【正文】 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 基于 Matlab 的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真 1 目 錄 摘要???????????????????????????? 3 ABSTRACT?????????????????????????? 4 0 引言??????????????????????????? 6 1 直流無刷電機(jī)基本原理??????????????????? 7 1． 1 直流無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu) ?????????????????? 9 1． 2 直流無刷電機(jī)的控制 ?????????????????? 9 2 基于 Matlab 直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型設(shè)計 ??????? 13 2． 1 系統(tǒng)仿真組成模塊???????????????????? 15 2． 1． 1 直流無刷電機(jī)本體仿真模塊 ?????????????? 16 a ) 狀態(tài)方程仿真模塊???????????????????? 17 (1) 數(shù)學(xué)模型 ??????????????????????? 17 (2) 仿真模型???????????????????????? 20 (3) 模塊 檢測 ???????????????????????? 20 b ) 反相電動勢計算模塊 模塊???????????? ????? 21 (1) 數(shù)學(xué)模型 ??????????????????????? 21 (2) 仿真模型 ??????????????????????? 22 (3) 模塊 檢測 ???????????????????????? 22 c ) 霍爾信號反饋模塊 ???????????????????? 23 (1) 數(shù)學(xué)模型???????????????????????? 23 (2) 仿真模型???????????????????????? 25 (3) 模塊 檢測 ????????????????????? ??? 27 d )力矩計算仿真模塊???????????????????? 28 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 基于 Matlab 的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真 2 (1) 數(shù)學(xué)模型 ??????????????????????? 28 (2) 仿真模型 ??????????????????????? 29 (3) 模塊 檢測 ???????????????????????? 30 2． 1． 2 電壓逆變器仿真模塊????????????????? 32 (1) 數(shù)學(xué)模型 ??????????????????????? 32 (2) 仿真模型???????????????????????? 33 (3) 模塊 檢測 ???????????????????????? 34 2． 1． 3 譯碼器仿真模塊??????????????????? 35 (1) 數(shù)學(xué)模型 ??????????????????????? 35 (2) 仿真模型???????????????????????? 36 (3) 模塊 檢測 ???????????????????????? 36 2． 1． 4 PWM 波形仿真模塊?????????????????? 37 (1) 數(shù)學(xué)模型 ??????????????????????? 38 (2) 仿真模型 ??????????????????????? 39 (3) 模塊 檢測 ???????????????????????? 39 3 實例仿真 ???????????????????????? 40 3． 1 直流無刷電機(jī)數(shù)據(jù)設(shè)置 ????????????????? 40 3． 2 仿真結(jié)果 ??????????????????????? 41 4 結(jié)束語?????????????????????????? 43 5 參考文獻(xiàn)????????????????????????? 45 6 譯 文??????????????????????????? 47 7 原文說明????????????????????????? 61 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 基于 Matlab 的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真 3 摘 要 一個多世紀(jì)來，電動機(jī)作為能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已經(jīng)遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域以及人們的日常生活中。電機(jī)主要類型主要有同步電動機(jī)、異步電動機(jī)與直流電動機(jī)三種。直流電動機(jī)運行效率高、調(diào)速性能好等優(yōu)點。但普通的 直流電動機(jī) 由于需要機(jī)械換相和 電刷，可靠性差，需要經(jīng)常維護(hù)，換相時產(chǎn)生電磁干擾，噪聲大，影響了 直流電動機(jī)在控制系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用。直流無刷電機(jī)外形小，效率高，在現(xiàn)代工業(yè)自動化控制市場得到了廣泛的應(yīng)用，利用其生產(chǎn)的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)也在當(dāng)代閥門控制領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位。 建立無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的可視化仿真模型，可以有效的節(jié)省控制系統(tǒng)的設(shè)計時間，及時驗證施加于系統(tǒng)的控制算法，觀察系統(tǒng)的控制輸出；同時，可以充分利用計算機(jī)仿真 的優(yōu)越性，人為的加入不同的擾動和參數(shù)變化，以便考察系統(tǒng)在不同情況下的動、靜態(tài)特性。本文以直流無刷電機(jī)的控制方法為核心，構(gòu)成一個三相全控電路的直流無刷電動機(jī)控制系統(tǒng)，提出其設(shè)計和軟件仿真實現(xiàn)方案，通過該模型驗證設(shè)計方案的可實施性。此仿真模型主要分為直流無刷電機(jī)本體模塊、逆變器仿真模塊、譯碼電路模塊和 PWM 波產(chǎn)生模塊組成。本文詳細(xì)介紹了各模塊的數(shù)學(xué)模型及其仿真模型，并驗證了控制系統(tǒng)仿真模型的正確性。 關(guān)鍵詞： 直流無刷電機(jī)，控制系統(tǒng)，仿真 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 基于 Matlab 的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真 4 Simulation Of Brushless DC Motor Control System Based On Matlab ABSTRACT More than a century, Electric motor act as electrical energy conversion device,its use has spread in all fields of national economy and people39。