無刷直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)計方案

1.引言

$無刷直流電機(Brushless DC Motor,以下簡稱BLDCM)是隨著電力電子技術(shù)及新型永磁材料的發(fā)展而迅速成熟起來的一種新型電機。以其啟動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速性能好、效率高、過載能力強、性能穩(wěn)定、控制結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，同時還保留了普通直流電機優(yōu)良的機械特性，廣泛應(yīng)用于伺服控制、數(shù)控機床、機器人等領(lǐng)域。

隨著BLDCM應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，對控制系統(tǒng)設(shè)計提出了更高的要求。為此，建立BLDCM控制系統(tǒng)的可視化仿真模型，可以有效的減少控制系統(tǒng)的設(shè)計時間，同時充分利用Simulink仿真的優(yōu)越性，加入不同的擾動以及變化的參數(shù)，以便考察系統(tǒng)在不同控制條件下的動、靜態(tài)特性。在分析了BLDCM數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，借助MATLAB的Simulink工具，建立了$BLDCM控制系統(tǒng)的仿真模型，并利用該模型，進行了控制系統(tǒng)的仿真試驗，結(jié)果表明，通過該仿真模型驗證了數(shù)學模型的有效性及控制系統(tǒng)的合理性。

2.無數(shù)直流電機的總體設(shè)計

BLDCM由定子三相繞組、永磁轉(zhuǎn)子、逆變器、轉(zhuǎn)子磁極位置檢測器等組成，其轉(zhuǎn)子采用瓦形磁鋼，進行特殊的磁路設(shè)計，可獲得梯形波的氣隙磁場，定子繞組采用集中整距繞組，由逆變器提供給方波電流。BLDCM梯形波反電動勢和方波電流之間的關(guān)系，如圖1所示。

BLDCM的反電動勢波形是梯形波，并且定子和轉(zhuǎn)子間的互感是非正弦的，在此，采用$感應(yīng)電動機d-q變換理論的方法進行分析效果不理想，而直接利用電動機原有的相變量法，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置，采用分段線性表示感應(yīng)電動勢。

本文以兩相導通星形三相六狀態(tài)方式下，分析BLDCM的數(shù)學模型及電磁轉(zhuǎn)矩等特性。為了方便分析，作如下假設(shè)：

(1)三相繞組完全對稱，氣隙磁場分布為梯形波，平頂寬為120°電角度;

(2)忽略齒槽、換相過程和電樞反應(yīng)的影響;

(3)磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗;

(4)電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布。

則根據(jù)BLDCM的特性，可建立其電壓平衡方程、電磁轉(zhuǎn)矩方程以及轉(zhuǎn)子運動方程。

2.1 電壓平衡方程

BLDCM三相定子電壓的平衡方程可用以下方程表示：

其中，u a、u b、u c為定子相繞組電壓;ia、ib、ic為定子相繞組電流;ea、eb、ec為定子相繞組反電勢;L為每相繞組的自感;r為每相繞組的內(nèi)阻;M為每兩相繞組的互感。

由于轉(zhuǎn)子磁阻不隨轉(zhuǎn)子的位置變化，因而定子繞組的自感和互感為常數(shù)。當采用Y形聯(lián)結(jié)時，ia+ib+ic=0,因而有：

3.無刷直流電機模型設(shè)計

在Matlab R2012的Simulink環(huán)境下，利用SimPowerSystem Toolbox 5.6豐富的模塊庫，在分析BLDCM數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，建立$BLDCM控制系統(tǒng)仿真模型，系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖2所示。

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如圖2所示，BLDCM控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制：速度環(huán)采用PI控制，電流環(huán)采用電流滯環(huán)比較器。將圖2所示控制系統(tǒng)分割成各個獨立的子模塊，其中主要包括：

BLDCM本體模塊、參考電流模塊、電流滯環(huán)控制模塊、電壓逆變模塊、速度控制模塊、轉(zhuǎn)矩計算模塊。將各個模塊進行有機的整合，即可建立BLDCM控制系統(tǒng)的仿真模型，如圖3所示。

