無刷直流電機(jī)雙閉環(huán)控制.doc

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江蘇科技大學(xué) 15 屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 無刷直流電機(jī)的雙閉環(huán)控制設(shè)計 系 部： 自動化 專業(yè)名稱： 電氣工程及其自動化 班 級： 11403041 學(xué) 號： 1140602116 作 者: 龔昊 指導(dǎo)教師: 王偉然 年 月 日 無刷直流電機(jī)的雙閉環(huán)控制設(shè)計 The design of double closed loop control of the brushless DC motor 江蘇科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 學(xué)院名稱： 電子信息學(xué)院 專 業(yè)：電氣工程及其自動化 學(xué)生姓名： 龔昊 學(xué) 號： 1140602116 指導(dǎo)教師： 王偉然 職 稱： 講師 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 無刷直流電機(jī)的雙閉環(huán)控制設(shè)計 一、畢業(yè)設(shè)計（論文）內(nèi)容及要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、達(dá)到的指標(biāo)和應(yīng)做的實驗等） 設(shè)計內(nèi)容與要求: 1.收集相關(guān)文獻(xiàn)資料，闡述無刷直流電機(jī)在現(xiàn)代工業(yè)中的地位與應(yīng)用 2.對無刷直流電機(jī)的相關(guān)控制方法進(jìn)行收集整理，并進(jìn)行比較分析 3.選用雙閉環(huán)控制方法對無刷直流電機(jī)進(jìn)行相關(guān)控制 4.使用Matlab/Simulink編寫相關(guān)程序，并且調(diào)試程序，得到仿真結(jié)果 二、完成后應(yīng)交的作業(yè)（包括各種說明書、圖紙等） 1.相關(guān)英文翻譯 2.畢業(yè)論文 3.相關(guān)程序附件 4.光盤 三、完成日期及進(jìn)度 （1）3月2日～3月27日：消化任務(wù)書，查找資料，提交開題報告； （2）3月28日～4月24日：實際設(shè)計階段，中期檢查； （3）5月18日～5月29日：論文初稿審核 （1、初稿上傳知網(wǎng)進(jìn)行檢測、2、初稿上傳畢業(yè)設(shè)計系統(tǒng))； （4）5月30日～6月5日：論文定稿審核 （指導(dǎo)教師、評閱教師評分）； （5）6月8日～6月14日：答辯及成績評定； （6）6月15日～6月16日：成績?nèi)霂欤ù疝q秘書）； （7）6月8日～6月16日：申報優(yōu)秀； （8）7月6日～7月12日：畢業(yè)設(shè)計全套電子資料歸檔（答辯記錄掃描后上傳）； （9）7月13日～7月17日：學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）工作總結(jié)。 四、主要參考資料（包括書刊名稱、出版年月等）: [1]王宏偉.梁暉.無位置傳感器無刷直流電機(jī)的DSP控制[J]．電力電子技術(shù) [2]李新華.莊百興.楊垂恭. 基于IPM 的高壓無刷直流電動機(jī)控制器[C]．第十二屆中國小電機(jī)技術(shù)研討會論文集 [3]張琛.直流無刷電動機(jī)原理及應(yīng)用[M]．北京: 機(jī)械工業(yè)出版 社 [4]張紅蓮.基于DSP的電力拖動控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].科技信 信 [5]葉金虎. 現(xiàn)代無刷直流永磁電動機(jī)的原理和設(shè)計[M]. 北京: 科學(xué)出版社 [6]李傳琦.電力電子技術(shù)計算機(jī)仿真實驗[M].北京:電子工業(yè) 出版社 [7]鄧兵,.潘俊民 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)計算機(jī)仿真[J]. 計算機(jī)仿真 [8]包向華.章躍進(jìn) 基于SIMULINK 的永磁無刷直流電動機(jī)及 控制系統(tǒng)的建模與仿真[J].電氣傳動自動化 系(教研室)主任： （簽章） 年 月 日 學(xué)院主管領(lǐng)導(dǎo)： （簽章） 年 月 日 摘 要 由于電子技術(shù)，計算機(jī)技術(shù)，傳感器技術(shù)，電力電子技術(shù)，現(xiàn)代控制理論和新型永磁材料的發(fā)展，永磁無刷直流電動機(jī)及其控制技術(shù)已有突破性進(jìn)展。近20年來，永磁無刷直流電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)速性能好，控制方法靈活多變，效率較高，起動轉(zhuǎn)矩大，運行壽命長等優(yōu)點，日趨廣泛應(yīng)用于航空航天，計算機(jī)，軍事，汽車，工業(yè)和家用電器等領(lǐng)域。 本文針對無刷直流電動機(jī)選取雙閉環(huán)控制技術(shù)進(jìn)行調(diào)速。首先，介紹了無刷直流電機(jī)的特點及其結(jié)構(gòu)和原理；其次，建立了無刷直流電機(jī)的模型，進(jìn)行數(shù)學(xué)分析；再次，采用雙閉環(huán)PI調(diào)速，主要針對其PI控制器進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計與改進(jìn)，消除無刷直流電機(jī)穩(wěn)態(tài)時的靜差；最后，基于MATLAB/SIMULINK平臺，建立控制系統(tǒng)的仿真模型，對無刷直流電動機(jī)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。 仿真結(jié)果顯示該模型轉(zhuǎn)矩響應(yīng)較快，電流脈動較小，電機(jī)工作穩(wěn)定可靠，具有良好的靜動態(tài)特性。無刷直流電機(jī)的雙閉環(huán)控制采用電流滯環(huán)，結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快速，具有一定理論與應(yīng)用意義。 關(guān)鍵詞：無刷直流電動機(jī)；雙閉環(huán)控制；數(shù)學(xué)模型；MATLAB； Abstract Since the development of electronic technology, computer technology, sensor technology, power electronics technology, modern control theory and new permanent magnetic material.Permanent magnet brushless dc motor and its control technology has made a breakthrough.During the past 20 years,since its simple structure,good performance of speed adjustment,variable control methods,high efficiency ,large starting torque and long service life and so on.The brushless dc motor is now increasingly used in fields like aerospace,computer,military,cars,industry and household appliance. This passage is based on the speed control of the brushless dc motor.Double closed-loop control technology is used for researching and analysising among numerous control methods.At first,it has introduced the research background