【正文】 直流電源 開關(guān)電路 電動機(jī) 位 置傳感器 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 10 下圖 2 即為直流無刷電機(jī)的三相全控電路簡圖： 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、 、 表示反電動勢； R、 L 表示線圈電阻和電感； 要讓電機(jī)轉(zhuǎn)動起來，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。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動起來，控制部會再根據(jù)驅(qū)動器設(shè)定的速度及加 /減速率所組成的命令與 hall傳感器信號變化的速度加以比對再來決定由下一組開關(guān)導(dǎo)通，以及導(dǎo)通時間長短。知道了誤差自然就要補(bǔ)償，方式有傳統(tǒng)的工程控制如 。 Simulink 可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進(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。控制系統(tǒng)模型可分為靜態(tài)模型和動態(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，動態(tài)模型描述的是控制系統(tǒng)變量之間的動態(tài)關(guān)系。最后，進(jìn)行總體測試，加入實(shí)際數(shù)據(jù)，進(jìn)行檢測。電動機(jī)轉(zhuǎn)子的稀土永磁體磁鋼與稀土永磁有刷電動機(jī)中所使用的永久磁鋼作用相似，均是在電動機(jī)的氣隙 中建立足夠的磁場，其不同之處在于無刷直流電動機(jī)中永久磁鋼安裝在轉(zhuǎn)子上，而有刷直流電動機(jī)的磁鋼安裝在定子上。 (1) 數(shù)學(xué)模型： ? 狀態(tài)方程定義： 狀態(tài)時系統(tǒng)動態(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。39。剛開始的上升狀態(tài)是由于電機(jī)自身啟動的過程產(chǎn)生的誤差，可以忽略。 下圖 為反電動勢 ea,eb,ec 的波形圖 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 23 圖 反電動勢輸出波形 由圖中可觀察出三種顏色的梯形波，分別為三個反電動勢的輸出波形，對比上圖與圖 中反電動勢的波形， 反電動勢滿足電機(jī)轉(zhuǎn)過 60176。 因此，本文通過霍爾信號反饋仿真模塊來模擬出霍爾傳感器，將角度信號轉(zhuǎn)換成布爾型的霍爾信號反饋給譯碼器。 （ 2）仿真模型： ? LookUpTable概述 查找表（ LookUpTable)簡稱為 LUT， LUT 本質(zhì)上就是一個 RAM。因此，應(yīng)用 F 自定義函數(shù)模塊，定義函數(shù) ren（ u,2*pi），將大于或小于 0~2? 的角度轉(zhuǎn)換為角度范圍內(nèi)的值。（ ） 1 0 0 表 電角度與力矩梯形波關(guān)系表 ? ()F? 2()3F ??? 4()3F ??? 0176。 綜上所述，可搭建出仿真模型，如圖 所示 圖 霍爾信號反饋仿真模塊 上圖中，輸入為 thetam，將其經(jīng)過增益轉(zhuǎn)化成 thetae（即電角度）。最后，將角度輸入上述 Lookup Table 中，輸出霍爾信號以及反電動勢梯形波信號。下圖 仿真模型： 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 30 圖 力矩計算仿真模型 由于，輸入電流 Iabc 是以向量矩陣形式輸入的，同樣 trapeabc 也是?？膳袛喑觯灸K正常。 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 33 圖 電壓逆變器模塊原理圖 下表 為 MOS 管導(dǎo)通情況以及線圈端電壓的關(guān)系表： 晶體管導(dǎo)通與線圈電壓關(guān)系表 導(dǎo)通晶體管 導(dǎo)通線圈 Vab(V) Vbc(V) Q1,Q4 A,B 24 12 Q1,Q6 A,C 12 12 Q3,Q2 B,A 24 12 Q3,Q6 B,C 12 24 Q5,Q2 C,A 12 12 Q5,Q4 C,B 12 24 （ 2） 仿真模型 本文采用 Simulink 自帶的逆變器模塊 .由于其輸出電壓為點(diǎn)電壓，因此利用電壓差模塊來得到 Vab,以及 Vbc。下表 即為譯碼器仿真模塊輸入輸出的轉(zhuǎn)換表格： 表 譯碼器真值表 輸入 輸出 H1 H2 H3 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 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 36 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 由以上真值表可以列出邏輯表達(dá)式如下： Q1=H3* 2H 。 