【導(dǎo)讀】2基于Matlab直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型設(shè)計???????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(yùn)行效率高、調(diào)速性。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。在控制系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用。當(dāng)代閥門控制領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位。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。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

　　

【正文】 降沿調(diào)制的脈沖寬度調(diào)制波。 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。下圖 即為仿真模型： 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 40 圖 PWM 波形仿真模塊 （ 3）模塊檢測 為檢測 PWM 波形發(fā)生模塊，本文通過改變其輸入占空比，來觀察輸 出PWM 波形的變化。 下圖 所示為占空比為 是的輸入輸出波形： 圖 PWM 波形仿真模塊輸入輸出波形 圖中鋸齒波為鋸齒波發(fā)生器輸出波形，而方波為占空比為 時的PWM 波形。 下圖 所示為占空比為 是的輸入輸出波形： 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 41 圖 PWM 波形仿真模塊輸入輸出波形 2 對比圖 與圖 ，可觀察出， PWM 波德占空比隨著輸入占空比對應(yīng)比例的的變化而變化。因此， PWM 波形發(fā)生模塊正確。 3 實例仿真 直流無刷電機(jī)數(shù)據(jù)設(shè)置 J 表示轉(zhuǎn)子慣量 取 ； fk 表示摩擦系數(shù) 取 ； tK 表示扭矩常量 取 ； P 表示電極對數(shù) 取 2； R 表示線圈電阻 取 ； L 表示線圈電感 取 ； 仿真結(jié)果 本文意圖為驗證，采用霍爾傳感器的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 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 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 為驗證此仿真模型的正確性 ? 首先，驗證模型是否可以 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。 觀察出的波形如下圖 所示 ： 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 43 圖 霍爾信號波形圖 觀察波形可得出結(jié)論：霍爾信號波形符合圖 中規(guī)律，證明控制系統(tǒng)中進(jìn)行了換相 ? 接著，從電流的角度觀察模型的正確性。 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。 在狀態(tài)方程模塊輸出端 ia ib ic 出加入示波器， 并觀察輸出電流波形得到以下圖 。 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 44 圖 直流無刷電機(jī)線圈電流仿真波形 觀察電流波形，不難看出電流滿足公式 中規(guī)律，即三相線圈中電流滿足規(guī)律。 綜上所述，本文直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型成立。 4 結(jié)束語 目前直流無刷電機(jī)在國內(nèi)工控市場的知名度不高，普及率較低。許多用戶當(dāng)變頻器異步電動機(jī)滿足不了要求時就盲目直接采用伺服電動機(jī)，而很多情況可以用價格低的無刷直流電動機(jī)實現(xiàn)。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)。 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量能源的消耗加 快了地球溫室化，威脅著人類生存。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)能中長期專項規(guī)劃》，其中的一項就是電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程。 十一五 期間的節(jié)能目標(biāo)，電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率提高 2個百分點(diǎn)，節(jié)電 200億千瓦時。中國各類電動機(jī)總?cè)萘考s ，占總耗電量的 60%以上，其中交流電動機(jī)占90%，整體運(yùn)行效率比先進(jìn)國家低 10%以上。推廣使用高效節(jié)能的直流無刷電機(jī)正可謂利國利民。 本文在分析直流無刷電機(jī)以及其控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，基于Matlab/Simulink 仿真軟件建立了直流無刷電機(jī)三相全控 （兩兩通電方式）的仿真，完成了其開環(huán)控制系統(tǒng)的基本功能。其仿真模型的證實為之后實際研發(fā)直流無刷電機(jī)控制器打下了理論基礎(chǔ)。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。在 PWM 波產(chǎn)生模塊前可加入 PID 控制器，設(shè)定參照標(biāo)準(zhǔn)速度，將其與系統(tǒng)反饋速度同時輸入 PID 控制器，控制器輸出相應(yīng)占空比，即可實現(xiàn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)速度的功能。 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。 [4] 莫會成 .控制電機(jī)發(fā)展及建設(shè)［ J］ .微電機(jī) ,2020 [5] 王正林 .Matlab/Simulink 與控制系統(tǒng)仿真 (第二版 ) .電子工業(yè)出版社， [6] 正田英介（日） .電機(jī)電器［ M］ .