无刷直流电动机的数学模型及其仿真
设计与研究! #$%&’() *$%$+*, -"""""""""""""""""""""""""""""""
无刷直流电动机的数学模型及其仿真
杨浩东. 李
榕. 刘卫国
西安
0122034
西北工业大学. 陕西/
摘
要5研究了方波驱动无刷直流电动机/模型在:;建立了电机的动态数学模型. 并6789:4下的创建过程.
通过对实例电机的仿真. 给出了仿真波形. 验证了数学模型的有效性. 为无刷直流电动机仿真提供了通用模型? 中图分类号5C 1A :B
文献标识码5D
文章编号51221EF C G C /322B 42G E222C E2B
关键词5无刷直流电动机@仿真@数学模型
I 引
言
hh 每相绕组的自感d
e hh 每两相绕组间互感
f hh 微分算子
由于三相绕组为星形连接. 而且没有中线. 则有5
c b c b ‘2b ; >S
式联立得5/14i /34
无刷直流电动机由于去掉了普通直流电机的换向装置而改用电子换向. 兼有了直流电机易于控制和异步电动机结构简单的优点. 从而在军民各个领域得到了广泛应用? J 是/4K 6J L M N O K P Q
其中包:;下专门针对功率系统仿真的工具箱. 含有大部分电机以及各种功率模块和常用元件的数学模型. 创建一些电机控制系统模型十分方便快捷. 且与K U R V =U W T 结合易于实现各种电机控制算法仿
真? 但在J K 6中未包含无刷直流电动机的数学模型. 给无刷直流电动机的仿真带来了不便. 文中介绍了通过:;如何F X 1下J K 6和K U R V =U W T 的结合. 创建无刷直流电动机的动态数学模型. 最后通过对实例电机仿真. 给出了仿真波形. 证明了电机数学模型的正确性?
/34
; ; Ee 22[a 2b d
[2d Ee 2! >‘2a b >c [22b 22d Ee S S
; ; b g >c g >f b b g S S
电磁转矩方程为5
/B 4
‘j N
机械运动方程5
; ; >>S S
k
/G 4
Y 无刷直流电动机动态数学模型
假定无刷直流电动机工作在两相导通星形三相反电势波形为平顶宽度为1电角F 状态方式下. 32Z
电机在工作过程中磁路不饱和. 不计涡度的梯形波.
流和磁滞损耗. 三相绕组完全对称. 则三相绕组的电压平衡方程可以表示为5
; ; ; ; [a 2b d e e b g [d e f b >‘2a b >c e >c g >[22b e e d b g S S S S
E j ‘l /H 4j N
m n
式中. j 为负载转矩. l 为转子惯性矩. k 为机械角速度?
反电势g 图1为g . . g g ; >S 波形为梯形波. ; 的波形. 电角度的梯形波
? . . 32Z g g g ; >S 为互差1
/14
式中
. . hh 定子相绕组电压[[[; >S
. . hh 定子相绕组电流b b b ; >S . . hh 定子绕组电动势g g g ; >S
收稿日期
! " #电机电压方程模型
根据电机电压方程$可以得出电机等效模型%&如图’所示(反电势可以由) *+中可控电压源实现
,
%
无刷直流电动机的数学模型及其仿真
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
杨浩东， 李榕， 刘卫国
西北工业大学,陕西,西安,710072微电机
MICROMOTORS SERVO TECHNIQUE2003，36(4)15次
1. 李钟明. 刘卫国 稀土永磁电机 19992. 陈桂明. 张明着 应用MATLAB建模与仿真 2001
3. 邓兵. 潘俊民 无刷直流电机控制系统计算机仿真[期刊论文]-计算机仿真 2002(05)
4. 周波. 赵剑锋. 羊俊 无刷直流电动机系统的PSpice建模与仿真方法[期刊论文]-数据采集与处理 1999(01)
1.期刊论文 张会焱. ZHANG Hui-yan 无刷直流电动机启动过程的Matlab仿真 -电脑知识与技术2009,5(10)
该文主要讨论的是无刷直流电动机启动仿真.首先建立了无刷直流电动机的数学模型,然后详细讨论了无刷直流电动机的三相导通三相星形六状态下磁势随电流流向的改变而改变的情形并给出了启动过程的动态仿真.最后给出了仿真的结果.该文还讨论了电动机参数改变情况下的仿真结果的变化.
