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1、毕 业 设 计 论 文题目： 模糊PID直流电机调速 系统仿真研究系 别： 电气与电子工程系专 业： 电气工程及其自动化姓 名： 李 林 冉学 号： 121406123指导教师： 邢广成 河南城建学院2010年5月20日摘 要无刷直流电机既具有直流电机结构简单，运行可靠，维护方便等一系列优点，还具备交流电机运行效率高，无励磁损耗及调速性能好等诸多优点，现已在工业控制各个领域内得到广泛应用，中小功率的调速系统正逐步被无刷直流电机调速系统所代替。论文以无刷直流电机为研究对象，采用模糊PID控制技术对直流电机的调速系统进行研究。论文首先介绍了无刷直流电机的基本组成环节、基本工作原理，建立其数学模型；
2、然后，设计了自适应模糊PID控制器，控制器采用模糊控制器对PID参数进行自整定，具有较强的适应能力；建立了具有有位置传感器的永磁无刷直流电机调速系统仿真模型，采用Matlab7OSimulink模块进行仿真。最后，论文还与采用常规PID控制器的调速系统进行比较分析。仿真结果证明，本文所设计的系统具有更好的静、动态性能，并且对系统参数和负载扰动变化都有较强的适应能力，取得了较好的控制效果。关键词：无刷直流电机；自适应模糊PID控制器，直流调速系统AbstractBrushless DC Motor has the advantages of simple structure，reliableop
3、eration and easy maintenance of DC MotorAt the same time，it has theadvantages of high efficiency, no excitation loss and easily adjusting speed of AC MotorIt has been widely used in the industry control domain。Small and medium-sized power of the speed control system is gradually being replaced by th
4、e Brushless DC Motor speed control systemThe thesis is based on this consideration，the research of the Brushless DC Motor speed control technology and methods has been doneThe basic component pans，the basic running principle and the mathematical Model of the Brushless DC Motor are expounded in the t
5、hesisthen all a11Digital double100p speed control system iS designedIn matlab70simulink window, the simulation model of the position sensor permanent magnet Brushless DC Motorspeed control system is establisheda self-adaptive fuzzy PID controller is designedLow-speed，mediumspeed and high-speed perfo
6、rmance of the motorhas been studiedAs opposed to the conventional PID controller,the system has a better static and dynamic performance，and has a strong adaptability in changes of the parameters and the load disturbance。and achieves good control effectKey words：Brushless DC Motor；Digital Signal Proc
