基于Matlab的永磁無(wú)刷直流電機(jī)仿真控制系統(tǒng)

魏江鵬，文程祥，涂世軍

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西西安710064）

基于Matlab的永磁無(wú)刷直流電機(jī)仿真控制系統(tǒng)

魏江鵬，文程祥，涂世軍

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西西安710064）

首先介紹了永磁無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理及控制方式，然后利用Matlab中提供的永磁無(wú)刷直流電機(jī)模型，并添加逆變器模塊、換向邏輯模塊、直流無(wú)刷電機(jī)模塊、直流電源模塊等，搭建該電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)相應(yīng)的PID參數(shù)獲得不同轉(zhuǎn)速，利用仿真實(shí)驗(yàn)得到電機(jī)仿真數(shù)據(jù)，給出仿真結(jié)果并與理論分析一致。

Matlab；永磁無(wú)刷直流電機(jī)；仿真控制

永磁無(wú)刷直流電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子主要是由電樞繞組和永磁磁極組成，利用轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，通過(guò)邏輯換相電路來(lái)實(shí)現(xiàn)三相電樞繞組電子換向使電機(jī)正常旋轉(zhuǎn)。永磁無(wú)刷直流電機(jī)相比于有刷直流電機(jī)，由于摒棄了有刷直流電機(jī)的機(jī)械式換向結(jié)構(gòu)，所以既保留了有刷直流電機(jī)優(yōu)良的調(diào)速和起動(dòng)特性，又具有效率高，可靠性高，穩(wěn)定性好，適應(yīng)性強(qiáng)，維修與保養(yǎng)簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到人們的廣泛關(guān)注，并被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域[1]。本文首先介紹永磁無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制方式，然后根據(jù)matlab中給出的直流無(wú)刷電機(jī)模型，搭建控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，將仿真結(jié)果與理論分析進(jìn)行了比較。

1永磁無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理

永磁無(wú)刷直流電機(jī)在結(jié)構(gòu)上和永磁同步電機(jī)相同，但其工作原理與永磁同步電機(jī)有本質(zhì)的區(qū)別，永磁無(wú)刷直流電機(jī)三相繞組通梯形波電壓驅(qū)動(dòng)而永磁同步電機(jī)三相繞組通正弦交流電驅(qū)動(dòng)[2]。無(wú)刷直流電機(jī)的繞組形式主要有星形繞組和封閉式繞組，繞組形式的不同將影響電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)波形，進(jìn)而影響到電機(jī)的性能[3]。對(duì)于永磁無(wú)刷電機(jī)，隨著電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，霍爾位置傳感器檢測(cè)到轉(zhuǎn)子磁極的變化，產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，經(jīng)過(guò)電子換相邏輯電路處理，產(chǎn)生六路開(kāi)關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)V1-V6等六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件，從而保證了電機(jī)向一個(gè)方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。其原理如圖1所示。

圖1 直流無(wú)刷電機(jī)原理圖

以永磁無(wú)刷直流電機(jī)的二相導(dǎo)通星形六狀態(tài)為研究對(duì)象分析其工作原理。所謂的二相導(dǎo)通星形六狀態(tài)，就是定子繞組接法是星形接法，每個(gè)時(shí)刻三相逆變橋只有兩相導(dǎo)通，比如A相V1導(dǎo)通B相V6導(dǎo)通。通過(guò)功率開(kāi)關(guān)兩兩導(dǎo)通得到可控的電壓，來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。定子三相電樞電流合成磁動(dòng)勢(shì)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)從N極流出又回到S極，換相邏輯電路產(chǎn)生的六路信號(hào)使其中兩個(gè)對(duì)應(yīng)的功率管導(dǎo)通，其余功率管關(guān)斷。電流從電源正極出發(fā)，從繞組的一相流入，再?gòu)牧硪幌嗔鞒?，最后流回電源?fù)端形成一個(gè)通路。轉(zhuǎn)子位置傳感器即霍爾傳感器可以根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極變化，產(chǎn)生相差120°的U、V、W方波，結(jié)合正反轉(zhuǎn)信號(hào)產(chǎn)生有效的6狀態(tài)編碼信號(hào)：101、100、110、010、011、001[4].控制電路可以根據(jù)這些編碼信號(hào)反映轉(zhuǎn)子位置，并控制功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通順序，六個(gè)功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通順序是：V1V6、V1V2、V2V3、V3V4、V4V5、V5V6.在一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，電樞磁動(dòng)勢(shì)每過(guò)60電角度跳躍一次，轉(zhuǎn)子磁極與定子磁勢(shì)總是在60°～120°變化，保證電機(jī)朝著同一個(gè)方向不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。