of the brushless dc motor.Next,based on the working principle of the brushless dc motor,the model of the brushless dc motor has been established to do mathematical analysis. After that,we take double closed loop speed regulation,and mainly design and improve PI regulator to make the brushless dc motor astatic in steady state.At last in order to make simulation of control system for brushless dc motor speed closed-loop control system,we establish the simulation model of control system which based on MATLAB/SIMULINK platform. The result of simulation shows that the response of torque is quick and the pulsation of current is small.The motor can work reliable and has good static characteristic.We use current hysteresis band in the control system since its simple structure and quick response,it is based on reliable theory and is meaningful in application. Keywords: brushless direct current motor; double closed-loop control; mathematical models;MATLAB; 目錄 第一章 緒論 1 1.1無刷直流電動機(jī) 1 1.1.1無刷直流電機(jī)的簡介 1 1.1.2 無刷直流電機(jī)的特點 1 1.1.3 無刷直流電機(jī)在工業(yè)中的地位及應(yīng)用 2 1.1.3.1定速驅(qū)動機(jī)械 2 1.1.3.2調(diào)速驅(qū)動機(jī)械 3 1.1.3.3精密控制 3 1.2無刷直流電機(jī)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 4 1.3無刷直流電機(jī)的發(fā)展趨勢 4 1.3.1無刷直流電機(jī)的發(fā)展前景 4 1.3.2控制策略的發(fā)展 6 1.4 本課題的研究意義 7 1.5 章節(jié)安排 7 1.6本章小結(jié) 8 第二章 無刷直流電機(jī)的工作原理及其數(shù)學(xué)模型 8 2.1無刷直流電動機(jī)的工作原理 8 2.1.1無刷直流基本組成 8 2.1.2無刷直流電機(jī)運行原理 12 2.2無刷直流電機(jī)的建模 13 2.2.1無刷直流電機(jī)的電壓方程 14 2.2.3傳遞函數(shù) 15 2.2.4反電勢方程 16 2.3本章小結(jié) 17 第三章 無刷直流電機(jī)雙閉環(huán)控制的原理和設(shè)計 17 3.1無刷直流電機(jī)雙閉環(huán)控制的原理 17 3.1.1無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的組成 17 3.1.2無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速、電流控制過程 19 3.2逆變器及電流轉(zhuǎn)速反饋通道的數(shù)學(xué)模型 19 3.3轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的設(shè)計 20 3.3.1設(shè)計要求 20 3.3.2電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 21 3.3.3電流調(diào)節(jié)器設(shè)計 23 3.3.4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 25 3.4本章小結(jié) 28 第四章 基于MATLAB/SIMULINK無刷直流電機(jī)雙閉環(huán)控制的設(shè)計 28 4.1MATLAB/SIMULINK的簡介 28 4.1.1MATLAB的介紹 28 4.1.2SIMULINK的功能與特點 29 4.2參數(shù)的給定 30 4.3SIMULINK模塊的搭建 30 4.3.1無刷直流電機(jī)雙閉環(huán)控制整體控制框圖 31 4.3.2電機(jī)本體模塊 31 4.3.2.1轉(zhuǎn)速計算模塊 31 4.3.2.2轉(zhuǎn)矩計算模塊 32 4.3.2.3電壓方程模塊和反電勢模塊 33 4.3.3電流滯環(huán)控制模塊 34 4.3.4轉(zhuǎn)速控制模塊 35 4.3.5電流參考模塊 35 4.3.6逆變器模塊 36 4.4仿真結(jié)果 37 4.5結(jié)論 39 4.6本章小結(jié) 40 第五章 結(jié)論與展望 41 5.1結(jié)論 41 5.2展望 41 致謝 42 第一章 緒論 1.1無刷直流電動機(jī) 1.1.1無刷直流電機(jī)的簡介 無刷直流電機(jī)發(fā)展歷史不長，只有幾十年。1962年“固態(tài)換相直流電機(jī)”專利被提出，標(biāo)志了現(xiàn)代無刷電動機(jī)的真正誕生[1]。20世紀(jì)60年代初以后，無刷直流電動機(jī)被運用到實際中去。因為其可靠性較高，一開始使用在航空航天中。1964年，[2]美國宇航局用它來控制衛(wèi)星在太空中的運行。1978年，一家聯(lián)邦德國公司研制出無刷直流電動機(jī)和它的驅(qū)動。并且將它們在漢諾威展覽[3]，這正式表明了由電子換相的無刷直流電機(jī)走入了實際運用的時代。之后國內(nèi)外的各種研究，以及永磁材料、控制技術(shù)和電力電子的發(fā)展給無刷直流電機(jī)帶來新的發(fā)展，它越來越多地運用在國防、工業(yè)生產(chǎn)、生活中的電氣和電子電器當(dāng)中去，成為很有潛力的電機(jī)產(chǎn)品。 1.1.2 無刷直流電機(jī)的特點 [4]無刷直流電機(jī)可替代直流電機(jī)調(diào)速，不僅放棄使用碳刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)；而且可在低速大功率條件下運行，省去使用減速機(jī)直接驅(qū)動大負(fù)載。此外還具有重量輕、體積小、出力大，其轉(zhuǎn)矩特性優(yōu)良，有較大的起動轉(zhuǎn)矩。啟動電流小并且能實現(xiàn)無級調(diào)速，帶動大負(fù)載和寬范圍內(nèi)調(diào)速。其起動和制動特性曲線都比較軟，而且節(jié)能效率高，節(jié)電率總體可達(dá)20%到60%。有較高的可靠性，穩(wěn)定性和適應(yīng)性，并且保養(yǎng)維修簡單。在使用過程中噪音低，震動小。抵抗顛簸震動能力強(qiáng)，運轉(zhuǎn)平滑，壽命長[5]。因為其工作時無火花，所以適合爆炸性場所。 1.1.3 無刷直流電機(jī)在工業(yè)中的地位及應(yīng)用 近年來，稀土永磁材料和電力電子器件性價比越來越高。作為伺服電機(jī)和中小功率高性能調(diào)速電動機(jī)的無刷直流電機(jī)越來越廣泛地應(yīng)用在工業(yè)中，下面就工業(yè)中的一些典型應(yīng)用進(jìn)行介紹分析。 1.1.3.1定速驅(qū)動機(jī)械 三相或單相同步電機(jī)和交流異步大多應(yīng)用在一般不需要調(diào)速的工業(yè)場合。 （1）單一方向連續(xù)運行的負(fù)載大部分使用電容運轉(zhuǎn)型單相或三相交流異步電動機(jī)，交流異步感應(yīng)電機(jī)。