s daily are main types of motor synchronous motor, asynchronous motor and DC motor has high efficiency and good speed for the mon DC motor has the need of mechanical brush, it requires frequent maintenance. Also electromagic interference generated when mutation and it affects the DC motor control system in the further DC motor has pact shape but high efficiency,and it has been widely used in modern automation control industrial . The BLDC actuator has Valve control in the field of contemporary a visual simulation model of Brushless DC motor control system can save time of designing a control system,also can Verify the control algorithm applied in the system and Observation system control the same time, Computer simulation can take advantage of the superiority of human disturbance and the addition of different parameters in order to examine the system in different situations dynamic and static this paper, brushless DC motor control method as the core, forming a threephase fullcontrolled circuit of the DC brushless motor control system, to submit their design and realization of software simulation program, verified by the model of design schemes can be simulation model consists of brushless DC motor body module, inverter simulation module, decoding circuit module and the PWM wave generator module. This paper describes a mathematical model of each module and the simulation model and 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 基于 Matlab 的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真 5 verify the control system simulation model is correct. Key words: Brushless DC motor， control system， simulation 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 基于 Matlab 的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真 6 基于 Matlab 的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真 常澄 021406201 0 引言 直流電動機(jī)以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性在運動控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但普通的 直流電動機(jī) 由于需要機(jī)械換相和電刷，可靠性差，需要經(jīng)常維護(hù)；換相時產(chǎn)生電磁干擾，噪聲 大，影響了 直流電動機(jī) 在控制系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用。為了克服機(jī)械換相帶來的缺點，以電子換相取代機(jī)械換相的無刷電機(jī)應(yīng)運而生。 1955 年美國 D． Harrison 等人首次申請了用晶體管換相電路代替機(jī)械電刷的專利，標(biāo)志著現(xiàn)代 無刷電動機(jī) 的誕生。而電子換相的無刷直流電 動機(jī)真正進(jìn)入實用階段，是在 1978 年的 MAC 經(jīng)典無刷直流電動機(jī)及其驅(qū)動器的推出。之后，國際上對無刷直流電動機(jī)進(jìn)行了深入的研究，先后研制成方波無刷電機(jī)和正弦波直流無刷電機(jī)。 20 多年以來，隨著永磁新材料、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)以及電力電子技術(shù)特別是大功率開關(guān)器件的發(fā)展，無刷電動機(jī)得到了長足的發(fā)展。無刷直流電動機(jī)已經(jīng)不是專指具有電子換相的直流電機(jī)，而是泛指具有有刷直流電動機(jī)外部特性的電子換相電機(jī)。 無刷直流電動機(jī) 不僅保持了傳統(tǒng)直流電動機(jī)良好的動、靜態(tài)調(diào)速特性，且結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、易于控制。其應(yīng)用從最初的軍事工業(yè)，向航空航天、醫(yī)療、信息、家電以及工業(yè)自動化領(lǐng)域迅速發(fā)展。 在結(jié)構(gòu)上，與有刷直流電動機(jī)不同，無刷直流電動機(jī)的定子繞組作為電樞，勵磁繞組由永磁材料所取代。按照流入電樞繞組的電流波形的不同，直流無刷電動機(jī)可分為方波直流電動機(jī)（ BLDCM）和正弦波直流電動機(jī)上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 基于 Matlab 的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真 7 （ PMSM）， BLDCM 用電子換相取代了原直流電動機(jī)的機(jī)械換相，由永磁材料做轉(zhuǎn)子，省去了電刷；而 PMSM 則是用永磁材料取代同步電 動機(jī)轉(zhuǎn)子中的勵磁繞組，省去了勵磁繞組、滑環(huán)和電刷。在相同的條件下，驅(qū)動電路要獲得方波比較容易，且控制簡單，因而 BLDCM 的應(yīng)用較 PMSM 要廣泛的多。 隨著直流無刷電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，控制系統(tǒng)設(shè)計的要求也日益提高：簡易、成本低廉、控制算法臺理、開發(fā)周期短等都作為衡量其控制系統(tǒng)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。建立無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的可視化仿真模型，可以有效的節(jié)省控制系統(tǒng)的設(shè)計時間，及時驗證施加于系統(tǒng)的控制算法，觀察系統(tǒng)的控制輸出；同時，可以充分利用計算機(jī)仿真的優(yōu)越性，人為的加入不同的擾動和參數(shù)變化，以便考察系統(tǒng)在不同情況下的 動、靜態(tài)特性。本文以直流無刷電機(jī)的控制方法為核心，構(gòu)成一個三相全控電路的直流無刷電動機(jī)控制系統(tǒng)，提出其設(shè)計和軟件仿真實現(xiàn)方案，通過該模型驗證設(shè)計方案的可實施性。 1 直流無刷電機(jī)的基本原理 直流電機(jī)具有響應(yīng)快速、較大的起動轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能。但直流電機(jī)的優(yōu)點也正是它的缺點，因為直流電機(jī)要產(chǎn)生額定負(fù)載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能，則電樞磁場與轉(zhuǎn)子磁場須恒維持90176。 ，這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機(jī)轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生火花、碳粉因此除了會造成組件損壞之外，使用場合也受到限制。交流電機(jī)沒有碳 刷及整流子，免維護(hù)、堅固、應(yīng)用廣，但特性上若要達(dá)到相當(dāng)于直流電