2永磁無(wú)刷直流電機(jī)的Matlab仿真

2.1 Matlab仿真模型

在Matlab2015中，simulink給出了永磁無(wú)刷直流電機(jī)的模型（PermanentMagnetSynchronousMachine），可以很方便地調(diào)用該模型。永磁無(wú)刷直流電機(jī)仿真模型回路如圖2所示，該模型通過(guò)IGBT功率開(kāi)關(guān)與電機(jī)模型相連，通過(guò)控制IGBT功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)閉可以使電機(jī)得到可調(diào)的電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。電源和IGBT共同組成逆變器模塊，逆變器模塊兼具電子換向和PWM電流調(diào)節(jié)作用[5]。最后通過(guò)換向邏輯模塊和速度控制模塊連接，形成轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)仿真反饋回路。換向邏輯模塊可以根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置控制IGBT功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)閉，PID速度調(diào)節(jié)模塊可以調(diào)節(jié)PID參數(shù)使目標(biāo)轉(zhuǎn)速與反饋回路反饋的轉(zhuǎn)速的差值轉(zhuǎn)換為速度控制信號(hào)，調(diào)節(jié)電機(jī)達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

圖2 永磁直流無(wú)刷電機(jī)仿真模型

2.2 仿真結(jié)果分析

通過(guò)經(jīng)驗(yàn)法調(diào)節(jié)PID控制參數(shù)，得到KP=0.1，KI=1，KD=0.05，在Matlab中的仿真結(jié)果中，電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速和扭矩信號(hào)如圖3所示，電機(jī)的轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定在1000 r/min，達(dá)到了預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。通過(guò)圖3可以看出電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間較短，且超調(diào)量小，電機(jī)具有理想的啟動(dòng)特性和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特性。電機(jī)的扭矩信號(hào)顯示，電機(jī)在啟動(dòng)階段轉(zhuǎn)矩升高，由于電機(jī)空載，因此轉(zhuǎn)速達(dá)到1 000 r/min并穩(wěn)定后，扭矩基本為0，仿真結(jié)果與理論分析一致。實(shí)際電機(jī)控制過(guò)程由于外界因素的干擾，PID參數(shù)可能與仿真結(jié)果有出入，仿真中的PID參數(shù)可做參考使用。

圖3 電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩信號(hào)

3結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)matlab搭建永磁無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模型，并進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果與理論分析預(yù)期結(jié)果一致，并具有啟動(dòng)迅速，超調(diào)量小等優(yōu)點(diǎn)，使用PID控制方法的得到了理想的結(jié)果。該仿真結(jié)果可以為電機(jī)研究人員提供參考。

[1]劉剛，王志強(qiáng)，房建成.永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]譚建成.永磁無(wú)刷直流電機(jī)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[3]夏長(zhǎng)亮，方紅偉.永磁無(wú)刷直流電機(jī)及其控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27（3）：25-34.

[4]李剛，黃海橋.基于MATLAB的永磁無(wú)刷直流電機(jī)仿真研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（S1）：224-226.

[5]王亞茹，宋曉梅，何程，等.基于Matlab無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真[J].西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，29（3）：336-340.

Simulation and ControlSystem ofPermanentMagnetBrushless DCMotor Based on MATLAB

WEIJiang-peng，WEN Cheng-xiang，TU Shi-jiun
（Chang’an University，Xian Shaangxi 710064，China）

This paper first introduces the permanentmagnet brushless DC motor structure principle and control mode，and then use the MATLAB provided in the permanent magnet brushless DC motor model，and add the invertermodule，commutation logicmodule，speed control system of themotor，themotor simulation data obtained through simulation experiments.The simulation results are consistentwith the theory analysis.

MATLAB；permanentmagnet brushless DCmotor；simulation control

TP391.9

A

1672-545X（2016）12-0047-02

2016-09-17

魏江鵬（1990-）男，陜西榆林人，碩士研究生，研究方向：機(jī)械電子工程。