而部分不需要調(diào)速的電機(jī)或者可以接受轉(zhuǎn)速隨著負(fù)載稍微變化的電機(jī)，比如水泵等就需要使用2極或4極異步電動機(jī)； （2）對工作時轉(zhuǎn)速高但很輕的負(fù)載諸如攪拌機(jī)、吸塵器和地毯清掃洗滌機(jī)等，大多數(shù)負(fù)載是由直流電動機(jī)或單相串勵電動機(jī)直接帶動的；但如果是高速驅(qū)動且要求噪聲小，可以選擇使用由直流電源供電的無刷直流電動機(jī)或由逆變器供電的中頻異步電動機(jī)。 （3）對于轉(zhuǎn)速比較低，特別是時常頻繁地正反轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)的工作機(jī)械，可以采用低速直接驅(qū)動來提高生產(chǎn)效率、縮短過渡過程時間、降低噪聲。一般采用低速齒輪減速異步電動機(jī)或電磁減速同步電動機(jī)。 [6]以上的定速控制應(yīng)用中，要求連續(xù)運行而且功率不大于10kw的場合下，更多的電動機(jī)正在被無刷直流電動機(jī)所漸漸取代，目的是為了節(jié)省材料，減少體積，降低能耗和提高效率之類的因素。但是當(dāng)在功率大的時候，由于成本較高，無刷直流電機(jī)還使用較少。 1.1.3.2調(diào)速驅(qū)動機(jī)械 調(diào)速系統(tǒng)分為兩類，一類是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，另一類是閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（一般情況下在閉環(huán)時是用交直流等速度反饋器件）。在食品包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、紡織機(jī)械、交通車輛和物料輸送機(jī)械中經(jīng)常使用交流異步電動機(jī)、直流電動機(jī)和無刷直流電動機(jī)，這也是常常使用的三種主要電動機(jī)。 交流電動機(jī)和變頻器越來越多地使用在原來直流調(diào)速系統(tǒng)的多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。但是由于無刷直流電機(jī)小而且輕、高效率且能耗小等諸多優(yōu)點，無刷直流電機(jī)系統(tǒng)正在逐漸地取代中小功率的交流變頻系統(tǒng)，尤其是在原來應(yīng)用變頻系統(tǒng)較多的領(lǐng)域諸如印刷機(jī)械、紡織機(jī)械等，有些原來使用直流電機(jī)的地方也逐漸被無刷直流電機(jī)所取代。 1.1.3.3精密控制 伺服電機(jī)在工業(yè)自動化領(lǐng)域的運動控制中起到了非常重要的作用，對于不同的應(yīng)用場合，伺服電動機(jī)的控制性能要求也是不一樣的，所以在實際使用時，伺服電機(jī)有多種不同的控制形式：速度控制和位置控制、轉(zhuǎn)矩控制/電流控制。交、直流伺服系統(tǒng)多應(yīng)用在高速度、高精度的控制系統(tǒng)中[7]?，F(xiàn)在交流伺服系統(tǒng)使用比較多，而其實由方波驅(qū)動的交流伺服系統(tǒng)就是無刷直流電機(jī)，在國外叫BLDC。 圖1無刷直流電機(jī) 穩(wěn)速控制-鎖相控制：如掃描儀、攝影機(jī)之類要求恒速或嚴(yán)格同步轉(zhuǎn)速的裝置，帶穩(wěn)速裝置的無刷直流電機(jī)已經(jīng)被越來越多的應(yīng)用在這類儀器上。 1.2無刷直流電機(jī)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著永磁材料、大功率開關(guān)器件、高性能微處理器的快速發(fā)展，世界上對永磁無刷直流電動機(jī)也在不斷研究，主要集中在：控制策略、轉(zhuǎn)矩脈動、性能仿真、無位置傳感器控制等方面。 目前我國研發(fā)并生產(chǎn)的永磁無刷直流電機(jī)主要運用在軍工設(shè)備方面，但是在電冰箱、空調(diào)以及微型風(fēng)機(jī)等微型與特種永磁無刷直流電動機(jī)的研制方面幾乎還屬于空白。國外在無刷直流電機(jī)的研究比國內(nèi)早很多，70年代以來，飛速發(fā)展的電力電子工業(yè)帶來了新的電力電子元件，此外高性能永磁材料的問世使得無刷直流電動機(jī)目前在技術(shù)上已經(jīng)比較成熟，在實際的應(yīng)用中也有很好表現(xiàn)了其優(yōu)良性能，應(yīng)用得也廣泛。 1.3無刷直流電機(jī)的發(fā)展趨勢 1.3.1無刷直流電機(jī)的發(fā)展前景 （1）電機(jī)向高電壓、低電流發(fā)展 [8]由于電力電子技術(shù)發(fā)展，電力場效應(yīng)管能夠達(dá)到高電壓和低電流。一般來說大電流所帶來的是管子壓降大，在晶體管的損耗也就多了。而電機(jī)朝著高電壓，低電流發(fā)展就可以避免這一現(xiàn)象，有效地提高了電機(jī)效率。 （2）由正弦波電流驅(qū)動 因為DSP器件[9]、專用的控制芯片和高速微處理器還有的出現(xiàn)，能夠讓處理能力、運行速度得到很大得提升。伴著這些器件使用的地方和深度越來越廣，也越來越深，器件的價格也不斷地下降。正弦波驅(qū)動比一般方波驅(qū)動在性能上要更加優(yōu)異，而一定精度的位置傳感器在使用正弦波驅(qū)動的電動機(jī)的時候是必要的，因此可能成本會增加一些，所以這種替換不一定在所有場合下都是能夠行得通的，需要根據(jù)具體情況要求來選擇。 （3）PWM技術(shù) 無刷直流電動機(jī)的性能因為DSP和高速微處理器的誕生而得到了保證。有時候，增加位置傳感器帶來的成本和復(fù)雜度的增加是不可以接受的，特別是在一些需要控制成本的場合。但是在無刷直流電動機(jī)上可以利用DSP固有的計算能力來上實現(xiàn)很多不需要傳感器的控制。在無刷直流電動機(jī)中，可以使用四個電阻來采集轉(zhuǎn)速，位置和轉(zhuǎn)矩的信息的算法來實現(xiàn)無位置算法。除此之外，不像傳統(tǒng)的算法所需要的采取過零算法，該算法還提供了速率信息和瞬態(tài)位置的信息。 （4）新材料對電機(jī)技術(shù)的促進(jìn) 電機(jī)的小型化、重量越來越輕，效率越來越高和磁性材料的不斷發(fā)展有密切的聯(lián)系。磁性材料的發(fā)展過程很漫長，大體上可以分為如下幾個階段：一開始使用的是鋁鎳鈷，后來又開發(fā)出了[10]鐵氧體磁性材料并且一度成為主導(dǎo)。在鐵氧體磁性材料之后，人們又研究出釤鈷合金，這種材料有很好的磁能積數(shù)值，但是價格高昂，而且是戰(zhàn)略所需要控制的物資，所以很難再日常生活生產(chǎn)中推廣這種高性能的永磁合金材料。 一場關(guān)于磁性材料的大革命在1983年爆發(fā)了，這一年日本人發(fā)明了新材料釹鐵硼（NdFeB）。釹鐵硼磁性材料不僅沒有價格高昂的合金元素，而且磁能積高。在價格方面，釹鐵硼磁性材料也非常好有優(yōu)勢，此外由于這種材料磁能積高，省去了其空間，制造電機(jī)也會簡單很多。電機(jī)的電樞繞組上的線圈也大大減少，從而節(jié)約了材料，降低了價格。 1.3.2控制策略的發(fā)展 （1）雙閉環(huán)控制 雙閉環(huán)控制采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)，其中外環(huán)是轉(zhuǎn)速環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)。外環(huán)使用PI調(diào)節(jié)器來控制，從而保障了轉(zhuǎn)速控制的精度；內(nèi)環(huán)選用電流滯環(huán)來進(jìn)行控制，可以使電樞電流快速地跟隨參考電流的變化。合理選用滯環(huán)寬度可以減小轉(zhuǎn)矩脈動。 （2）直接轉(zhuǎn)矩控制 [11]直接轉(zhuǎn)矩控制理論在1985年，由德國學(xué)者Depenbrock所提出，該理論是把逆變器與電機(jī)看成了一個整體進(jìn)行考慮，通過使用電壓空間矢量的方法，在定子建立坐標(biāo)系并進(jìn)行轉(zhuǎn)矩、磁通的計算，這樣不需要進(jìn)行定子電流解耦所需的復(fù)雜坐標(biāo)變換，通過改變磁鏈跟蹤PWM逆變器的開關(guān)狀態(tài)就可以直接控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈，從而使對系統(tǒng)的控制更為直接和簡單，并且靜、動態(tài)性能優(yōu)越，因此現(xiàn)在正在引起人們的廣泛關(guān)注。 （3）無位置傳感器控制 電機(jī)上可以通過安裝[12]光電碼盤、旋轉(zhuǎn)變壓器、霍爾元件等裝置來直接檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。除此之外，人們還發(fā)明了能夠通過檢測電機(jī)的電流、電壓和磁鏈等物理量，然后通過對應(yīng)的關(guān)系式間接地計算處理來得到電動機(jī)的轉(zhuǎn)子位置。因為沒有運用直接檢測轉(zhuǎn)子位置的裝置來檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，所以這種采用檢測電壓、電流和磁鏈等物理量通過間接計算處理得到轉(zhuǎn)子位置的直流電動機(jī)也被稱作為無位置傳感器直流電動機(jī)。通常無位置傳感器檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的方法有：反電動勢過零點的檢測方法、反電動勢3次諧波檢測方法、續(xù)流二極管導(dǎo)通檢測方法、固定電壓的檢測方法等。 （4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法控制 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是是一個高度復(fù)雜的非線性動力學(xué)系統(tǒng)，他的組成是許多神經(jīng)元處理單元相互連接而形成的網(wǎng)絡(luò)。它不僅能夠?qū)θ四X功能進(jìn)行模擬和抽象，而且還能表現(xiàn)出人腦的基本特性，所以非常適合處理有時要同時把許多條件和因素、模糊的、不精確的考慮在內(nèi)的信息處理技術(shù)。因為被控對象大多是不確定的且具有復(fù)雜性，所以人們很難直接建立出非線性函數(shù)，通過采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，可以使用具有逼近任意非線性函數(shù)的能力來模擬難以直接建立出函數(shù)的非線性函數(shù)。 1.4 本課題的研究意義 無刷直流電機(jī)具有運行效率高、無換向火花、調(diào)速效果好、壽命長等優(yōu)點，在許多領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用，例如變速制冷技術(shù)、電動汽車的牽引、電機(jī)系統(tǒng)，在計算機(jī)、工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域也更加廣泛使用。隨著人們對生活品質(zhì)的不斷提高，對無刷直流電機(jī)的要求也不斷提高。因此無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)和研究有重要實用價值和市場價值，尤其是滿足無刷直流電動機(jī)調(diào)速范圍寬，調(diào)速精度高、噪聲低且轉(zhuǎn)矩脈動小、節(jié)能效率高的控制要求，不斷提高無刷直流電動機(jī)運行控制的準(zhǔn)確性和實時性，對推動無刷直流電機(jī)控制技術(shù)非常重要。 隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，在調(diào)速鄰域中，轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的理念已經(jīng)得到大多數(shù)學(xué)者工程師的認(rèn)同。雙閉環(huán)控制可以實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速、電流這兩種負(fù)反饋兩者分別作用，并從中獲得良好的靜、動態(tài)性能。其良好的動態(tài)性能主要體現(xiàn)在抗負(fù)載擾動以及抗電網(wǎng)電壓之上。研究轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制對工業(yè)生產(chǎn)與應(yīng)用有重要意義。 1.5 章節(jié)安排 本課題主要對無刷直流電動機(jī)的雙閉環(huán)控制進(jìn)行分析，其中轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制是重點。本文分為五章： 第一章 對無刷直流電機(jī)做出了簡介，并且概括了無刷直流電機(jī)的特點和在工業(yè)中的應(yīng)用，此外還對直流電機(jī)的控制方法和研究意義做出總結(jié)。 第二章 介紹無刷直流電機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上建立無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。 第三章 介紹轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的組成和工作原理，在此基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)要求設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器。 第四章 介紹MATLAB/SIMULINK，并建立模塊對進(jìn)行仿真，記錄結(jié)果。 第五章 結(jié)論與展望，對本文進(jìn)行總結(jié)并對本課題的未來提出相關(guān)的展望。 1.6本章小結(jié) 本章對無刷直流電機(jī)做出了簡單介紹，介紹了其在工業(yè)中的應(yīng)用及其控制方法。同時對其發(fā)展前景做出了展望，為下一章具體介紹無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)和建立數(shù)學(xué)模型做出了鋪墊。 第二章 無刷直流電機(jī)的工作原理及其數(shù)學(xué)模型 2.1無刷直流電動機(jī)的工作原理 2.1.1無刷直流電機(jī)基本組成 無刷直流電機(jī)主要是由轉(zhuǎn)子位置檢測器、功率電子開關(guān)（逆變器）和電機(jī)本體三個部分組成，如圖2.1所示。 圖2.1永磁無刷直流電機(jī)的組成 大家都知道：盡管從電刷向外看直流電動機(jī)雖然是直流的，但是從電刷向內(nèi)看，電樞繞組中的所流過的電流和產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢則不是直流的，而是交變的。在考慮到定子磁場和電樞繞組的相互作用時，我們可以把永磁無刷直流電機(jī)當(dāng)作一臺電勵磁的同步電動機(jī)，這樣直流電動機(jī)就由電刷和換向器與同步電動機(jī)相互聯(lián)系起來。當(dāng)作為電動機(jī)運行時，換向器可以看成是逆變器，換向器能夠?qū)㈦娫吹闹绷麟娤饶孀兂山涣麟?，然后再輸送到電樞繞組。電刷的作用則更多，它不僅使電流流過，而且更重要的是電樞繞組中電流換向的地點也是由電刷的位置所決定的，而電樞磁勢的空間位置又由電樞繞組電流影響，所以電刷也決定了電樞磁勢的空間位置，也就是說電刷起到了檢測電樞磁場空間位置和電樞電流換向位置的作用。因為電刷和換向器能夠相互配合，能夠讓勵磁磁通在空間上一直垂直于電樞磁勢，通過這種方式可以有利于使有效轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值。永磁無刷直流電動機(jī)也可以看做是一種永磁式同步電機(jī)，不同的是用逆變器即功率電子開關(guān)代替了直流電機(jī)中的換向器即機(jī)械接觸式逆變器，不再使用基于接觸導(dǎo)電的電刷，而是用無接觸式的轉(zhuǎn)子位置傳感器來代替它，它們起到了類似的作用。 一般情況下永磁無刷直流電動機(jī)本體繞組大多為集中式或分布式，Y接，定子則大多采用三相結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子部分是將鐵鈷硼這種永磁材料直接貼在轉(zhuǎn)子上，成瓦片的形狀。圖2.2位四極永磁無刷直流電機(jī)本體剖面圖。 圖2.2四極永磁無刷直流電機(jī)本體 [13]功率電子開關(guān)（逆變器）的作用時：在一定的時刻給電機(jī)定子的各相繞組通以大小固定、一定時間長短的直流電流，形成固定的轉(zhuǎn)矩。逆變器也可以采用三相半橋，但是大多情況下都是三相全橋結(jié)構(gòu)。