7、essor；Pulse-WidthModulation；self-adaptive fuzzy PID controller目录摘 要IABSTRACTII11课题背景112无刷直流电机的发展历程113无刷直流电机的结构特点214无刷直流电机的发展2141电动机本体的发展2142电子换相电路的发展3143转子位置检测电路的发展415无刷直流电机的应用416课题研究的主要内容5第2章无刷直流电机的基本原理及调速策略721无刷直流电机的基本组成7211电机本体72.1.2电子开关8213转子位置传感器922无刷直流电机工作原理923无刷直流电机数学模型122.3.1 电压方程12232转矩方程13
8、234状态方程1424无刷直流电机机械特性及传递函数1425无刷直流电机调速策略1626本章小结18第3章自适应模糊P I D控制器设计1931模糊控制基本理论19311模糊化19312模糊控制规则20313模糊推理20314模糊判决2132自适应模糊P I D控制器的设计2132，1常规P l D控制器21322自适应模糊PID控制器控制思想223.2.3变量模糊化及隶属函数的确定23324模糊控制规则表27325模糊条件语句29326模糊推理及模糊判决313.3本章小结31第4章无刷直流电机调速系统仿真研究32第5章无刷直流电机调速系统设计3951调速系统总体设计3952本章小结39结论4
9、0参考文献41致谢44第1章绪论11课题背景永磁无刷直流电机控制系统是一种新型调速系统，该系统具有良好的运行、控制及经济性能，显示出巨大的发展潜力。其应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。尤其值得指出的是，我国稀土资源丰富，稀土磁钢生产已达到国际水平，如果充分利用和发挥我国在这方面的优势，大力发展稀土永磁电机，形成无刷直流电机(Brushless DC Motor，简称BLDCM)系列产品，将对提高我国机电产品在国际市场的竞争力具有战略意义。本文正是考虑到这一点，对无刷直流电机的控制技术与控制方法进行研究。12无刷直流电机的发展历程一个多世纪以来，电动机
10、作为机电能量转换装置，其应用范围己遍及国民经济的各个领域及人们的日常生活之中。电动机的主要类型有：同步电动机、异步电动机与直流电动机三种，其容量小到几瓦，大到上千万瓦。众所周知，电动机具有运动效率高和调速性能好等诸多优点，但传统的直流电动机均采用电刷，以机械方法进行换向，因而存在相对的机械磨擦，由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大限制了它的应用范围，致使目前工农业生产上，大多数均采用三相异步电动机。随着社会生产力的发展，人们生活水平的提高，需要不断地开发各种新型电动机。科学技术的进步，新技术新材料的不断涌现，更促进了电动机产品的不断推
11、陈出新。针对上述传统直流电动机的弊病，早在本世纪30年代，就有人开始研制以电子换向来代替电刷机械换向的无刷直流电动机，并取得了一定的成果。但由于当时的大功率电子器件仅处于初级发展阶段，没能找到理想的电子换向元器件。使得这种电动机只能停留在实验室阶段，无法推广使用。1955年美国DHarrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，标志着现代无刷电动机的诞生。但由于电动机尚无起动转矩而不能产品化。尔后又经过人们多年的努力，借助于霍尔元件来实现换向的无刷直流电动机终于在1962年问世，从而开创了无刷直流电动机产品化的新纪元。70年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能半