2.学位论文 张军 无刷直流电动机无传感器控制系统的设计及仿真 2004
该文对无刷直流电动机(BLDC)的无位置传感器控制技术进行了较为深入的研究,针对以往无刷直流电动机无传感器控制系统存在的一些问题,设计了一个基于数字信号处理器(DSP)的无刷直流电动机无传感器控制系统,并通过仿真验证了系统控制方案的有效性和可行性.论文首先介绍了该课题的学术背景和国内外在该方向的研究现状,在分析、综合以往的研究成果基础上,针对无刷直流电动机无传感器控制的若干关键技术给出了实际应用中切实可行的解决方案:转子位置检测采用基于定子反电势的端电压法,即通过检测电动机定子绕组开路相的反电势过零点来确定转子的位置,进而得到定子绕组的换向信息;开环起动策略采用转子预定位法并由软件算法控制实现,从而简化了系统的硬件电路,节约了系统成本;无传感器控制所需的电流、电压反馈信号由分流电阻和简单实用的分压电路来得到;速度调节所需的速度反馈信号由反电势法间接得到的换向信息经过简单的数学运算后得到.接下来该文对系统硬件电路设计中将应用到的两个核心芯片--TI公司的电机控制专用DSP芯片TMS320LF2407和IR公司推出的MOS功率器件专用栅极驱动集成电路芯片IR2130做了必要的介绍,在此基础上详细地介绍了系统的硬件电路的设计,并对在电路中有特殊用途的元器件的选择作了深入的分析与详细的论述.硬件是一个系统的物理实体,软件以硬件为载体,硬件通过软件发挥作用.论文紧接着系统的硬件设计介绍了控制算法软件设计的思想,给出了软件设计框图,并细致深入地说明了几个比较重要的控制子程序的功能和具体实现过程.最后,该文在分析无刷直流电动机数学模型的基础上,在
Matlab/Simulink中建立了BLDC本体模块,搭建了无刷直流电动机有传感器和无传感器控制系统的仿真模型,对无刷直流电动机有传感器控制系统的运行过程和无传感器控制的开环起动过程与无传感器闭环运行过程进行了仿真,仿真结果表明基于转子预定位法的恒频升压和变频升压起动方式能使电动机可靠地起动,并具有较快的起动时间;验证了基于定子绕组反电势的转子位置检测方法的有效性.
3.学位论文 姜华 无刷直流电动机变频调速系统的研制 2006
无刷直流电动机(Permanent Magnet Brushless DC Motor简称BLDCM)利用电子换向器取代了机械电刷和机械换向器，因此使这种电动机不仅保留了传统直流电动机的优点，而且又具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，这使得它一出现就以极快的速度发展和普及。然而，位置传感器虽然为无刷直流电动机的转子位置检测提供了最直接的方法，但是它也使电动机增加了体积和信号线，更增加了电动机制造的工艺要求和成本。因此，近年来出现了无位置传感器无刷直流电动机，它通常仅采用计算的方法实现转子位置检测，这使得无位置传感器无刷直流电动机日益在变频调速领域成为一个新兴的瞩目对象，并被越来越广泛地运用到工业和民用领域。
本文在介绍了变频技术的概况和无刷直流电动机的结构、工作原理和控制方式的基础上，阐述了所研制的无位置传感器无刷直流电动机变频系统基于DSP控制器的系统构架和控制实现方式。本文采用目前常见和应用最广泛的感应电动势法实现了电动机转子位置的检测，并针对现有常见仿真软件中都没有无刷直流电动机仿真模型的现状，使用Matlab/Simulink利用分段线性化法的思想完成了无刷直流电动机梯形波感应电动势的建模，得到实用化和通用化的无刷直流电动机仿真模块。
另一方面，由于无位置传感器无刷直流电动机是一种自控式变频调速系统，也是一种强耦合、多变量、非线性、时变的复杂系统，因此传统的PID控制器不能达到良好的控制性能。针对这个问题，本文通过Simulink仿真试验设计了一种可变参数PI控制器，对电机转速进行调节。仿真结果表明，该方法大大改进了传统PI控制器的调节性能，有一定的实际应用价值。
在理论分析和仿真试验的基础上，本文还详细介绍了所研制的无位置传感器无刷直流电动机变频调速系统各功能模块的硬件设计及系统实现。并最后完成了整个样机试验系统，为该系统的商品化奠定了基础。
4.期刊论文 鲍晓华. 王群京. BAO Xiao-hua. WANG Qun-jing 不同切换角下PWM控制的无刷直流电动机仿真 -微特电机2005,33(7)
结合无刷直流电动机和PWM控制技术的特点,给出了PWM控制无刷直流电动机的数学模型,并给出了不同切换角下的仿真结果.