各橋臂的元器件一般情況下只在一個輸出頻率周期內(nèi)開、關(guān)一次，其結(jié)構(gòu)與三相直-交逆變器十分相似，不同的是三相全橋當(dāng)中的下橋臂元件（、、）除了導(dǎo)通，在導(dǎo)通時還要進(jìn)行PWM調(diào)制，來實現(xiàn)電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。 三相繞組的通電時間和長短和定子繞組與轉(zhuǎn)子的相對位置也是有關(guān)系的，通過轉(zhuǎn)子位置檢測器來感應(yīng)并產(chǎn)生了轉(zhuǎn)子位置信號，再經(jīng)過邏輯處理、功率放大后形成驅(qū)動信號來控制功率開關(guān)元件的關(guān)斷，再去控制定子繞組的通、斷（換向）在永磁無刷直流電機(jī)中常用的位置檢測裝置有以下幾種形式： （1）電磁式位置傳感器 利用電磁效應(yīng)我們可以來間接測量轉(zhuǎn)子的位置，常見的有開口變壓器、接近開關(guān)等等，其中開口變壓器使用最多。 （2） 磁敏式位置傳感器 磁敏傳感器的原理是利用電流的磁效應(yīng)來工作的，[14]磁敏式位置檢測器由與電機(jī)轉(zhuǎn)子同極數(shù)且具有與電機(jī)同軸安裝的永磁檢測轉(zhuǎn)子和多只空間均勻分布的磁敏元件所組成的。目前，市場上常見的磁敏元件為霍爾集成電路或霍爾元件，圖2.3為霍爾集成電路圖及其開關(guān)型輸出特性曲線。 圖2.3（a）霍爾集成電路 圖2.3（b）開關(guān)型輸出特性 利用三只在空間上相互之間差2π/（3P）機(jī)械角度的霍爾元件，可以得到三組寬180電角度、相互之間差120電角度的方波原始位置信號，其中P為電機(jī)極對數(shù)。圖2.4給出了一臺四極電機(jī)的霍爾位置檢測器完整結(jié)構(gòu)，三個霍爾元件、、時，根據(jù)的不同N、S極性而產(chǎn)生出三相寬120電角度、相互差120電角度的方波位置信號，這樣同軸安裝的電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的空間位置信息就可以被反映出來。經(jīng)邏輯電路IC2和整形電路IC1之后，輸出的觸發(fā)信號是六路功率電子開關(guān)信號。 圖2.4四極電機(jī)用霍爾位置檢測器 （3） 光電式位置傳感器 這是一種產(chǎn)生一系列脈沖信號來檢測轉(zhuǎn)子空間所處位置的的檢測方式，光電式位置傳感器利用帶缺口旋轉(zhuǎn)[15]且與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸安裝的圓盤對光電元件進(jìn)行通、斷控制檢測并產(chǎn)生信號。因為三相永磁無刷直流電動機(jī)正常情況下是每1/6周期進(jìn)行一次換相，所以不需要使用光電編碼盤的復(fù)雜方式，而只要采用與霍爾式位置檢測或電磁式近似的簡單的檢測方法就可以了。 2.1.2無刷直流電機(jī)運行原理 通常情況下，永磁無刷直流電動機(jī)大多數(shù)都是采用三相橋式功率來作為主電路。 如圖2.1所示給出了三相橋式主電路圖，功率電子開關(guān)（逆變器）分為上橋臂和下橋臂，采用的是標(biāo)準(zhǔn)三相橋式結(jié)構(gòu)，其中流過上橋臂元件、、的電流是正的，電磁轉(zhuǎn)矩為正方向；下橋臂、、流過的電流是負(fù)的，由于相同極性轉(zhuǎn)子在永磁磁場的作用，電磁轉(zhuǎn)矩為反方向。功率開關(guān)元件通電方式又有不同，具體可以分為120導(dǎo)通型和180導(dǎo)通型，它們的輸出轉(zhuǎn)矩大小也有所不同。 （1）以120導(dǎo)通型：設(shè)霍爾元件檢測輸出高電平，觸發(fā)導(dǎo)通功率開關(guān)、?？梢宰屩绷麟娏髁魅階相繞組A-X和C相繞組C-Z，產(chǎn)生電樞磁動勢和，將兩個磁動勢合成就得到了合成磁動勢F，如圖2.5（a）所示 圖2.5各相繞組通電順序及電樞磁勢位置 電樞磁動勢領(lǐng)先永磁磁動勢，將驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60電角度，由位置檢測傳感器檢測到使邏輯發(fā)生變化，改變了功率電子開關(guān)的關(guān)斷，從而使合成磁場連續(xù)轉(zhuǎn)動。如圖2.6（b）所示。不同相的上、下橋臂元件在每個瞬間各有導(dǎo)通，每個功率開關(guān)元件導(dǎo)通120電角度，即1/3周期進(jìn)行一次換流，各個功率開關(guān)元件導(dǎo)通的順序為、；、；、……、……。因為在每個時刻都會有一上橋臂元件導(dǎo)通使繞組產(chǎn)生正向電流，同時會有一下橋臂元件導(dǎo)通使另一相繞組獲得反向電流，正向電流使某繞組產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，反向電流使繞組產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，每次轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過60完成一次換相，合成之后的轉(zhuǎn)矩是一相通電轉(zhuǎn)矩的倍。 （2）180導(dǎo)通型：與120導(dǎo)通型差不多，但不一樣的是每個瞬間都有三個功率開關(guān)元件導(dǎo)通，其中每個導(dǎo)通180電角度即1/2周期。各個功率開關(guān)元件導(dǎo)通的順序為：、、；、、；……、、……。 2.2無刷直流電機(jī)的建模 無刷直流電動機(jī)的感應(yīng)電動勢正比于電機(jī)匝數(shù)和轉(zhuǎn)速,電樞繞組串聯(lián)公式為,其中E為無刷直流電機(jī)電樞感應(yīng)線電動勢，P為電機(jī)的極對數(shù)，W為電樞繞組每相串聯(lián)的匝數(shù)，為每極磁通，n為轉(zhuǎn)速，為極弧系數(shù)。為了讓電動機(jī)擁有較大的調(diào)速范圍，在極對數(shù)P和反電動勢E已經(jīng)確定的情況下，就需要對電樞繞組的匝數(shù)W進(jìn)行限制。所以，磁懸浮飛輪電機(jī)繞組電阻和電感都很小，使得相電流在電機(jī)在運行的過程中可能會存在不連續(xù)狀態(tài)。 [16]對無刷直流電動機(jī)建立數(shù)學(xué)模型前先做出假設(shè)：空間上相互差120電角度、電機(jī)定子，繞組上電阻電感都完全一樣，產(chǎn)生的反電勢為梯形波。且不計渦流損耗，另外電樞繞組之間互感可以忽略。此外忽略電樞反應(yīng)，默認(rèn)氣隙磁場是均勻的。 2.2.1無刷直流電機(jī)的電壓方程 由上面的假設(shè)條件，電機(jī)每相繞組的相電壓可以由電機(jī)繞組的感應(yīng)電樞加上繞組上電阻壓降得到，定子電壓平衡方程為 (2-1) 式(2-1)中，、、分別是三相反電動勢，、、分別是三相定子電流，，，分別是三相定子電壓，，，是定子繞組電阻，，，是定子繞組自感，，，，，，是定子兩兩繞組互感，由于無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁體。將定子繞組互感當(dāng)作常數(shù)時，即，，。由，可以改寫為： （2-2） 2.2.2電磁轉(zhuǎn)矩和狀態(tài)方程 在電機(jī)的運行過程中，[17]電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為：。式中，為轉(zhuǎn)子角速度。電機(jī)的機(jī)械運動方程為：，式中和分別為電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩(Nm)；J為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量（kg.）；f為阻尼系數(shù)（N.m.s）。無刷直流電機(jī)的反電動勢是平頂寬度為120度電角度的梯形波，其梯形波的幅值大小和電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。其中，反電動勢系數(shù)由以下公式計算為：。 由上節(jié)電壓方程可以得到重點電壓方程，則無刷直流電機(jī)的狀態(tài)方程為： （2-3） 2.2.3傳遞函數(shù) 因為無刷直流電動機(jī)和傳統(tǒng)直流電動機(jī)運行特性基本上是一樣的，所以構(gòu)建的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和傳遞函數(shù)也一樣。 