12、导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT等相继出现，以及高性能的永磁材料，如钐钴、钕铁硼等的问世，均为无刷直流电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。电子换相的无刷直流电机真正进入实用阶段，是在1978年的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。之后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具有有刷直流电动机外部特性的电子换相电机。13无刷直流电机的结构特点在结构上，
13、与有刷直流电机不同，无刷直流电机的定子绕组作为电枢，励磁绕组由永磁材料所取代。按照流入电枢绕组的电流波形的不同，直流无刷电动机可分为方波直流电动机(BLDCM)和正弦波直流电动机(PMSM)，BLDCM用电子换相取代了原直流电动机的机械换相，由永磁材料做转子，省去了电刷；而PMSM则是用永磁材料取代同步电动机转子中的励磁绕组，省去了励磁组、滑环和电刷。在相同的条件下，驱动电路要获得方波比较容易，且控制简单，因而BLDCM的应用较PMSM要广泛的多。14无刷直流电机的发展无刷直流电动机一般由电动机本体、电子换相电路和转子位置检测电路三部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位
14、置的检测一般用位置传感器来完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机。141电动机本体的发展无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机基本一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子减轻了重量、简化了结构、提高了性能，使其可靠性得以提高。无刷电动机的发展与永磁材料的发展是分不开的，磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段：铝镍钴，铁氧体磁性材料，钕铁硼(NdFeB)。钕铁硼有高磁能积，它的出现引起了磁性材料的一场革命。第三代钕铁硼永磁材料的应用，迸一步减少了电机的用铜量，促使无刷电机向高效率、小型化、节能的方向发展。目前，
15、为提高电动机的功率密度，出现了横向磁场永磁电机，其定子齿槽与电枢线圈在空间位置上相互垂直，电机中的主磁通沿电机轴向流通，这种结构提高了气隙磁密，能够提供比传统电机大得多的输出转矩n-，该类型电机正处于研究开发阶段。142电子换相电路的发展(1)控制电路：无刷直流电动机通过控制驱动电路中的功率开关器件，来控制电机的转速、转向、转矩以及保护电机，包括过流、过压、过热等保护。对于无刷直流电动机的控制器，当前主要有专用集成电路(ASIC)控制器、微处理器(MCU)和数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)等三种方式。对于专用集成电路(ASICAppication
16、SpecificIntegrated Circuit)，现在几乎所有先进工业国家的半导体厂商，都能提供自己开发的电机控制专用集成电路。对电机控制要求不高的场合，由专业集成电路组成控制电路是简单实用的方法。但使用时灵活性较差，受到的限制过多。现在市面上的无刷直流电动机控制器大多采用单片机来实现。应用较多的是8096系列产品，但单片机的处理能力有限，特别是需要处理的数据量大、实时性和精度要求高时，单片机往往不再能满足要求。因此，人们便自然地想到了DSP。由于DSP可对输入输出数据进行高速处理(其运算速度比单片机快一个数量级)，特别是DSP器件还提供了高度专业化的指令集，提高了数字滤波器的运算速度，