5.学位论文 韦海文 六相无刷直流电动机的研究 2004
直流电动机具有运动效率高和调速性能好等诸多优点,但传统的直流电动机均采用电刷,以机械方法进行换向,因而存在致命弱点,再加上制造成本高及维修困难等缺点,从而限制了它的应用范围.近年来随着永磁材料、现代电力电子技术、计算机技术和现代控制理论的迅猛发展而成熟起来的永磁无刷直流电动机(Brushless Direct Current Motor-BIDCM)具有体积小、重量轻、效率高、噪音低且可靠性高的特点,因而得到了广泛的应用.该文研究的对象是由两套三相无刷直流电动机组成的六相无刷直流电动机,每套绕组三相对称,两套绕组对应相之间相差30°电角度.重点研究六相无刷直流电机的转矩特性和系统的可靠性.在分析无刷直流电动机电磁转矩产生原理的基础上,阐述了三相无刷直流电动机转矩脉动的原因,在此基础上提出六相无刷直流电动机.分析结果表明,六相无刷直流电动机的转矩特性优于三相无刷直流电机,并且系统的可靠性也较高.该文对无刷直流电动机的工作原理进行了详尽的分析,建立了三相和六相无刷直流电动机的数学模型.并利用MATLAB/SIMULINK软件建立了三相和六相无刷直流电动机的系统仿真模型.该系统仿真模型采用双闭环控制,内环为电流环(采用滞环调节),外环为速度环(采用PI调节).对所得的仿真结果进行分析,表明与理论分析相吻合,证明了六相无刷直流电动机仿真模型的正确性.对两套绕组可能出现的故障进行仿真分析,结果表明六相无刷直流电动机具有较强的容错能力.由此得出结论,该文提出的六相无刷直流电动机方案是可行的.由于绕组在电机的结构中占有相当重要的位置,该文利用槽号相位表,设计了三相和六相无刷直流电动机的绕组.对槽号的分配,线圈的连接作了详细地说明.该文还对三相和六相无刷直流电动机定子绕组的磁势进行了谐波分析,分析结果表明了六相无刷直流
6.期刊论文 李亚东. 杨冠鲁. LI Yadong. YANG Guanlu 基于Lab Windows/CVI的无刷直流电动机转速控制仿真系统研究 -机床与液压2008,36(7)
基于Lab Windows/CVI强大的图像设计与处理功能,设计了电网波动对无刷直流电动机转速控制的影响的仿真系统,并采用扩充临界比例法进行整定的数字PID控制来减小这种影响.实践表明,该系统能有效地仿真电网波动对无刷直流电动机转速控制的影响,并可用于电网参数的计算.
7.期刊论文 李玉忍. 陈志磊. LI Yu-ren. CHEN Zhi-lei 无刷直流电动机起动方法及其仿真 -微特电机2008,36(6)
介绍了一种适合于负载情况下,基于DSP的三相导通升频升压同步无传感器无刷直流电动机的起动方法,并进行了仿真验证,证明该方法在无刷直流电动机带载情况下,电动机起动稳定和可靠,系统运行性能良好.
8.学位论文 吴凯 一种新型无刷直流电动机系统的研究 1998
无刷直流电动机是一种性能优良了电机,在现代社会的各个领域得到了越来越广泛的应用.该文以研制一种新型无刷直流电动机系统为目的,对这种电机的特性和转子位置检测方法进行了研究,主要工作包括以下内容:研究了一种新型的无刷直流电动机,其内部带有位置传感线圈,通过对这些传感线圈电感量的检测,得到了电机的转子位置信号,从而使系统不需要安装外加的转子位置传感器.首次推导了这种新型电机直槽时和斜槽时的谐波转矩公式,探讨了电磁转矩和定位转矩各次谐波的性质和幅值大小,以及斜槽对各次谐波转矩幅值大小的影响.首次提出了一种时变自感和互感的PSPICE仿真模型,对电机的位置传感器线圈及位置检测电路进行了仿真,仿真和实验结果吻合得很好.研究了无刷直流电动机转子位置的端电压检测法和续流二极管工作状态检测法,根据这两种方法,分别研制了一套无刷直流电动机系统,实现了方波无刷直流电动机的无位置传感器运行,系统工作稳定可靠.