圖2.6無刷直流電機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 從上面的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以算出無刷直流電機(jī)的傳遞函數(shù)： （2-4） 其中：為電機(jī)時間常數(shù)，為電動勢傳遞系數(shù)，為轉(zhuǎn)矩傳遞函數(shù)。 2.2.4反電勢方程 由物理知識，導(dǎo)體切割磁感線形成的電動勢為： （2-5） 其中，為磁場強(qiáng)度，為導(dǎo)體垂直于磁場運動速度的分量，導(dǎo)體長度。如（2-6）給出了n和v的關(guān)系 （2-6） 設(shè)每相繞組匝數(shù)為，且都有兩根導(dǎo)線。因此一相的感應(yīng)電動勢為： （2-7） 將（2-5）（2-6）代入（2-7）式中，則轉(zhuǎn)速和總感應(yīng)電動勢的關(guān)系為： （2-8） 完成電機(jī)設(shè)計后、、都是固定值。如圖2.7給出了A相繞組反電勢波形 圖2.7A相反電勢與轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系圖 2.3本章小結(jié) 本章介紹了無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，在此基礎(chǔ)上對無刷直流電機(jī)進(jìn)行了建模，列出了無刷直流電機(jī)的電壓方程，電磁轉(zhuǎn)矩和狀態(tài)方程以及反電勢方程并且進(jìn)一步求出了狀態(tài)方程和等效電路圖。繼續(xù)第一章介紹了無刷直流電機(jī)，為下一章轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制做了理論依據(jù)。 第三章 無刷直流電機(jī)雙閉環(huán)控制的原理和設(shè)計 3.1無刷直流電機(jī)雙閉環(huán)控制的原理 3.1.1無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的組成 如圖3.1所示給出了永磁無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的組成原理圖： 圖3.1無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)組成原理框圖 整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)由主回路，永磁無刷直流電動機(jī)（內(nèi)置位置傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器）及計算機(jī)（單片機(jī)、DSP等）控制系統(tǒng)組成，其中計算機(jī)控制系統(tǒng)包括典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，PWM生成器等。圖3.1主要分為以下幾個部分： （1）主回路：采用交-直-交電壓型PWM變頻器，作用是在PWM的作用下產(chǎn)生所需要的三相互差120電角度的方波電流。 （2）永磁無刷直流電機(jī)本體：電動機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器在第二章已經(jīng)做出介紹，一般采用安裝在轉(zhuǎn)子上的光電脈沖編碼器作為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速傳感器來檢測無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，也可以常采用M法、T法、M/T法及鎖相法來測量電機(jī)轉(zhuǎn)速。 （3）轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)：能夠避免單閉環(huán)的不足之處，起動時可以過載電樞電流達(dá)到最大，電流調(diào)節(jié)器上電壓也達(dá)到最大。兩個調(diào)節(jié)器減小了擾動和動態(tài)速降。當(dāng)電機(jī)過載時甚至堵轉(zhuǎn)時，可以將電流限制在安全范圍以內(nèi)，起到保護(hù)作用。在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時，使轉(zhuǎn)速跟隨參考轉(zhuǎn)速變化，實現(xiàn)穩(wěn)定運行無靜差。 （4）PWM生成器：如圖3.2周期相同，脈寬和幅值也相同的脈沖信號是由三角載波電壓信號和電流調(diào)節(jié)器輸出的電壓信號對比得到的，脈沖信號又控制功率開關(guān)管的關(guān)斷。當(dāng)值大時，電樞電壓高，繞組電流大，PWM波形占空比大；反之則變小。而電磁轉(zhuǎn)矩和電流成正比，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。 圖3.2PWM信號產(chǎn)生原理圖 3.1.2無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速、電流控制過程 如圖3.3所示，永磁無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)由電流和轉(zhuǎn)速兩個控制環(huán)節(jié)構(gòu)成。 圖3.3永磁無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)控制框圖 轉(zhuǎn)速反饋量和參考轉(zhuǎn)速產(chǎn)生偏差，在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)之后形成電流參考量。而實現(xiàn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制是通過它與電流反饋量之間的偏差，再經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后產(chǎn)生PWM占空比控制量去控制三相逆變器工作的。其中電流反饋可以采用測量逆變器電阻實現(xiàn)。轉(zhuǎn)速反饋則是檢測位置傳感器，再經(jīng)過處理得到的。 3.2逆變器及電流轉(zhuǎn)速反饋通道的數(shù)學(xué)模型 （1）逆變器數(shù)學(xué)模型[18]：了解PWM變換器和其調(diào)制技術(shù)之后。我們可以將它們合起來看成一個放大的滯后環(huán)節(jié)，滯后的時間在一個開關(guān)周期內(nèi)。當(dāng)滿足（3-1）的條件時 （3-1） 時，脈寬調(diào)制器和PWM變換器可以作為一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為： （3-2） 式中-PWM變換器輸出的空載平均電壓 -脈寬調(diào)制器的控制電壓 -脈寬調(diào)制器和PWM變換器的放大系數(shù) -脈寬調(diào)制器和PWM變換器的開關(guān)周期，單位為s （2）電流轉(zhuǎn)速反饋通道數(shù)學(xué)模型[19]：我們可以將反饋環(huán)節(jié)當(dāng)作是比例環(huán)節(jié)，但是在反饋的信號中含有交流信號，這里采用添加濾波環(huán)節(jié)來消除。但這樣做就會帶來延時，為了消除這一延時，可以采用在給定信號也添加與反饋濾波時間常數(shù)一樣的環(huán)節(jié)就可以彌補(bǔ)這一誤差。所以電流反饋通道的傳遞函數(shù)為： （3-3） 轉(zhuǎn)速反饋通道的傳遞函數(shù)為： （3-4） 其中為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，為電流反饋系數(shù)，為轉(zhuǎn)速濾波反饋時間常數(shù)，為電流濾波時間常數(shù)。 3.3轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的設(shè)計 3.3.1設(shè)計要求 電動機(jī)起動時，要求電流很快上升，電流跟隨給定階躍變化，為減小電流環(huán)中前向通道的擾動，并且電流環(huán)能夠及時調(diào)節(jié)，所以，良好的跟隨性對于電流環(huán)來說是很重要的。