【正文】 電動(dòng)勢(shì)常量 。剛開(kāi)始的上升狀態(tài)是由于電機(jī)自身啟動(dòng)的過(guò)程產(chǎn)生的誤差，可以忽略。 (2) 仿真模型 狀態(tài)方程模塊仿真模塊，選用 Simulink 自帶的 StateSpace 模塊，輸入 A、 B、 C、 D 的值，即可輸出 a b ci i i、 、 、 mw 、 m? 的波形，如下圖 所示。39。39。 (1) 數(shù)學(xué)模型： ? 狀態(tài)方程定義： 狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)信息的集合，在表征系統(tǒng)信息的所有變量中，能夠全部描述系統(tǒng)運(yùn)行的最小數(shù)目的一組獨(dú)立變量稱為系統(tǒng)的狀態(tài)變量，其選取 不是唯一的。 其仿真主要包括四部分子模塊：狀態(tài)方程模塊、反相電動(dòng)勢(shì)計(jì)算模塊、霍爾信號(hào)反饋模塊和力矩計(jì)算模塊。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的稀土永磁體磁鋼與稀土永磁有刷電動(dòng)機(jī)中所使用的永久磁鋼作用相似，均是在電動(dòng)機(jī)的氣隙 中建立足夠的磁場(chǎng)，其不同之處在于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中永久磁鋼安裝在轉(zhuǎn)子上，而有刷直流電動(dòng)機(jī)的磁鋼安裝在定子上。最 后，這些電壓信號(hào)輸入直流無(wú)刷本體模塊中，形成新一輪霍爾信號(hào)。最后，進(jìn)行總體測(cè)試，加入實(shí)際數(shù)據(jù)，進(jìn)行檢測(cè)。 4. 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果 在完成以上工作后，就可以進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)了，通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析來(lái)對(duì)仿真模型與仿真程序進(jìn)行檢驗(yàn)和修改，如此反復(fù)，直至滿意的實(shí)驗(yàn)效果為止?？刂葡到y(tǒng)模型可分為靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型，靜態(tài)模型描述的是控制系統(tǒng)變量之間的靜態(tài)關(guān)系，動(dòng)態(tài)模型描述的是控制系統(tǒng)變量之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。構(gòu)架在 Simulink 基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了 Simulink 多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。 Simulink 可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中 的不同部分具有不同的采樣速率。下圖 的換相圖，該圖中可觀察到霍爾信號(hào) (H H H3)的換相規(guī)律，反饋電壓以及線圈相電流的換相規(guī)律： 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 Matlab 的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真 13 圖 霍爾信號(hào)、反相電動(dòng)勢(shì)、相電流換相圖 由上圖 可以觀察出如下規(guī)律： 霍爾信號(hào) H1,H2,H3 按照 100— 110— 010— 011— 001— 101 循環(huán)跳轉(zhuǎn)； 電流 a b ci i i、 、 滿足公式： 0a b ci i i? ? ? ； 反電動(dòng)勢(shì)滿足：電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò) 60176。知道了誤差自然就要補(bǔ)償，方式有傳統(tǒng)的工程控制如 。至于低轉(zhuǎn)速的速度控制尤其是低速起動(dòng)則因?yàn)榛貍鞯?hall傳感器信號(hào)變化變得更慢，怎樣擷取信號(hào)方式、處理時(shí)機(jī)以及根據(jù)電機(jī)特性適當(dāng)配置控制參數(shù)值就顯得非常重要。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，控制部會(huì)再根據(jù)驅(qū)動(dòng)器設(shè)定的速度及加 /減速率所組成的命令與 hall傳感器信號(hào)變化的速度加以比對(duì)再來(lái)決定由下一組開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，以及導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)短。如上圖 Q Q Q5(這些稱為上臂功率晶體管 )及 Q Q Q6(這些稱為下臂功率晶體管 )，使電流依序流經(jīng)電機(jī)線圈產(chǎn)生順向 (或逆向 )旋轉(zhuǎn)磁 場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，如此就能使電機(jī)順時(shí) /逆時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。 直流電源 開(kāi)關(guān)電路 電動(dòng)機(jī) 位 置傳感器 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 Matlab 的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真 10 下圖 2 即為直流無(wú)刷電機(jī)的三相全控電路簡(jiǎn)圖： 圖 三相全控電路 圖中： ab bc caV V V、 、 表示相電壓（即圖中 A 點(diǎn)到 B 點(diǎn)間的電壓）； a b ci i i、 、 表示三相電流（如圖中電流）； a b ce e e、 、 表示反電動(dòng)勢(shì)； R、 L 表示線圈電阻和電感； 要讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，首先就必須根據(jù) hall位置傳感器感應(yīng)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子目前所在位置，霍爾元器件一般與繞組相數(shù)相同或者比繞組相數(shù)少一半。由于電子開(kāi)關(guān)線路的導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機(jī)械轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向作用。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 Matlab 的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真 9 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)線路三部分組成。 現(xiàn)今半導(dǎo)體發(fā)展迅速功率組件切換頻率加快許多，提升驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能。 3)它的效率與轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)保持同步關(guān)系，不會(huì)發(fā)生失步、震蕩等現(xiàn)象。 永磁無(wú)刷直流電機(jī)同其它電機(jī)相比具有的優(yōu)點(diǎn)： 1)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)沒(méi)有電刷、而是利用電子換相，故克服了任何有電刷引起的問(wèn)題。