一种基于Matlab的无刷直流电机控制系统建模仿真方法

一种基于Matlab的无刷直流电机控制系统建模仿真方法

摘要：木文首先介绍了无刷直流电机的结构和工作原理，然后论述了无刷直流电机的控制

技术和策略。为了验证控制算法和控制策略的合理性，在分析无刷肓流电机(BLDC)数学模型的

基础上，提出了一种无刷直流电机控制系统仿真建模的方法。本文在Matlab/Simulink环境下，

构建了无刷有流电机系统的仿真模型，并详细介绍了控制系统的各个子模块。该系统采用双闭环

控制：速度环采用离散PTD控制，根据滞环电流跟踪型PWM逆变器原理实现电流控制。在建立

仿真模型的基础上，木论文对模型进行了仿真。观察电机的相电流、反电动势、转速、输出电磁

转矩等参数，并进行了分析。仿真和试验结果与理论分析一致，验证了该方法的合理性和有效性。

该仿真模型适川于验证其他控制算法的合理性，并且为实际电机控制系统的设计和调试提供了新

的思路。

关键词：无刷直流电机；建模；仿真；电流滞环；Mat1 ab

ABSTRACT

Abstract:At the beginning of this paper, the basic structure and principle ofBmshless DC

motor(BLDC)were introduced, then this paper presented the control technologiesand strategies

aboutBLDC. In order to verify the rationality of the controllingalgorithms and strategics, on the

basisof analysis of the mathematical model of BLDC, a novel method formodeling and simulation

ofBLDC control system was proposed?Thispaper built a simulation model of BLDC control system

withMATLAB/simulation, and introduced the sub-modules of the controllingsystem in detail. This

controlsystem adopted double loop control. Tn the double loop of controlsystem, a discrete PID

controllerwas adopted in the speed loop and a current controller was completedin the current loop

onthe principle of hysteresis current track PWM inverter. Thereasonability and validity were

testifiedby the coincidence of the simulation and experimentation results andtheory analysis. This

simulationmodel is also suitable for verifying the reasonability of othercontrol algorithms and offers

anew thinking for designing and debugging actual motors?

Keywords: BLDC;modeling; simulation; hysteresis current; Matlab

1. 引言

无刷直流电机（BrushlessDC Motor,以下简称BLDC）是随着电力电了技术及新型

永磁材料的发展而迅速成熟起来的一种新型电机。以其体积小、重量轻、效率高、惯最小和

控制精度高等优点，同时还保留了普通育流电动机优良的机械特性，广泛应川于伺服控制、

数控机床、机器人等领域，随肴无刷直流电机W川领域的不断扩大，要求控制系统设计简易、成木低廉、控制算法合理、开发周期短。建立无刷直流电机控制系统的仿真模型，可以有效的节省控制系统设计时间，及时验证施加于系统的控制算法，观察系统的控制输出；同时可以充分利用计算机仿真的优越性，人为地改变系统的结构、加入不同的扰动和参数变化，以便考察系统在不同结构和不同工况下的动、静态特性。因此，如何建立有效的无刷直流电机控制系统的仿真模型成为电机控制算法设计人员迫切需要解决的关键问题。木文在分析无刷直流电机数学模型的基础上，借助于Matlab强大的仿真建模能力，利用电气模块库屮内含的功能元件，对通常的运动控制系统仿真模型进行了改进，提出了一种基于Matlab/Simulink建立无刷宜流电机系统仿真模熨的新方法。利用Matlab中的Simulink工具箱建立了BLDC控制系统的计算机仿真模型，进行了控制系统的仿真，结果表明，通过该模型验证了数学模型的行效性及控制系统的合理性，加快了实际系统设计和调试的进程。

2. 无刷直流电机工作原理
无刷有流电机的基木工作原理是借助转了位置传感器测得的位置信号，通过驱动电路，驱
动逆变电路的功率开关元件，使电枢绕组依一定顺序馈电，从而在气隙屮产生步进式旋转磁场，拖动永磁转了旋转。随着转了的转动，转了位置信号依一定规律变化，从而改变电枢绕组的通电状态，实现无刷育?流电机的机电能量转换。

图1无刷直流电机丁?作原理框图

无刷岚流电机有多相结构，可分为半桥驱动和全桥驱动，全桥驱动乂分成星形和

角形连接以及不同的通电方式。目前三相星形全桥驱动方式以绕纟fl利用率高、转矩的

波动较小和电路成木较低的优势而使用最多，在木文的设计屮使用该种驱动方式。

3.无刷直流电机的数学模型
预建立无刷肓流电机的数学模型，需要在合理的范用内对其进行必要的简化，因此假定：定子星形连接，三相绕组完全对称，工作在二相导通，三相六状态下；反电势波形是平顶宽度

为120°电角度的梯形波；电机在工作过程小磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗,；气隙均匀，磁