在起動的時候，轉(zhuǎn)速環(huán)是不工作的，[20]相當(dāng)于“開環(huán)”。而當(dāng)系統(tǒng)工作起來之后就要求動態(tài)速降小，抵抗負(fù)載擾動的能力強(qiáng)，恢復(fù)時間短，因此良好的抗擾性對于轉(zhuǎn)速環(huán)來說十分重要。 3.3.2電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)中電流環(huán)采用的是電流滯環(huán)跟蹤PWM控制，其基本控制如圖3.4所示，PWM控制電流輸出如圖3.5所示。這種電流控制結(jié)構(gòu)中有一個非線性環(huán)節(jié)-滯環(huán)。在工作時，當(dāng)實測電流值與參考電流值的瞬時差值達(dá)到滯環(huán)寬度的正邊緣的時候，三相逆變器的功率管導(dǎo)通，關(guān)斷。這時電機(jī)和直流母線連在一起，電流逐漸上升。反之，當(dāng)實測電流值大小與參考電流的瞬時差值達(dá)到滯環(huán)寬度負(fù)邊緣時，電流逐漸下降 圖3.4電流滯環(huán)跟蹤型PWM控制結(jié)構(gòu)示意圖 圖3.5電流滯環(huán)跟蹤型PWM控制電流輸出波形 根據(jù)電流環(huán)的基本作用，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，我們要求電流環(huán)穩(wěn)態(tài)時沒有靜差，并且在動態(tài)過程中，我們要求電樞電流不能過大，超調(diào)不能多，根據(jù)這些要求，電流環(huán)應(yīng)該采用典型1型系統(tǒng)，電流調(diào)節(jié)器設(shè)計為PI調(diào)節(jié)器，這樣基本可以滿足要求。 由前面動態(tài)數(shù)學(xué)模型，我們可以得到電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖3.4所示。 圖3.4轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 在實際的無刷直流電機(jī)的系統(tǒng)中，電磁時間常數(shù)比機(jī)電時間常數(shù)要小得多，轉(zhuǎn)速變化的過程也比電流調(diào)節(jié)的過程要慢很多，所以和電流變化相比反電勢變化慢得很慢，對電流環(huán)而言反電動勢僅僅是一個擾動而且變化很慢[21]，在電流調(diào)節(jié)的過程中我們可以將反電勢E看成一個不變的量。所以在設(shè)計電流PI調(diào)節(jié)器的時候可以不用考慮反電勢的影響，將反電勢的反饋回路斷開來簡化傳遞函數(shù)。如圖3.5所示： 圖3.5忽略反電動勢影響的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 將反饋濾波和給定濾波環(huán)節(jié)放在環(huán)里面，繼續(xù)簡化得到如圖3.6所示 圖3.6忽略反電動勢簡化的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 在圖3.6基礎(chǔ)上，考慮到反饋時間常數(shù)和PWM逆變器的等值時間常數(shù)都比小得多，可以當(dāng)作小慣性環(huán)節(jié)處理，并取，經(jīng)簡化后得到圖3.7 圖3.7最終簡化后的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 3.3.3電流調(diào)節(jié)器設(shè)計 我們希望在穩(wěn)定運行時電機(jī)轉(zhuǎn)速無靜差。由圖3.7可知道，選用1型系統(tǒng)就可以達(dá)到這個要求；從動態(tài)角度看，在實際無刷直流電機(jī)應(yīng)用中，突加負(fù)載或其他控制時不允許電樞電流產(chǎn)生較大的波動，即不允許產(chǎn)生較大的超調(diào)量。1型系統(tǒng)的電流環(huán)可以保證系統(tǒng)良好的更隨性能[21]，因此本文利用PI調(diào)節(jié)器將電流環(huán)設(shè)計成1型系統(tǒng)，下面給出了其傳遞函數(shù) （3-5） 式中為電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；為電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。要讓被控對象的時間常數(shù)與電流調(diào)節(jié)器的零極點對消，令=，則校正后的電流環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3.8所示。 圖3.8校正后電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 其中。 參數(shù)計算：由式（3-5）看到，要計算的電流調(diào)節(jié)器參數(shù)是和。 （1）的計算： （3-6） （2）的計算 考慮到設(shè)計電流環(huán)主要是要求超調(diào)量小或沒有超調(diào)，跟隨性能好；與此同時，可以在電流PI調(diào)節(jié)器的作用下將電流環(huán)設(shè)計為典型1型系統(tǒng)。利用表3.1來對參數(shù)進(jìn)行計算。 表3.1典型1型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 參數(shù)關(guān)系KT 0.25 0.39 0.50 0.69 1.0 阻尼比 1.0 0.8 0.707 0.6 0.5 超調(diào)量 0% 1.5% 4.3% 9.5% 16.3% 上升時間 6.6T 4.7T 3.3T 2.4T 峰值時間 8.3T 6.2T 4.7T 3.6T 相角穩(wěn)定裕度 76.3 69.6 65.5 59.2 51.8 截止頻率 0.243/T 0.367/T 0.455/T 0.596/T 0.786/T 本系統(tǒng)要求電流無超調(diào)，由表3.1，可選，。得到： （3-7） 3.3.4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 電流環(huán)是轉(zhuǎn)速環(huán)的內(nèi)環(huán)，在設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時，必須先求出轉(zhuǎn)速環(huán)的傳遞函數(shù)。根據(jù)校正后的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖（3-8），可以求得電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 （3-8） 選擇，代入（3-8）并忽略高次項。式（3-8）可近似為 （3-9） 接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效傳遞函數(shù)的輸入量應(yīng)該是，所以電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)該等效為： （3-10） 用電流環(huán)的等效傳遞函數(shù)代替原來的電流環(huán)后，轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖（3-9）所示。 圖3.9電流環(huán)等效傳遞函數(shù)代替電流環(huán)后的轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 把轉(zhuǎn)速給定濾波環(huán)節(jié)和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改成，再把時間常數(shù)為4和的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似看成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，簡化后的轉(zhuǎn)速動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3.10所示。 