基于matlab-simulink 方波直流无刷电机位置伺服仿真研究

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1、基于Matlab/Simulink方波直流无刷电机位置伺服仿真研究【关键词】方波直流无刷电机位置伺服建模仿真1引言20世纪初，有刷直流电机的发展已趋于成熟，有刷直流电机凭借其优良的转矩特性和调速性能在伺服系统中得到广泛应用，但有刷直流电机因存在机械电刷造导致的换向摩擦、噪声、寿命短、维修成本高等缺点限制了其应用范围。直流无刷电机电机采用电子换向代替电刷换向，消除了有刷直流电机上述缺点，并且因其功质比高、转速转矩特性一致性好、高效率、运转噪声小等特点，已经在家用电器、汽车、航空航天、消费品、医疗、工业自动化设备和仪器等行业中使用。2直流无刷电机位置伺服运行

2、原理直流无刷位置伺服系统主要有方波直流电机、逆变器、控制器、霍尔位置传感器、电位计等几部分组成。采用“三相六拍-120°方波型”驱动。如图1所示直流无刷电机位置伺服系统，根据控制指令与电位计反馈的电机位移信息，通过PID控制率调整占空比进行位置伺服闭环控制，同时控制器采集霍尔位置传感器的转子位置信息，通过判断转子位置所处的六个不同扇区，通过逆变器功率管按照一定的规律导通关断，使得电机定子电枢产生按60°不断前进的磁势，带动电机转子旋转来实现。当电机正转时，产生的定子磁势以与转子磁势相互作用产生最大的正的平均电磁转矩最大为原则，定子电枢合成磁势应当顺时针超

3、前转子磁势60°~120°，当电机反转时，则以产生最大的负平均转矩为原则，定子电枢合成文/徐志书李超何雨昂本文根据方波直流无刷电机（以下简称直流无刷电机或BLDC）的电压平衡方程、电磁转矩方程、机械运动方程及直流无刷电机位移伺服运行原理出发，在Matlab/Simulink中建立了BLDC的模型与BLDC位移伺服系统仿真模型，并根据工程实例用电机进行了仿真，仿真电流、转矩、反电势波形、位移响应波形验证了模型与仿真的正确性。摘要磁势应当瞬时滞后转子磁势120°到60°。在每种触发模式下，其导通表如表1。直流无刷电机位置伺服系统环系统图如图2所示。3直流无刷

4、电机位置伺服系统建模实现3.1电机模型建模假设三相BLDC在工作过程中磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗，三相绕组完全对称星形连接且无中线引出，BLDC采用磁钢表面安装式转子结构且三相绕，可认为三相绕组间的自感与互感为常数且与位置无关。则电压平衡方程为：（1）式中，ua,ub,uc——定子每相绕组电压ia,ib,ic——定子每相绕组电流ea,eb,ec——定子每相绕组电势Ra,Rb,Rc——定子每相绕组电阻La,Lb,Lc——定子每相绕组自感其中，ea,eb,ec根据直流无刷电机的反电势梯形波形（见图3），可以推测出反电势波形如表2。电磁转矩方程为：（2）机

5、械运动方程为：（3）根据式（1）（2）及（3），建立在图1：方波直流无刷电机位置伺服系统原理图表1：BLDC导通逻辑表区间正转反转0~pi/3V6V1ABV3V4BApi/3~2pi/3V1V2ACV5V4CA2pi/3~piV2V3BCV5V6CBpi~4pi/3V3V4BAV1V6AB4pi/3~5pi/3V4V5CAV1V2AC5pi/3~2piV5V6CBV3V2BC图2：直流无刷电机位置闭环系统图电子技术•ElectronicTechnology136•电子技术与软件工程ElectronicTechnologySoft0

6、cm0pt;mso-layout-grid-align:none"class=MsoNormalalign=left>Matlab/Simulink下建立BLDC仿真模型如下，其中S_Function中bmf模块为根据表2建立的反电势模块。3.3BLDC位置闭环系统建立4仿真结果对直流无刷电机进行位置特性仿真，其中该电机转动惯量J=1.23e-3kg·m2，电动势系数Ce=1.2v/(rad/s)，极对数P=2，电枢绕组电阻R=6.8,电感L为40mH,额定负载转矩为Te为1.7N.m，额定电压为300V，仿真结果如下：1.给电机分别施加10°阶跃位移信

7、号，1.5N.m恒定负载，位置伺服阶跃响应如图6。5总结本文仿真结果表明建立的模型与仿真的正确性，本仿真对于实际方波直流无刷电机位移伺服的运行原理的研究与参数调试、电机参数设计选择均具有十分有益的指导意义。