对论域进行模糊化,把输入和输出量都量化到[-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5]这样一个区间,对应的模糊子集为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB.e、ec和Kp、Ki、Kd的隶属度函数均服从正态分布,如图7所示.根据隶属度函数可求得各模糊子集对应的隶属度.根据专家知识,建立合适的模糊规则库,可用以下49条模糊条件语句来描述:(1)ife=NBandec=NBthenKp=PB,Ki=NB,Kd=PS;(2)ife=NBandec=NMthenKp=PB,Ki=NB,Kd=NS;(3)ife=NBandec=NSthenKp=PM,Ki=NM,Kd=NB;ue796(49)ife=PBandec=PBthenKp=NB,Ki=PB,Kd=PB.根据上面的模糊规则进行运算,采用面积平分法解模糊,就可以得到系数Kp、Ki、Kd增量的输出.在Matlab命令窗口中运行Fuzzy函数,进入模糊逻辑编辑器,根据以上分析得到的输入、输出的量化区间及其隶属度函数,模糊规则库和解模糊方法,建立一个FIS系统文件,在Simulink仿真时输入对应文件名便可进行调用.将模糊控制器和PID控制器组合在一起构成的自适应复合控制器如图8所示.3pid的影响根据上面建立的系统模型进行仿真,得到的仿真结果如图9如示.其中,仿真电机的参数如下:额定转速为1000r/min,额定电流为2A,反电动势系数为0.418V/(rad·s-1),L=0.025H,M=0.004H,R=4.4Ω,转动惯量J=0.0001029kg·m2,直流稳压电源为250V.对比图9a、图9b可以看出:当参考转速为1000r/min时,普通PID控制响应时间为8ms,超调为5%;模糊PID控制下系统响应快速平稳,响应时间为4ms,调节时间缩短为普通PID控制的一半,并且没有超调,这在实际的过程控制中有着重要的意义.在0.11s时,负载从1N·m突变为1.5N·m,增加了50%,转速在模糊控制的调节下,具有自适应能力,速度基本保持不变,见图9a.在普通PID控制下,转速发生了突降,下降幅度为2%,见图9b.由此可以看出,模糊控制有很强的抗干扰能力,能进行自适应调节,鲁棒性好.由图9c可得,开始时电机以最大的电磁转矩起动,起动后立即与负载转矩相平衡,进入稳态运行,且转矩脉动很小,在0.5%以内.在负载突变时,系统能够快速进行调节,产生合适的电磁转矩与负载转矩相匹配.图9d、图9e表明,相电流和反电动势波形都很理想,与理论分析一致,相电流波形是典型的方波,反电动势波形是梯形.这充分说明建立的BLDCM模型是准确的,且行之有效.4滞环、转速模糊pid控制的双闭环双闭环