圖3.10等效成單位負(fù)反饋和小慣性環(huán)節(jié)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 根據(jù)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時無靜差和轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)在動態(tài)時有良好的轉(zhuǎn)速控制性能兩項要求，轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)被校正成典型的2型系統(tǒng)。選用PI調(diào)節(jié)器作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 （3-10） 不考慮負(fù)載擾動時，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖3.11所示。 圖3.11校正成典型2型系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 其中轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為 （3-11） 由（3-10）可以看到，要計算的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)是和，計算方法如下： （1）的計算 （3-12） （2）的計算 （3-13） 式中頻寬h的選擇應(yīng)使2型系統(tǒng)的階躍輸入跟隨性能和抗擾性能良好。根據(jù)表3.2和表3.3可以選擇合適的h。 表3.2典型2型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo) h 3 4 5 6 7 8 9 10 52.6% 43.6% 37.6% 33.2% 29.8% 27.2% 25.0% 23.3% 2.40 2.65 2.85 3.0 3.1 3.2 3.3 3.35 12.15 11.65 9.55 10.45 11.30 12.25 13.25 14.20 k 3 2 2 1 1 1 1 1 圖3.3典型2型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù) h 3 4 5 6 7 8 9 10 72.2% 77.5% 81.2% 84.0% 86.3% 88.1% 89.6% 90.8% 2.45 2.70 2.85 3.00 3.15 3.25 3.30 3.40 13.60 10.45 8.80 12.95 16.85 19.80 22.80 25.85 由表3.2和表3.3可以看出，當(dāng)h=5時，調(diào)節(jié)時間最短，動態(tài)跟隨性能適中。且h越小，也越小，和都短，因此抗擾性能越好。將跟隨和抗擾性能綜合起來，h=5是很好的選擇。 3.4本章小結(jié) 本章對無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成做出了介紹，并且簡要解釋了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的工作原理。在此基礎(chǔ)上對逆變器、電流轉(zhuǎn)速反饋通道建立了數(shù)學(xué)模型，求出了傳遞函數(shù)。接著畫出電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，分別在假設(shè)的基礎(chǔ)上做出了簡化，求得了最終的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。然后根據(jù)設(shè)計要求和相應(yīng)的指標(biāo)參數(shù)設(shè)計出了電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)。為下一章用MATLAB/SIMULINK搭建模塊進(jìn)行仿真奠定基礎(chǔ)。 第四章 基于MATLAB/SIMULINK無刷直流電機(jī)雙閉環(huán)控制的設(shè)計 4.1MATLAB/SIMULINK的簡介 4.1.1MATLAB的介紹 1980年，美國博士開發(fā)出了MATLAB語言。之后許多公司和相關(guān)的專家不斷努力，多次地擴(kuò)充修改。已經(jīng)開發(fā)出了MATLAB7.0及以上的版本，受到了世界上使用者的歡迎。MATLAB是矩陣實驗室的縮寫，一開始是用來解決工程上和科學(xué)上的復(fù)雜計算問題。 由于MATLAB具有輸入便捷、運算效率高、使用方便等特點，并且它的思維方式比較適合科研人員的思維，已經(jīng)成為了科技工程方面常用的軟件。 4.1.2SIMULINK的功能與特點 1993年，在框圖仿真基礎(chǔ)上的SIMULINK問世。它以MATLAB強(qiáng)大的計算能力為基礎(chǔ)，更加直觀地使用搭建模塊和框圖來進(jìn)行系統(tǒng)的仿真和計算，省去了一些復(fù)雜的編程。此外SIMULINK還提供了豐富多樣的仿真工具，軟件人員和科學(xué)家等還在SIMULINK里面添加、擴(kuò)展了各種各樣，類型齊全的仿真模塊庫，給我們進(jìn)行仿真提供了方便。在SIMULINK的平臺上，我們只需要拖動模塊，然后再拉出連接線就可以建立模擬仿真的框圖。在SIMULINK平臺上搭建模型，其簡單而且可讀性比較強(qiáng)，降低了使用在MATLAB窗口中編程所帶來的使用大量函數(shù)的復(fù)雜性和難度。 4.2參數(shù)的給定 在對無刷直流電機(jī)雙閉環(huán)的仿真中，設(shè)置如下參數(shù)：定子繞組的電阻為1，定子繞組的電感為0.02，每兩相繞組之間的互感為-0.061，轉(zhuǎn)動慣量為0.089，阻尼系數(shù)為0.005，極對數(shù)為4，額定轉(zhuǎn)速為300，所帶動的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為11，轉(zhuǎn)速控制模塊中=3.3，=300。直流電壓給定為220V。 4.3SIMULINK模塊的搭建 在MATLAB2013b的SIMULINK豐富的仿真模塊下，建立了無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制模型。其中電流環(huán)采用電流滯環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)采用PI調(diào)節(jié)。各個模塊采用封裝的形式，下面如圖4.1給出了無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制整體的控制框圖，再分模塊介紹各個封裝模塊搭建的框圖。 4.3.1無刷直流電機(jī)雙閉環(huán)控制整體控制框圖 圖4.1無刷直流電機(jī)雙閉環(huán)控制整體框圖 無刷直流電機(jī)雙閉環(huán)控制分為轉(zhuǎn)速控制模塊，參考電流模塊，電流控制模塊，逆變器模塊和電機(jī)本體模塊。 4.3.2電機(jī)本體模塊 在無刷直流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，電機(jī)本體模塊最為復(fù)雜。它又可以分為轉(zhuǎn)速計算模塊、轉(zhuǎn)矩計算模塊、電壓方程和反電勢模塊。 4.3.2.1轉(zhuǎn)速計算模塊 如圖4.2所示，由第二章的機(jī)械運動方程經(jīng)過拉普拉斯變換得到其傳遞函數(shù)，建立了轉(zhuǎn)速計算模塊。 圖4.2轉(zhuǎn)速計算模塊 輸入量是電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩通過加減乘除得到轉(zhuǎn)速w，再經(jīng)過積分計算就得到電機(jī)所轉(zhuǎn)的角度。 4.3.2.2轉(zhuǎn)矩計算模塊 如圖4.3所示，給出了轉(zhuǎn)矩模塊。這個模型是由之前第二章的轉(zhuǎn)矩方程得到的。輸入是A、B、C三相的反電動勢和電流，輸出是電磁轉(zhuǎn)矩。 圖4.3轉(zhuǎn)矩計算模塊 4.3.2.3電壓方程模塊和反電勢模塊 根據(jù)第二章的反電勢方程以及電壓方程 （2-3） 可以建立如圖4.4的電壓方程和反電勢模塊。 圖4.4電