3.1 BLDCM本體模塊

在整個控制系統(tǒng)中，BLDCM本體模塊是最重要的部分，該模塊根據(jù)BLDCM電壓平衡方程式(2)求取BLDCM三相相電流，控制框圖如圖4所示，由電壓平衡方程式(2)可得，要獲得三相相電流ia、ib、ic,必需首先求得三相反電動勢ea、eb、ec.在BLDCM建模過程中，獲得理想的梯形波反電動勢波形是一個關(guān)鍵的問題。目前求取反電動勢常用的方法有：(1)有限元法;(2)傅里葉變換法;(3)分段線性法，如圖5所示，將一個運行周期分為6個階段，每60°為一個換相階段，每一相的每個運行階段都可用一段直線來表示，根據(jù)某一時刻轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信號，確定該時刻各相所處的運行狀態(tài)，通過直線方程即可求得反電動勢波形。分段線性法簡單易行，且精度較高，能夠較好的滿足仿真建模的設(shè)計要求。因此采用分段線性法建立梯形波反電動勢波形。

根據(jù)圖5可以推得轉(zhuǎn)子位置和反電動勢之間的線性關(guān)系，如表1所示，從而采用分段線性法，解決了在BLDCM本體模塊中梯形波反電動勢的求取問題。

3.2 電流滯環(huán)控制模塊

$電流滯環(huán)控制模塊的作用是實現(xiàn)滯環(huán)電流控制，輸入三相參考電流以及三相實際電流，輸出為逆變器控制信號，模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。將實際電流和參考電流之間的偏差與滯環(huán)比較器的環(huán)寬進行比較，對應(yīng)相導通或關(guān)斷。選擇適當?shù)臏h(huán)比較器環(huán)寬，即可使實際電流波形不斷跟蹤參考電流的波形，實現(xiàn)電流閉環(huán)控制。

k為系數(shù)，Pos為位置信號，w為轉(zhuǎn)速信號。
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3.3 速度控制模塊

速度控制模塊為單輸入：參考轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的差;單輸出：三相參考電流的幅值Is.其中，KP為比例參數(shù)，KI為積分參數(shù)，Saturation飽和限幅模塊將輸出的三項參考電流的幅值限定在要求范圍內(nèi)，如圖7所示。

3.4 參考電流模塊

參考電流模塊的作用是根據(jù)電流幅值信號Is和位置信號給出三相參考電流，輸出的三相參考電流直接輸入電流滯環(huán)控制模塊，用于與實際電流進行電流滯環(huán)控制。參考電流模塊采用S-Function編程實現(xiàn)。

3.5 電壓逆變模塊

電壓逆變模塊實現(xiàn)的是逆變器的功能，輸入為位置信號和電流滯環(huán)控制模塊給出逆變控制信號，輸出為三相端電壓。

該模塊可根據(jù)位置信號判斷電機所處的運行階段，給出相應(yīng)的三相端電壓信號，該模塊采用S-Function編程實現(xiàn)。

4.仿真結(jié)果

本文基于M a t l a b / S i m u l i n k建立了BLDCM控制系統(tǒng)的仿真模型，并對該模型進行了$BLDCM雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真，仿真中BLDCM參數(shù)設(shè)置為：定子相繞組電阻R=1Ω，定子相繞組自感L=0.02H,互感M=-0.0061H,轉(zhuǎn)動慣量J=0.005kg.m2,額定轉(zhuǎn)速n=2400r/min,極對數(shù)p=1,額定電壓220V.為了驗證所設(shè)計的BLDCM控制系統(tǒng)仿真模型的靜、動態(tài)性能，系統(tǒng)空載起動，進入穩(wěn)態(tài)后，在t=0.5s時突加負載TL=5Nm,在t=0.65s時撤去負載，可得到系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、三相相電流和三相反電動勢仿真曲線如圖8-11所示。

由仿真波形可以看出，在n=2400r/m i n的參考轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)響應(yīng)快速且平穩(wěn)，相電流和反電動勢波形較理想。圖9、1 0表明：起動階段系統(tǒng)保持轉(zhuǎn)矩恒定，沒有造成較大的轉(zhuǎn)矩和相電流沖擊，說明參考電流的限幅作用有效;空載穩(wěn)速運行時，忽略系統(tǒng)的摩擦轉(zhuǎn)矩，此時的電磁轉(zhuǎn)矩均值為零;在t=0.5s時突加負載，轉(zhuǎn)速發(fā)生突降，但又能迅速恢復到平衡狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)運行時無靜差。仿真結(jié)果表明了本文提出的這種$無刷直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)計方案具備有效性及控制系統(tǒng)的合理性。

5.結(jié)論

本文在分析BLDCM數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下，結(jié)合獨立的功能模塊與S-Function模塊，提出了無刷直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計方案。仿真結(jié)果表明：波形符合理論分析，系統(tǒng)具有較好的動、靜態(tài)特性，能夠平穩(wěn)運行，實用性強。