圖 譯碼電路仿真模型 圖中的譯碼過程即為根據(jù)譯碼器真值表設(shè)計出的邏輯門電路圖，也是譯碼模塊的核心，具體電路構(gòu)成將在本文仿真模型圖中展現(xiàn)。此外，許多微控制器和 DSP 已經(jīng)在芯片上包含了 PWM 控制器，這使數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)變得更加容易了。自定義一占空比，輸入 PWM 波形仿真模塊中。 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 39 圖 PWM 脈沖調(diào)制波原理圖與波形圖 （ 2） 仿真模型 根據(jù)數(shù)學(xué)模型，假設(shè) C 為占空比，采用 Simulink 自帶鋸齒波發(fā)生器， 經(jīng)過一比較器后輸出。 由公式 可知， 0a b ci i i? ? ? ，因此可通過觀察輸出電流的波形來確認(rèn)仿真模型是否正確。節(jié)能減排是全球面臨的嚴(yán)峻課題，國家發(fā)展改革委員會啟動了《節(jié)能中長期專項(xiàng)規(guī)劃》，其中的一項(xiàng)就是電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程。 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 46 參考文獻(xiàn) [1] 張琛 .直流無刷電動機(jī)原理及應(yīng)用 .機(jī)械工業(yè)出版社 ,2020 [2] 直流無刷電機(jī)的發(fā)展 山社電機(jī)株式會社的博客 工控博客 .htm [3] 黃聲 華 .永磁交流伺服系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀［ C］ .微電機(jī)工業(yè)“十一五”發(fā)展論壇 .西安微電機(jī)研究所 ,2020。 圖一 羅托克 Profibus DPV1模塊 ? 國際開放標(biāo)準(zhǔn) IEC61158/EN5170 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 50 ? 適合 RS485P Profibus DP總線 ? 兼容 DPV0周期和 DPV1非周期數(shù)據(jù) ? 高度可靠的標(biāo)準(zhǔn)化通信 ? 兼容羅托克 IQ,IQT和 Q系列電子執(zhí)行機(jī)構(gòu) ? 低成本安裝維護(hù)，靈活的高控制系統(tǒng) ? 數(shù)據(jù)傳輸范圍 9600波特 ~ ? 支持簡單雙通道冗余 ? 支持 RedCom冗 余 ? 支持 PDM和 FDT軟件 ? 可用的 GSD,EDD和 DTM設(shè)備描述文件 ? 設(shè)備的三個版本：帶模擬信號輸入的單通道通訊， ? 簡單雙通道通訊和兼容 RedCom的雙通道通訊 想要了解更多關(guān)于 Profibus的信息請訪問網(wǎng)站 和三菱等領(lǐng)先技術(shù) PLC廠家。 所有的設(shè)置都將被保存在非易失性的 EEPROM記憶卡里。 EDD文件用來支持最新的西門子 PDM組態(tài)軟件在配 置中的使用，而 DTM文件支持最新非專利 FDT組態(tài) 軟件的使用。但本模型仍有需要改進(jìn)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 45 的地方。采用伺服電機(jī)類似大馬拉小車，不僅控制相對復(fù)雜，而且也是對資源的浪費(fèi)。 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 42 下圖 為整個仿真模型的仿真圖： 圖 直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型 為驗(yàn)證此仿真模型的正確性 ? 首先，驗(yàn)證模型是否可以 得到穩(wěn)定正確的霍爾信號： 在 HALL POSITION（即霍爾反饋信號仿真模塊），連接示波器，觀察輸出波形，是否滿足圖 中霍爾信號的規(guī)律。語音信號如果大于鋸齒波信號，比較器輸出正常數(shù) A，否則輸出 0。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM 進(jìn)行編碼。 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 38 PWM 波形仿真模塊 脈沖調(diào)制（ PWM）是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。 注：上加橫的字母代表取反； （ 2）仿真模型 通過數(shù)學(xué)模型中的邏輯表達(dá)式，可以建立仿真模型。本模型就是符合這些條件的譯碼器仿真模塊。 