17、这样使得它在控制器的规则实施、矢量控制和矩-阵变换方面具有得天独厚的优势。若要无刷直流电机完成一些较复杂的控制功能，如电压电流双闭环调速、转子电流正弦波驱动，则必须要用运动控制专用微处理器。运动控制专用微处理器种类很多，尤其以TI公司的TMS320C28系列和AD公司的ADMC3xx系列DSP单片电机控制器为最佳。它们都是将电机控制所需的外围功能电路集成在一个DSP芯片内，其具有体积小、结构紧凑、易于使用、可靠性的特点，运算速度可达20150MINPS，指令周期仅为几十纳秒，与普通的MCU相比，运算及处理能力增强10-50倍，确保了系统具有更优越的控制性能。另外，采用DSP的专用集成块的另优点
18、就是，可以降低系统对传感器等外围器件的要求，通过复杂的算法可以达到同样的控制性能。样，降低了成本，提高了可靠性，有利于专利技术的保密。因此，采用DSP作为控制芯片将是今后的发展方向。(2)驱动电路：驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。驱动电路由大功率开关器件组成。正是由于晶闸管的出现，直流电动机才从有刷实现到无刷的飞跃。但由于晶闸管是只具备控制接通，而无自关断能力的半控性开关器件，其开关频率较低，不能满足无刷直流电动机性能的进一步提高。随着电力电子技术的飞速发展，70年代和80年代先后出现了全控型功率开关器件，其中有可关断晶体管(GTO)、电力场效应晶体管(MOSFET
19、)、绝缘栅双极性晶体管(IGBT)、集成门极换流晶闸管(IGCT)及近年新开发的电子注入增强栅晶体管(IEGT)H，。随着这些功率器件性能的不断提高，相应的无剧电动机的驱动电路也获得了飞速发展。目前，全控型开关器件正在逐渐取代线路复杂、体积庞大、功能指标低的普通晶闸管，驱动电路己从线性放大状态转换为脉宽调制的开关状态，相应的电路组成也由功率管分立电路转成模块化集成电路，为驱动电路实现智能化、高频化、小型化创造了条件。143转子位置检测电路的发展永磁无刷直流电动机是一闭环的机电一体化系统，它是通过转子磁极位置信号作为电子开关线路的换相信号，因此，准确检测转子位置，并根据转子位置及时对功率器件进行
20、切换，是无刷直流电动机正常运行的关键。用位置传感器来作为转子的位置检测装置是最直接有效的方法。一般将位置传感器安装于转子的轴上，实现转子位置的实时检测。最早的位置传感器是磁电式的，既笨重又复杂，已被淘汰。目前磁敏式的霍尔位置传感器广泛应用于无刷直流电动机中，另外还有光电式的位置传感器。位置传感器的存在，增加了无刷直流电动机的重量和结构尺寸，不利于电机的小型化。旋转时传感器难免有磨损，且不易维护。同时，传感器的安装精度和灵敏度直接影响电机的运行性能。另一方面，由于传输线太多，容易引入干扰信号。由于是硬件采集信号，更降低了系统的可靠性。为适应无刷电动机的进一步发展，无位置传感器应运而生，它一般利用
21、电枢绕组的感应反电动势来间接获得转子磁极位置，与直接检测法相比，省去了位置传感器，简化了电动机本体结构，取得了良好的效果，并得到了广泛的应用。但靠反电动势进行位置检测的无位置传感器无刷电动机，由于静止时不产生反电动势，因而如何顺利启动是该电机需要解决的问题。15无刷直流电机的应用由于无刷直流电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具有直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好的特点，故在当今国民经济的各个领域，如医疗器械、仪表仪器、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用日益普及。无刷直流的应用主要分为以下几类：(1)定速驱动机械一般工业场合不需要调速的领域以往大多
22、是采用三相或单相交流异步和同步电机。随着电力电子技术的进步，在功率不大于lOkW且连续运行的情况下，为了减少体积，节省材料，提高效率和降低能耗，越来越多的电机正被无刷直流电机逐步取代，如自动门、电梯、水泵、风机等。(2)调速驱动机械速度需要任意设定和调节，控制精度要求不高的调速系统可分为两种：一种是开环调速系统，另一种是闭环调速系统(此时的速度反馈器件多采用低分辨率的脉冲编码器或交、直流测速等)。通常采用的电机主要有三种：直流电机、交流异步电机和无刷直流电机。这在包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺织机械和交通车辆中有大量应用。调速应用领域最初用得最多的是直流电机，随着交流调速技术特