场为方波，定子电流、转了磁场分布皆对称，电枢绕组在定子内表面均匀连续分布；忽略电枢效

应、齿槽效应。

在以上假设条件下，可以得到无刷肓流电机的数学模型如下：

利用基尔霍夫电压定律（KVL）可以得到三相绕组的电压平衡方程：

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X

二

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0

0

/ ? 、 lA +

(L-M

L-M

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L-M }

P h +? Jc 、 丿

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3

0

丿

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其屮：心、知、吒为定了相绕组电压（V）；iA.i8.ic为定了相绕组电流（A）；

―、5、“为定了相绕组电动势（V）;R为电机相电阻；L为每相绕组的自感（H）；

M为毎两相绕纟R间的互感（II）。p为微分算了，p=d/dto由绕纟R电压方程可知，无刷肓流电机

的等效电路如图：

图2无刷鬥流电机的等效电路图

无刷有?流电机的定了绕纟FI输入功率与产生的电磁转矩关系为:

eAh+eBiB+eCiC=T(O

故无刷肓流电机的电磁转炬为:

T=（乙几+S’B+ ec^c）/W

其屮，Q为电机的机械角速度（md/s）。无刷直流电机的电磁转矩是rt!定了绕组中

的电流与转子磁钢产生的磁场相互作用而产生的，由上式可见，电机电磁转矩与磁场和相电流

成正比，与转动角速度成反比。

无刷育流电机的运动方程为：

式屮，n为负载转矩，j为电机转动惯量。

4.基于Matlab的BLDC系统模型的建立
在Matlab的Simulink环境下，利用SimPowerSystemToolbox提供的丰富模块库,在分析BLDC数学模型的基础上，提出了建立BLDC控制系统仿真模型的方法，系统设计框图如图3所示。BLDC建模仿真系统采用双闭坏控制方案：转速环Ft!PID调节器构成，电流环rh电流滞坏调节器构成。根据模块化建模的思想，将图3所不的控制系统分割为各个功能的子模块。图3即为BLDC建模的整体控制框图。

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图3Matlab Simulink屮BLDC仿真建模整体控制框图S47unction

其屮主要包括：BLDCM木体模块、速度控制模块、参考电流模块、电流滞环控制模块、转矩计算模块和电压逆变器模块。把这些功能模块和S函数相结合，在Matlab/Simulink屮搭建出BLDC控制系统的仿真模熨，并实现双闭坏的控制算法。ft]于篇幅，其余各模

块的建模方法不再累述。

5.仿真结果

木文基于Matlab/Simulink建立了BLDC控制系统的仿真模型，并对该模型进行了

BLDC双闭环控制系统的仿真。仿真屮，BLDC电机参数设置为：定了?相绕纽电阻R=1Q,

定子相绕组自感L=0.02L,互感M=-0.061H,转动惯量J=0.005kg. m2，阻尼系数

B=0.0002N -m -s/racl,额定转速n= 1000i7min,极对数p=l,220V H流电源供电。离散PID控制器三个参数Kp=5,Ki二0.01,Kd二0.001,饱和限幅模块幅值限定在±35内,采样周期T二0.001s

。为了验证所设计的BI,DC控制系统仿真模型的静、动态性能，系统空载起动，待进入稳态后,在t=0.3s时突然加负载TL=5N-m,在t=0.65s时突然撤去负载。可得到系统转速、转矩、三相电流和三相反电动势仿真1山线如图所示。由仿真波形可以看出，在n=100(k/inin的参考转速

下，系统响应快速且平稳，相电流和反电动势波形较为理想。仿真波形图表明：起动阶段系

统保持转矩恒定，因而没冇造成较大的转矩和相电流冲击，参考电流的限幅作用十分有效；

在t= 0. 5s时突加负载,转速发生突降，但又能迅速恢复到平衡状态，稳态运行时无静羌。仿真

波形图屮，突加负载麻，负载转矩有较大的脉动，这主要是由电流换向和电流滞环控制器的

频繁切换造成的。木系统经过硬件试验，其结果与仿真波形一致，证明了木文所提出的这种

新型BLDC仿真建模方法的冇效性及控制系统的合理性。

图4转速响应曲线 图5转矩响应曲线

6.结论
木文在分析无刷直流电机数学模型的基础上，提出了一种新型的基于Matlab的BLDC控制系统仿真建模的方法，将该方法在Simulink环境下结合S函数构建了无刷肓流电机仿

真模熨，采用经典的速度、电流双闭环控制方法对该建模方法进行了测试，仿真和试验结果表

明：波形符合理论分析，系统能平稳运行，具有较好的静、动态特性。采用该BIDC仿真模

型，可以十分便捷地实现、验证控制算法，改换或改进控制策略也十分简单，只需对部分功能

模块进行替换或修改，而Simulink可以非常直接地构造控制系统并观察其结果，同时，该模型

提供的各仿真模块具有通用性。因此，它为分析和设计无刷育流电机控制系统提供了有效手段

和T具，也为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。 参考文献：

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