ABC 為三相線圈，每兩晶體管導(dǎo)通時，必定對應(yīng)兩線圈導(dǎo)通。 下圖 態(tài)方程模塊輸出電流 ia,ib,ic 波形圖 圖 流輸出波形圖 三電流波形滿足直流無刷電機(jī)電流變化規(guī)律，即 0a b ci i i? ? ? ，因此輸入波形無誤。同時，觀察輸出力矩，也是判斷電機(jī)運(yùn) 行狀態(tài)的重要依上海工程技術(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 29 據(jù)。 ~360176。（ ） 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 27 根據(jù)以上表格，可將數(shù)據(jù)帶入 Lookup Table Lookup Table Lookup Table5 中， 按照上述 Lookup Table 中所描述的方法，將表格中的角度以及對應(yīng)的霍爾信號狀態(tài)輸入進(jìn)模塊中， 其輸出即為霍爾信號 H HH3。（ ） 0 0 1 300176。 ? 仿真模型建立 根據(jù)數(shù)學(xué)模型中的公式 ，輸入信號轉(zhuǎn)子角度加上 1/2 的極對數(shù)，即得到電角度。 以第一階段 0～ 2π/3 為例， A反相電動勢處于正向最大值，設(shè)為 1；第二階段 A反相電動勢呈線性變化，可算出 方程；同理可求出第三第四狀態(tài)。 霍爾元件所產(chǎn)生的電動勢很低，往往需要外接放大器，很不方便，隨上海工程技術(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 24 著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，將霍爾元件與附加電路封裝成三端模塊，構(gòu)成霍爾集成電路。由圖 可知，反電動勢計算模塊的輸入為狀態(tài)方程模塊的輸出Wm，和霍爾信號反饋模塊的輸出 Trapezabc。 下圖 為狀態(tài)方程輸出速率 Wm 圖 速率 Wm 波形 圖中轉(zhuǎn)速 Wm 單位為 r/s，時間 t 單位為 s。39。若是常規(guī)利用公式線性算法，必將有很大的工作量，也肯定會影響系統(tǒng)仿真的速度。 直流無刷電機(jī)本體仿真模塊 無刷直流電動機(jī)所采用的電動機(jī)本體，在結(jié)構(gòu)上與稀土永磁同步電動機(jī)相似，但是沒有籠形繞組和其它起動裝置。接著，確定好數(shù)學(xué)模型后，就可在 Simulink 模塊庫中選擇最適合的模塊，建立仿真模型。 綜上所述， Simulink 仿真具有以下的特點(diǎn)： ? 豐富的可擴(kuò)充的預(yù)定義模塊庫； ? 交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖； ? 以設(shè)計功能的層次性來分割模型，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜設(shè)計的管理； ? 通過 Model Explorer 導(dǎo)航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中 的任意信號、參數(shù)、屬性，生成模型代碼； ? 提供 API 用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成； ? 使用 Embedded MATLAB 模塊在 Simulink 和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用MATLAB 算法； ? 使用定步長或變步長運(yùn)行仿真，根據(jù)仿真模式(Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)來決定以解釋性的方式運(yùn)行或以編譯 C 代碼的形式來運(yùn)行模型； ? 圖形化的調(diào)試器和剖析器來檢查仿真結(jié)果，診斷設(shè)計的性能和異常行為； ? 可訪問 MATLAB 從而對結(jié)果進(jìn)行分析與可視化，定制建模環(huán) 境，定義信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)； ? 模型分析和診斷工具來保證模型的一致性，確定模型中的錯誤； 控制系統(tǒng)仿真包括以下幾個基本步驟：問題描述、模型建立、仿真實(shí)驗(yàn)、結(jié)果分析。 通過觀察上述規(guī)律，在驗(yàn)證模塊和仿真結(jié)果中，只要保證輸出波形滿足以上規(guī)律，就可證明模塊或者仿真的正確性。 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 12 電機(jī)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)順暢而且響應(yīng)良好， 視。 基本上功率晶體管的開法可舉例如下： Q Q4 一組 → Q Q6 一組 → Q Q6 一組 → Q Q2 一組 →