23、别是电力电子技术和控制技术的发展，交流变频技术获得了广泛应用，变频器和交流电动机迅速渗透到原来直流调速系统的绝大多数应用领域。近几年来，由于无刷直流电机体积小、重量小和高效节能等一系列优点，中小功率的交流变频系统正逐步被无刷直流电机系统所取代，特别是在纺织机械、印刷机械等原来应用变频系统较多的领域，而在一些直接由电池供电的直流电机应用领域，则更多的由无刷直流电机所取代。(3)精密控制伺服电动机在工业自动化领域的高精度控制中扮演了一个十分重要的角色，应用场合不同，对伺服电动机的控制性能要求也不尽相同，在实际应用中，伺服电动机有各种不同的控制形式：转矩控制、电流控制、速度控制、位置控制。无刷直流电
24、机由于其良好的控制性能，在高速、高精度定位系统中逐步取代了直流电机与步迸电机，成为其首选的伺服电机之一n叮。目前，扫描仪、摄影机、CD唱机驱动、医疗诊断CT、计算机硬盘驱动及数控车床驱动中等都广泛采用了无刷直流电机伺服系统用于精密控制。(4)其他应用家用电器、大型同步电机启动等。16课题研究的主要内容永磁无刷直流电机调速系统具有良好的运行、控制及经济性能，其应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业控制各个领域迅速发展。在此背景下，本文对无刷直流电机调速系统做了如下研究：(1)分析无刷直流电机调速系统的基本结构、工作原理和运行特性。(2)在Matlab7OSimulink环境下
25、，搭建无刷直流电机调速系统仿真模型，设计自适应模糊PID控制器，研究电机在启动、稳定运行、突加负载等情况下调速系统的静、动态性能，并与采用常规PID控制器的无刷直流电机调速系统进行了对比分析。(3)结合TI公司DSP控制器TMS320F2812特点，以三相星形无刷直流电机为控制对象，设计主电路、功率驱动电路、电压和电流检测电路、串口通讯电路及保护电路等硬件电路。(4)编写、调试系统相应的软件。(5)总结系统在调试过程中出现的一些实际问题并且寻求相应的解决办法。第2章无刷直流电机的基本原理及调速策略21无刷直流电机的基本组成无刷直流电动机是一种新型的直流电动机，它是利用装有的永磁体转子取代普通有
26、刷直流电动机定子磁极，用具有多相绕组的定子来取代电枢，用电子换向器取代机械换向器和电刷。无刷直流电机主要是由电动机本体、位置传感器和电子开关三部分组成，如图21所示n，。它具有效率高、调速范围宽、启动迅速、机械特性和调节特性好、寿命长、维护方便、可靠性高、无换向火花等诸多优点。 图2I无刷直流电动机结构原理图211电机本体电机本体在结构上与永磁同步电机类似，也是由定子和转子两大部件组成，但没有鼠笼型绕组和其它启动装置。定子是由硅钢冲片与分布在它们槽内的绕组以及机壳、端盖、轴承等部件组成，定子绕组采用整距集中式绕组，二_般制成多相(三相、四相、五相不等)，但应用最多的是三相。转子是由永磁材料制成
27、，具有一定磁极对数(2p=2，4，)的永磁体，通常由转轴、永久磁钢、磁轭等部件构成。图21所示的电动机本体为三相两极，三相定子绕组(A相、B相、C相)分别与功率开关器件(Vl、V2、V3)连接。电机转子的永久磁钢与永磁有刷电机中的永久磁钢的作用类似，均是在电动机气隙中建立足够的磁场，不同点在于：无刷直流电机的永久磁钢安装在转子上，而有刷直流电机的永久磁钢安装在定子上。无刷直流电机转子的结构可分为两种：一种是将瓦片状的永磁体贴在转子表面上，称为凸极式；另种是将永磁体嵌入到转子的铁心中，称为嵌入式。为了能产生梯形波反电动势，无刷直流电动机的转子磁钢的形状成弧形瓦片形，气隙磁场成梯形分布。当定子绕组
