无刷直流电动机模型文件的构造
无刷直流电动机模型文件的构造
在Matlab的集成开发环境中，Simulink提供了丰富的仿真模型库可供构造完整的BLDCM控制系统使用，并可以通过封装和扩充现有的模型库，根据自己的需要开发所需的模型，从而实现全图形化仿真。
图1 无刷直流电动机系统仿真模型
图1是本文所建立的无刷直流电动机系统的Simulink仿真模型图，功能模块包括：逆变器模块、电源模块、换相逻辑模块、PWM信号产生模块、电动机本体模块、转速测量模块和磁极位置测量模块。下面说明各个模块的设计方法。
1．逆变器功能模块
对于三相电压型PWM逆变器，由PWM信号来控制功率管的导通与关断，逆变器的输出为三相电压信号。由前面的分析知道，若逆变器的功率管采用两两导通的工作方式，那么在每一时刻就只有两个功率管导通，并且上下桥臂的两个功率管不能够同时导通。根据这些原理，设逆变器功率管开关信号为D1~D6；直流电源提供的电压信号为VDC；从电动机本体模块输出的三相绕组电流信号为ia,ib,ic；这三种变量一起作为逆变器功能模块的输入变量。逆变器输出变量为电动机的三相电压信号Ua,Ub,Uc和电源电流信号idc。可以在Simulink中用逻辑模块、数学模块等基本的运算模块搭建出电压源型逆变器功能模块的仿真模型。
2．直流电源功能模块
对于含有电容滤波的直流电源电路，设Rb为电池的内阻，电池的开路电压设为Eb，滤波电容值设为C。首先以电容电压为状态变量，建立电源电路的状态变量方程为：
VDC1EbVDC(iDC)dt CRb
根据上式的状态方程，在Simulink中利用基本的模块就可以建立直流电源功能模块的仿真模型，见图2所示。
图2 电源电路的仿真模型
3．脉宽调制功能模块
PWM模块的功能是通过换相逻辑模块为逆变器模块提供PWM信号，控制各个功率管的导通时间。由于无刷直流电动机控制系统要求的相电流为方波电流，则PWM信号就只需为等幅、等宽、等距的脉冲信号，那么从原理上就可以由一个频率固定的、最大值为1、最小值为0的三角波发生器与占空比给定值进行比较来获得。
4．换向逻辑功能模块
换向逻辑模块的功能是根据磁极的位置决定六个功率管的开关顺序，其输入为三个磁极位置信号，输出为逆变器功率管的开关逻辑信号。
5.转速测量功能模块
根据无刷直流电动机的运动方程，在Simulink中就可以建立电动机转速测量功能模块。
6．磁极位置传感器功能模块
在本文设计的无刷直流电动机系统中，采用了三个位置传感器，在空间位置上相差120安装在电动机上，每隔60电角度的时间对转子磁钢的位置进行一次检测。如果要求传感器的位置信号1/2周期为高电平，1/2周期为低电平，并且三个传感器位置信号的相位依次相差120，可以得到磁极位置传感器的仿真模型。
7．电动机本体功能模块
根据无刷直流电动机的数学模型，根据参考文献可以得到无刷直流电动机本体的Simulink仿真模型。功能模块的输入为逆变器输出的三相电压信号和电机转速反馈信号，输出量为三相绕组的负载电流和电动机的转矩信号。
将以上建立的各功能模块按照图1所示的关系进行有机地连接，并封装为一个子系统，就可以得到无刷直流电动机系统的仿真模型。图3为本文所构成的无刷直流电动机子系统。
图3无刷直流电动机子系统
图3中所建立的子系统输入信号D为PWM信号的占空比，可以作为双闭环调节系统中电流环的控制输出信号。子系统的输出包括：提供给电流控制环的电流检测信号ia,ib（由iaibic0就可以得到ic）；电机的转速和转矩Te，作为闭环调速系统中的反馈信号；电动机的某一相电压信号和磁极位置信号，用来检验仿真结果的正确性和监视系统参数。无刷直流电动机的负载可以通过设定输入信号LOAD来实现，设定值为负载转矩信号。