但直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)也正是它的缺點(diǎn)，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)要產(chǎn)生額定負(fù)載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能，則電樞磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)須恒維持90176。 隨著直流無(wú)刷電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求也日益提高：簡(jiǎn)易、成本低廉、控制算法臺(tái)理、開(kāi)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)。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(dòng)化領(lǐng)域迅速發(fā)展。之后，國(guó)際上對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了深入的研究，先后研制成方波無(wú)刷電機(jī)和正弦波直流無(wú)刷電機(jī)。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(jì) 基于 Matlab 的直流無(wú)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(jì) 基于 Matlab 的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真 6 基于 Matlab 的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真 常澄 021406201 0 引言 直流電動(dòng)機(jī)以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但普通的 直流電動(dòng)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(shí)產(chǎn)生電磁干擾，噪聲 大，影響了 直流電動(dòng)機(jī) 在控制系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用。本文以直流無(wú)刷電機(jī)的控制方法為核心，構(gòu)成一個(gè)三相全控電路的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，提出其設(shè)計(jì)和軟件仿真實(shí)現(xiàn)方案，通過(guò)該模型驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可實(shí)施性。直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)。電機(jī)主要類型主要有同步電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)三種。 建立無(wú)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(jì)時(shí)間，及時(shí)驗(yàn)證施加于系統(tǒng)的控制算法，觀察系統(tǒng)的控制輸出；同時(shí)，可以充分利用計(jì)算機(jī)仿真 的優(yōu)越性，人為的加入不同的擾動(dòng)和參數(shù)變化，以便考察系統(tǒng)在不同情況下的動(dòng)、靜態(tài)特性。 關(guān)鍵詞： 直流無(wú)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(jì) 基于 Matlab 的直流無(wú)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。而電子換相的無(wú)刷直流電 動(dòng)機(jī)真正進(jìn)入實(shí)用階段，是在 1978 年的 MAC 經(jīng)典無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器的推出。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 不僅保持了傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)良好的動(dòng)、靜態(tài)調(diào)速特性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、易于控制。在相同的條件下，驅(qū)動(dòng)電路要獲得方波比較容易，且控制簡(jiǎn)單，因而 BLDCM 的應(yīng)用較 PMSM 要廣泛的多。 1 直流無(wú)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(dòng)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。交流電機(jī)沒(méi)有碳 刷及整流子，免維護(hù)、堅(jiān)固、應(yīng)用廣，但特性上若要達(dá)到相當(dāng)于直流電上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 Matlab 的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真 8 機(jī)的性能須用復(fù)雜控制技術(shù)才能達(dá)到。改善了電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。 4)稀土永磁材料的高磁能積，使得電機(jī)可明顯降低重量、減小體積．轉(zhuǎn)矩慣量比大，過(guò)載能力強(qiáng)，尤其低轉(zhuǎn)速時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩大。 綜上所述，直流無(wú)刷電機(jī)就是是以電子方式控制交流電機(jī)換相，其擁有類似直流電機(jī)的特性，但又排除了直流電機(jī)機(jī)構(gòu)上缺失，從而成為了現(xiàn)代自動(dòng)化控制行業(yè)的主流電機(jī)產(chǎn)品。當(dāng)定子繞組某一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再有位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信號(hào)，去控制電子開(kāi)關(guān)線路，從而使定子各相繞組按一定順序?qū)āＲ虼?，在本文中，采用三相全控電路的兩兩通電方式作為控制電路? 接著，依照定子繞線決定開(kāi)啟 (或關(guān)閉 )逆變器中功率晶體管的順序。此外因?yàn)殡娮恿慵傆?開(kāi)關(guān)的響應(yīng)時(shí)間，所以功率晶體管在關(guān)與開(kāi)的交錯(cuò)時(shí)間要將零件的響應(yīng)時(shí)間考慮進(jìn)去，否則當(dāng)上臂 (或下臂 )尚未完全關(guān)閉，下臂 (或上臂 )就已開(kāi)啟，結(jié)果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。高轉(zhuǎn)速的速度控制必須考慮到系統(tǒng) 的 CLOCK 分辨率是否足以掌握處理軟件指令的時(shí)間，另外對(duì)于 hall傳感器信號(hào)變化的資料存取方式也影響到處理器效能與判定正確性、實(shí)時(shí)性。之前提到直流無(wú)刷電機(jī)是閉回路控制，因此回授信號(hào)就等于是告訴控制部現(xiàn)在電機(jī)轉(zhuǎn)速距離 目標(biāo)速度還差多少，這就是誤差 (Error)。電角度 。 2 基于 Matlab 直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì) Simulink 是 MATLAB 中的一種可視化仿真工具，是一種基于 MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)， Simulink 提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫(kù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。 1. 建立數(shù)學(xué)模型