28、某一相通电时，该电流与转子永磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转。同时，位置传感器将转子磁钢位置信号变换为电信号，来控制电子开关导通与关断，从而使定子各相绕组按照一定的顺序导通，定子相电流也随转子位置变化按照一定的规律换相。由于电子开关的导通顺序与转子转角同步，因而起到了机械换向器的换向作用。无刷直流电机就结构而言，相当于由永磁同步电机、转子位置传感器和电子开关组成的电动机系统，无刷直流电机原理框图如图22所示。 图22无刷直流电机原理框图2.1.2电子开关无刷直流电机电子开关是用来控制电机定子各相绕组通电顺序和时间的，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器位置信号处理单元两个部
29、分组成。功率逻辑开关单元将电源的功率按照一定的逻辑关系分配到无刷直流电机定子各相绕组，从而使电机产生持续的转矩，带动电机旋转。功率逻辑开关单元是无刷直流电机控制电路的核心部分。位置传感器输出的位置信号则决定了各相绕组导通顺序和导通时间的长短，不过位置传感器所产生的位置信号一般不能直接用于控制功率逻辑开关单元，而是需要经过一定的逻辑处理后才可以去控制逻辑开关单元。电子开关相当于逆变器的作用，根据霍尔位置传感器输出的位置信号来判断要触发功率开关管，正确换相，只是电子开关的输出频率是不可调节的，它的频率受控于转子位置信号。电子开关通常采用全控式功率开关管，并且采用桥式电路联接方式。电子开关与电枢绕组
30、有多种联接形式，但应用最广泛的是三相星形联结。驱动电路的作用是将控制电路输出信号进行功率放大，同时向各开关管输出能使其饱和导通及可靠关断的驱动信号。213转子位置传感器位置传感器在无刷直流电机中起着测定转子磁极位置的作用，为电子开关提供信息，确保定子绕组正确换相。位置传感器的原理是将转子磁钢磁极的位置信号转换为电信号，然后去控制定子绕组换相，位置传感器安装在电机转子的转轴上。位置传感器种类较多，常用于无刷直流电机控制系统的位置传感器有电磁式位置传感器、光电式位置传感器和磁敏式位置传感器。本系统中，无刷直流电机自身带有霍尔位置传感器，它与电机同轴安装，并且多只按照空间均匀分布。霍尔位置传感器是磁
31、敏式位置传感器中的一种，它是用于测量铁类物体的位置或对转速进行测量，分类有模拟型霍尔传感器、内置磁铁霍尔传感器。霍尔位置传感器广泛应用于无刷直流电机、齿轮位置、齿轮转速、阀门位置、磁盘速度、流速感应、速度感应等领域。22无刷直流电机工作原理无刷直流电机将电枢安装在定子上，而把转子做成永磁体，这样的结构恰好与有刷直流电机相反。同时，为了使电机的转子旋转，必须使定子电枢各相绕组按照一定的规律不断地换相通电，这样才能使定子磁场随着转子的位置不断变化，使定子磁场与转子磁场始终保持90。空间角度，产生转矩来推动转子旋转。无刷直流电动机永磁转子磁场分布、气隙磁场感应反电动势和定子绕组相电流如图2.3所示。
32、图23转子磁场分布、感应反电动势和相电流转子以恒定转速旋转，转子主磁场切割定子绕组，每相定子绕组感应电势波形与主磁场基本一致，如图23所示。为了方便起见，将其视为梯形波，平顶宽度为120。电角度。为了输出恒定的电磁功率和转矩，在三相定子绕组中加入方波电流，导通时间为120。电角度。某一相定子绕组感应反动电势和电流波形图23已经给出。图24三相星形连接全桥驱动电路为了清晰地阐述无刷直流电动机的工作原理和特点，下面以三相星形绕组全桥驱动为例，来加以说明。图24为三相无刷直流电动机星形连接全桥驱动方式电路图，六只功率开关管VTl-VT6构成功率逆变器，六只功率逆变器为导电方式。导电方式就是在每一个瞬
33、间有两支功率管导通，每隔16周期(电角度)换相一次，每次换相一个功率管，每个功率管导通120。电角度。各功率管的导通顺序为： VTlVT6VTlVT2VT2VT3VT3VT4VT4VT5VT5VT6VTlVT，当功率管VTlVT6导通时，电流从VTl管流入A相绕组，再从B相绕组流出，经VT6管流回电源负极。无刷直流电动机运行原理简述如下：当转子处于图25(a)所示位置时，功率开关VTl、VT6导通，电流从A相绕组流入，从B相绕组流出。此时A、B两相绕组电流产生的合成电枢磁场与转子磁场辟之间的夹角为，两者相互作用产生电磁转矩，该转矩使转子沿逆时针方向旋转。随着转子转动，转子磁场屏与定子磁动势间的