9.期刊论文 卫国爱. 全书海. 朱忠尼. WEI Guo-ai. QUAN Shu-hai. ZHU Zhong-ni 电动汽车驱动用无刷直流电动机的控制与仿真 -电机与控制应用2009,36(1)
通过对无刷直流电动机(BLDCM)数学模型的分析,建立了BLDCM的动态仿真模型,确定了调速控制系统的结构.利用MATLAB 7.0/Simulink仿真软件,对BLDCM及其双闭环调速控制系统的阶跃响应进行了仿真.仿真结果表明:BLDCM的机械特性较软,但当其采用了转速、电流双闭环调速控制系统后,电机的机械特性得到了明显改善;另外,它还具有响应快、控制精度高、抗干扰能力强等特点,可满足电动汽车驱动的要求.试验结果与理论分析相一致.
10.学位论文 刘庆华 新型无刷直流电动机驱动系统的设计和开发 1999
无刷直流电动机系统(BLDCM)是近年来迅速发展起来的一种新型交流调速系统.由于它既具备交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等一第列优点,又具备直流电动机运行效率高、易控制以及调速性能好等特性,因而广泛应用于电动汽车驱动系统中.该文首先简要介绍了电动汽车的发展历程,分析了电动车驱动系统对电力电子技术的要求,对电力电子技术在电动车中的应用及最新发展进行了评述.其次,详细阐述了该课题中无刷直流电动机的工作原理、基本特性和控制方法;分析了无刷直流电动机的数学模型,然后运用Matlab/Simulink仿真工具,建立了驱动系统的仿真模型库,进而对无刷直流电动机及其逆变器主电路进行了仿真分析.在仿真研究的基础上,对系统的控制方式和电路设计进行了改进,取得了较好的控制效果.
1. 孙银川. 马瑞卿. 王穆移 基于模糊控制的燃油泵系统建模与仿真[期刊论文]-微电机 2010(3)2. 基于模糊PI控制的无刷直流电机调速系统仿真[期刊论文]-计算机仿真 2009(10)3. 李程. 马瑞卿 无刷直流电动机航空电动锁控制系统研究[期刊论文]-微特电机 2009(8)
4. 孙自勇. 李广波. 侯强. 程景萌 基于DSP的无刷无位置直流电动机调速系统的研究[期刊论文]-电力系统保护与控制 2009(10)
5. 罗玲. 刘卫国. 马瑞卿. 窦满峰 永磁无刷电机方波和正弦波驱动的转矩研究[期刊论文]-测控技术 2008(11)6. 欧阳中盈. 张奕黄 无刷直流电机及控制系统的SIMULINK建模与仿真[期刊论文]-电机技术 2007(5)7. 吴自瑜. 赵晓蓓. 刘爱军. 连善强 无刷直流电动机位置伺服系统的变结构控制[期刊论文]-微特电机 2006(1)8. 张秀香 无刷直流电动机的数学模型建立及参数辨识[期刊论文]-兰州工业高等专科学校学报 2006(4)9. 靳红涛. 焦宗夏. 李成功. 周汝胜 冗余直接驱动伺服作动系统建模与特性分析[期刊论文]-北京航空航天大学学报 2006(9)
10. 周健 无刷直流电机的无位置和无速度传感器控制的研究[学位论文]硕士 200611. 吴自瑜 永磁无刷直流电动机精密控制系统研究[学位论文]硕士 200612. 刘春所 三相永磁无刷直流电机及驱动控制策略研究[学位论文]硕士 200513. 翟筱羿 双定子永磁无刷直流电机控制系统研究[学位论文]硕士 200514. 胡亚山 数字式双余度电动舵机伺服放大器研究[学位论文]硕士 2005
15. 葛新. 韩光鲜. 王宗培 无刷直流电动机的实用仿真模型[期刊论文]-微电机 2004(2)
本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_wdj200304002.aspx
授权使用：内蒙古大学(nmgdxip)，授权号：55f3dcab-f357-4fb9-93ab-9ec8008c671d
下载时间：2011年4月17日