北京：科學(xué)出版社， 2020. [7] Stefan Baldursson .BLDC Motor Modelling and ControlA Matlab/Simulink Implementation . Master Thesis work .May,2020 [8]Miller T J E. Brushless PermanentMag and Reluctance Motor Drives [M]. Oxford, New York: Clarendon Press, 1989. [9]Ionel D M, Eastham J F, Betzer T. Finite element analysis of a novel brushless DC motor with flux barriers [J]. IEEE Trans. on Magics(S00189464), 1995, 31(6): 37493751. [10] Duane hanselman .精通 Matlab 7 .清華大學(xué)出版社 , [11]Michael Barr .脈沖調(diào)制的基本原理及其應(yīng)用實例 ， [12] Thomas Salem, Tim A Haskew. Simulation of the brushless DCmachine [C]// Proceedings of the TwentySeventh SoutheasternSymposium on System Theory (SSST39。95). USA, 1995: 1822. [13]孫建忠，白風(fēng)仙 .特種電機(jī)及其控制［ M］ .北京：中國水利水電出版社， 2020. [14]莫會成 .永磁交流伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)矩波動分析［ J］ .微電機(jī)， 2020 [15]徐昕 ,李濤 . Matlab工具箱應(yīng)用指南 [M]. 北京 :電子工業(yè)出版社 ,2020. [16]薛定宇 , 陳陽泉 . 基于 Matlab/Simulink的 系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用 [M]. 北京 : 清華大學(xué)出版社 , 2020. [17]紀(jì)志成 , 沈艷霞 , 姜建國 . 基于 Matlab無刷直流電機(jī)系統(tǒng)仿真建模的新方法 [J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報 , 2020, 15(12): 17451749. (JI Zhicheng,SHEN Yanxia, JIANG Jianguo. A Novel Method for Modeling andSimulation of BLDC SystemBased on Matlab [J]. Journal of SystemSimulation, 2020, 15(12): 17451749.) [18]王兆安 電力電子技術(shù)（第４版） . 機(jī)械工業(yè)出版社 . 2020 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 47 [19]STMicroelectronics Application Notes ： ST7MC THREEPHASE BLDC MOTOR CONTROL SOFTWARE LIBRARY. STMicroelectronics. 2020 [20]Atmel Application Notes: Fully Integrated BLDC Motor Control from the Signal Generation to the Full BLDC Motor Control Chain. Atmel. 2020 譯 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 48 執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)軍 Profibus 執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制 執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制 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 49 ProfibusDP 串行通信是一種控制羅托克執(zhí)行機(jī)構(gòu)的理想化通信方式。使用 ProfibusDP的網(wǎng)絡(luò)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的連接提供高性價比的方式 ， 無論在什么位置都可以行之有效的與中央集控系統(tǒng)連接。 ProfibusDP 串行通信可運(yùn)行在一定通信速率范圍內(nèi)，并且為控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供控制機(jī)制，以及閥門位置的反饋數(shù)據(jù)。 最新的羅托克 ProfibusDP選配卡支持標(biāo)準(zhǔn)的 DPV0周期數(shù)據(jù)交換和 DPV1非周期數(shù)據(jù)交換，用于診斷，建立和歷史數(shù)據(jù)回溯。 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。標(biāo)準(zhǔn) GSD文件支持所有復(fù)雜的系統(tǒng)，包括基礎(chǔ)的和正在建造的系統(tǒng)。 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。 羅托克 Profibus DPV1 模塊 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 51 Profibus模塊被安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)殼里面 ， 接口直接和執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路連接。一旦被安裝，所有通用指令與啟動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號反饋和一些歷史數(shù)據(jù)一起，都在 Profibus DP， RS485高速總線中可利用 。 具備一些關(guān)于系統(tǒng)變量和執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能的用戶設(shè)置，例如執(zhí)行機(jī)構(gòu)的從屬地址。這些不僅僅通過使用紅外通訊器連接到 IQ和 IQT執(zhí)行機(jī)構(gòu)，還通過適合的工具通過網(wǎng)絡(luò)組態(tài)相應(yīng)的寄存器。在 Profibus運(yùn)行時， GSD文件就可以通過簡單的文本編輯器來進(jìn)行編輯從而修改內(nèi)部參數(shù)。 所有的設(shè)置都將被保存在非易失性的 EEPROM記憶卡里。 圖二 雙通道 Profibus 模塊 Profibus DP 高速通信總線 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 52 圖三 Profibus DP 模塊作為一從屬設(shè)備，它支持 PLC使用 VO通信模式進(jìn)行周期性數(shù)據(jù)通