34、夹角逐渐减小。当转子磁极旋转到定子磁场与转子磁场之间的夹角为时，定子绕组开始换流。此时，VTl、VT2导通，定子磁场比跳跃前进，变成图25(b)所示位置，而定子磁场与转子磁场之间的夹角又变成，转子继续沿逆时针旋转，依此类推。由图25可知，在一个周期内，定子三相绕组在空间上共产生六个定子合成磁势，分别是 。转子每转过电角度，功率开关管切换一次，定子绕组就换流一次，相应的定子合成磁势也跳变一次。每个定子合成磁势在作用时间上持续16周期(电角度)。在这六个连续跳变的定子合成磁势作用下，转子磁势随转子旋转，由于定子合成磁势呈步进运动，所以产生的电磁转矩将呈现波动。尽管定子合成磁势是跳变的，但它的平均转
35、速却与转子转速保持同步。在平均意义上，定子合成磁势F与转子磁势相对静止，转子转速为同步转速。定子合成磁势F的跳变的原因是功率开关器件的切换，而开关器件的切换是根据转子位置检测信号来控制的。我们知道，只有当转子的磁势屏的轴线与定子合成磁势，的轴线相互垂直时，电动机才能产生最大的电磁转矩。转子连续旋转，因此它的磁势轴线是连续变化的，但定子合成磁势却是每隔电角度跳变一次，两者不可能一直保持垂直。不过我们可以使定子合成磁势尸与转子磁势最之间的夹角在范围内变化。这样，无论是在功率开关器件导通过程中还是换流瞬间，F与之间的夹角在平均意义上接近，亦即在平均意义上互相垂直，这样也就获得了最大的电磁转矩图2。5
36、三相全控桥的六种通电情况示意图根据图25所示的-；fB全控桥的六种通电情况，总结出三相星形连接全桥驱动的通电规律如表21所示。表21 三相星形连接全桥驱动通电规律23无刷直流电机数学模型电机常用的建立数学模型方法有dqO坐标变换法、频域傅立叶分解法和时域状态方程法。无刷直流电机转子磁场、反电动势为梯形波，其中包含有较多的高次谐波，都考虑将会非常繁琐，但只考虑基波又会带来较大误差，因而不适合采用dqO坐标变换法和傅立叶分解法来建立模型。不过，直接建立电机时域状态方程和电机数学模型则非常方便，并且可以获彳导比较准确的结果。以三相永磁无刷直流电机为例，为了简化分析，在允许范围内作如下假定：(1)定子
37、绕组星形连接，并且完全对称；(2)不考虑电枢反应，气隙磁场近似为梯形波，平顶宽度为120电角度(3)忽略齿槽效应，电枢导体连续均匀分布在电枢表面上；(4)忽略磁路饱和，不计涡流和磁滞损耗；(5)电机参数恒定；(6)电机稳态运行，转速稳定。2.3.1 电压方程根据电机原理，利用基尔霍夫定律，写出定子三相绕组电压方程式； （2-1）式中：-定子相绕组电压，V-定子相绕组反电动势，V -定子相绕组电流，A -电机相电阻， -每相绕组自感，H -每两相绕组间互感，H由于转子磁阻、定子绕组自感和互感都是常数，而电动机绕组为星形连接，且没有中线，于是有三相对称电机中： (2-2)电压方程可化简为： （2-
38、3）232转矩方程无刷电流电机定子三相绕组输入功率与所产生的电磁转矩之间的关系为： （2-4）式中：- 电机角速度，所以无刷直流电机转矩方程为： （2-5）233运动方程无刷直流电机动力学方程为： (2-6)式中：- 电磁转矩， -负载转矩， -阻尼系数， -电动机械角速度， -电动机的转动惯量，234状态方程 （2-7）24无刷直流电机机械特性及传递函数理想的无刷直流电机的敢于电动势和电磁转矩的公式如下： （2-8） （2-9）式中: -通电导体数 -永磁体产生的气隙磁通密度，T -转子半径，m -转子铁芯长度，m -转子的机械角速度， -定子电流，A由（2-8）和（2-9）两个公式可以得到
39、如下结论：感应电动势与转子转速成正比，电磁转矩与定子电流成正比。假定无刷直流电机稳定运行，首先定义反电动势系数和转矩系数： (2-10) (2-11)对于特定的电动机，它们均为常数。系数的大小同主回路的接法(如三相半控、三相全控)以及功率晶体管的换相方式(如两两换相、三三换相)都有关系。前面已经假定各相绕组对称、相应的时间常数忽略不计。这样，得到无刷直流电动机的电压平衡方程为： (2-12)将(2-10)和(21 1)带入(2-12)整理后，得到无刷直流电动机机械特性方程为： (2-13)式中：n -电动机转速，rminU -电源电压，VU - 功率管管压降，V- 电动势系数 -电磁转矩平均值
