无刷直流电机调速系统仿真研究

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1、无刷直流电机调速系统仿真研究李南海，何矞，薛忠，洪小康(南昌航空大学信息工程学院，江西南昌330063)关键词：无刷直流电机；阈值；仿真；积分分离-比例积分控制;摘要：针对传统PI控制方法在对无刷直流电动机进行控制时超调量大、精度低等缺点，提出了一种带限幅输出的积分分离PI控制方法，将方法应用于永磁无刷直流电动机双闭环调速系统的转速闭环中，并在分析无刷直流电机数学模型的基础上，采用MATLAB/Simulink软件建立了无刷直流电机控制系统仿真模型。仿真结果表明，该方法与传统PI控制方法相比具有无超调和更高的调节精度，大大改善了系统的动静态性

2、能。中图分类号：N845.12文献标识码：BSimulationofBLDCMSpeedControlSystemLINan-hai,HEYu,XUEZhong,HONGXiao-kang(CollegeofInformationEngineering,NanChangHangKongUniversity,JiangxiNanchang330063,China)KEYWORDS：BLDCM;threshold;simulation;integrationseparated－PIcontrol;ABSTRACT：Inthispaper,anew

3、methodbasedonintegrationseparated－PIControlispresentedwhichissuitableforBLDCM.ThismethodovercomessomedefectsoftraditionalPIcontro1.Adesignmethodforintegrationseparated－PIcontrollerisgiven,anditisappliedtothesystemofaspeedclosed－loopinBLDCMdoubleclosed－loopsystem.Basedonthem

4、athematicalmodelofBLDCM,thispaperestablishesasimulationmodelofBLDCMcontrolsystembytheSIMULINKofMATLABsoftware.TheresultsofsimulationshowthattheperformanceissuperiortothatofthetraditionalPIcontroller.无刷直流电机(BLDCM)是随着电力电子技术及新型永磁材料的发展而迅速成熟起来的一种新型电机，由于其转子采用永磁材料磁极，具有体积小、重量轻、结构简单

5、、维护方便、运行可靠、高效节能易于控制等优点，同时，无刷直流电机采用电子换相器替代直流电机的机械换向器，实现直流到交流的逆变，采用位置传感器控制绕组电流的切换，既具有直流电机的良好调速特性，目前得到了广泛的应用。随着BLDCM在工业应用领域的推广，比如在伺服系统和调速驱动系统中，对系统的动静态性能和控制精度要求越来越高。传统的PI控制以其实时性好、易于实现等特点广泛应用于控制系统，只要正确设定参数，PI控制器便可实现其作用，但是，当系统起停或设定值突然改变时，由于系统中某些元件的非线性（如饱和），在PI控制的积分项作用下，系统的输出将产生很大

6、的超调和长时间大的波动，针对于此，本文采用带限幅输出的积分分离PI控制方法应用于永磁无刷直流电动机双闭环调速系统的转速闭环中，在转速偏差较大时，用P调节，可使超调量大大降低，在转速偏差较小时，采用PI调节，可保证系统的控制精度。仿真实验表明，这种方法响应快、无超调、调节时间短，与传统PI控制方法相比具有更好的动静态性能、控制精度。2永磁无刷直流电机的数学模型无刷直流电机采用瓦形磁钢，进行特殊的磁路设计，可获得梯形波的气隙磁场，定子采用整距集中绕组，由逆变器供给方波电流。,,为互差120°电角度的梯形波，其感应电动势与电流的关系如图1所示。图1

7、A相反电动势和电流波形由于BLDC的感应电动势为梯形波；包含有较多的高次谐波，并且BLDC的电感为非线性，在此，采用感应电动机等d、q变换理论进行分析并不是很有效的方法，而在分析和仿真BLDC控制系统时，直接采用相变量法，根据转子位置，采用分段线性表示感应电动势。以二相导通星形三相六状态为例，分析BLDC的数学模型及电磁转矩等特性。为了便于分析，假定：1)三相绕组完全对称，气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场分布皆对称；2)忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响；3)电枢绕组在定子内表面均匀连续分布；4)磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗。则三相绕组

8、的电压平衡方程可以表示为：+++⑴式中:、、为三相定子绕组相电压(V)；为三相定子绕组的电阻(Ω)；、、为三相定子绕组相电流(A)；为三相定子绕组的自感(H)；为三