40、，Nm- 转矩系数 -电动机内阻，由公式(213)可知，无刷直流电机的机械特性方程同一般他励方式有刷直流电机的机械方程在形式上完全一致，只不过是其中的转矩和反电动势采用平均值的概念，这是由于无刷直流电机的反电动势和转矩波动较大。在以上假定条件不变的情况下，无刷直流电机的动态特性可描述为：(2-14)式中：一一负载转矩，Nm-转子飞轮力矩，NIll， (为转动惯量)经拉氏变换后，得到：(2-15)根据方程组(2-15)求出无刷直流电动机动态结构图，如图26所示。图26无刷直流电动机动态结构图无刷直流电动机传递函数为：(2-16)式中：-电动势传递系数，-转矩传递系数，- 电磁时间常数， 25无刷
41、直流电机调速策略通过分析无刷直流电机的数学模型，可以看出：无刷直流电机机械特性方程同一般有刷直流电机机械特性方程在形式上完全一致。因此无刷直流电机的调速方法和有刷直流电机调速方法也类似。一般有刷直流电机调速方法包括：弱磁调速；电枢串电阻调速；改变电枢端电压调速n“。由于无刷直流电动机通过永磁铁励磁，所以只能通过改变电枢回路电阻或调节电枢端电压的方法来进行调速。改变电枢回路电阻调速方法的优点是设备简单，调节方便，但这种方法在调速过程中转速会出现较大波动，而且只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性软，并且要在调速电阻上消耗能量，效率也低，所以这种方法只能用在调速性能要求不高的场合。改变电枢端电压
42、调速方法主要是从额定电压向下降低电枢端电压，从电机额定转速向下调速，这种方法属于恒转矩调速。它的主要优点是：降压调速机械特性曲线是与固有机械特性曲线平行的一簇直线，无论满载、轻载或者空载，都有明显的调速效果。降压调速机械特性曲线硬度不变，与固有机械特性曲线硬度相同。电机在低速运行时，负载扰动所引起的转速波动不是很大，稳定性也比较好，调速范围也比较广，可以通过平滑地改变电枢两端电压来实现无级调速，并且这种方法在调速过程中能量损耗比较小，调速效率高。因此它被广泛应用在对启、制动和调速性能要求较高的场合。这种方法的缺点是所需的可调压电源设备投资较高。调节电枢端电压需要有专门的可控直流电源，本文选用的
43、是脉宽调制(Pulse-Width Modulation，简称PWM)变换器。通过脉宽调拳4变换器进行调制的方法又称为PWM调制方法。它的原理是用恒定直流电源或不可控整流电源供电，对开关器件进行通断控制，从而将直流电压断续地加到负载上，通过改变开关器件导通和关断的时间来改变负载上直流电压的平均值，将固定电压的直流电源变成电压平均值可调的直流电源“”。构成脉宽调制变换器的开关器件过去用的较多的是普通晶闸管，它本身没有自关断能力，因此限制了脉宽调制变换器的性能。目前脉宽调制变换器大都采用全控型器件，比如功率晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、功率场效应管(PMOSFET)、绝缘栅双极晶体管(
44、IGBT)等。采用全控型器件的PwM调速系统，其脉宽调制电路的开关频率可高达20KHz以上，因此系统的频带宽、响应速度快、动态抗扰能力强，本文就采用了这种调速方法。图27三相无刷直流电动机调速系统控制框图图2.7直流电动机调速系统控制框图。从图中可以看出，该系统是一个典型转速、电流双闭环调速系统。在速度环中，通过霍尔位置传感器可以检测出转子位置，DSP根据转子位置信号间接计算出转子转速，反馈到转速给定端，给定转速与实际转速形成偏差。这个偏差经过转速调节器后产生参考电流。同时，霍尔位置传感器输出的位置信号还直接用于无刷直流电机的换相控制。在电流环中，实际电流是通过检测采样电阻R上的压降间接测量得出的。参考电流与实际电流形成的偏差经过电流调节器后形成PWM占空比控制量，控制功率开关器件的导通与关断，实现对无刷直流电机的速度控制。26本章小结本章详细分
