【正文】 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書參考文獻[1]王忠禮，段慧達，：清華大學出版社 .[2]李華德，李擎，：機械工業(yè)出版社.[3]：[4]：湖南大學電機與電路專業(yè)，[5](第3版). 北京：[6]（第3版）.北京：[7]湯蘊璆，：[8]：中國電力出版社 .[9]王兆安，：[10]：[11]吳麒，王詩宓 .：[12]：。對劉老師的感激之情是無法用言語表達的，使我在完成論文的同時也深受啟發(fā)和教育。我首先要感謝我的導師劉海波老師，對我的構(gòu)思以及論文的內(nèi)容不厭其煩的進行多次指導和悉心指點，劉老師多次詢問進程，并為我指點迷津，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵。本論文雖然凝聚著自己的汗水，但卻不是個人智慧的產(chǎn)品，沒有導師的指引和幫助，沒有父母和朋友的幫助和支持，我在大學的學術成長肯定會大打折扣。(2)以PID 為核心的控制器具有明顯的優(yōu)勢，其控制器不但可以應用于直流無刷電動車，而且還可以應用到其他類型的電動機上等。以后的研究工作主要應從以下幾個方面進行：(1)無位置傳感器調(diào)速系統(tǒng)是直流無刷電機一個必然的趨勢，低速時采用感應電勢法檢測其轉(zhuǎn)子位置存在盲區(qū)。然后通過對各模型參數(shù)的確定得到了理想的仿真結(jié)果，證胡了控制策略設計的正確性和有效性。(2)基于Matlab／Simulink 建立了無刷直流電動機控制系統(tǒng)的仿真模型。主要做了以下幾個方面的工作：(1)總結(jié)了直流無刷電機轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生的各種原因，以及針對每一種原因引起的轉(zhuǎn)矩脈動所提出的解決方法。河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書5 結(jié)論與展望直流無刷電機相對有刷電機而言，具有無可比擬的優(yōu)點，因此在業(yè)上獲得了廣泛的應用。采用該BLDC仿真模型，可以十分便捷地實現(xiàn)、驗證控制算法，改換或改進控制策略也十分簡單，只需對部分功能模塊進行替換或修改，而Simulink 可以非常直接地構(gòu)造控制系統(tǒng)并觀察其結(jié)果，同時，該模型提供的各仿真模塊具有通用性。本系統(tǒng)經(jīng)過硬件試驗，其結(jié)果與仿真波形一致，證明了本文所提出的這種新型BLDC仿河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書真建模方法的有效性及控制系統(tǒng)的合理性。仿真波形圖115表明：起動階段系統(tǒng)保持轉(zhuǎn)矩恒定，因而沒有造成較大的轉(zhuǎn)矩和相電流沖擊，參考電流的限幅作用十分有效；空載穩(wěn)速運行時，忽略系統(tǒng)的摩擦轉(zhuǎn)矩，因而此時的電磁轉(zhuǎn)矩均值為零；在t=，轉(zhuǎn)速發(fā)生突降，但又能迅速恢復到平衡狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)運行時無靜差?？傻玫较到y(tǒng)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、三相電流和三相反電動勢仿真曲線如圖14～17所示。為了驗證所設計的BLDC控制系統(tǒng)仿真模型的靜、動態(tài)性能，系統(tǒng)空載起動，待進入穩(wěn)態(tài)后，在t==5N離散PID控制器三個參數(shù)Kp=5， Ki=，Kd=，飽和限幅模塊幅值限定在177。m仿真中，BLDC電機參數(shù)設置為：定子相繞組電阻R=l ，定子相繞組自感L= ，互感 M =－ ，轉(zhuǎn)動慣量J ?=然后，對電壓你便起進行封裝。本文給IGBT的A、B、C三相加三個電壓表，輸出的simulink信號可以與BLDC直接連接，如圖413所示。對逆變器的建模，本文采用 simulink的SimPowerSystem工具箱提供的三相全橋IGBT模塊。17I aI bI ce ae be cwT eI aI bI ce ae be cP r o d u c tWD i v i d eT ez h u a n j uP r o d u c t 1P r o d u c t 2圖411 轉(zhuǎn)矩計算模塊結(jié)構(gòu)框圖及其封裝河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 轉(zhuǎn)速計算模塊根據(jù)運動方程式(4)，由電磁轉(zhuǎn)矩、負載轉(zhuǎn)矩以及摩擦轉(zhuǎn)矩，通過加乘、積分環(huán)節(jié)，即可得到轉(zhuǎn)速信號，求得的轉(zhuǎn)速信號經(jīng)過積分就可得到電機位置信號。k = (415)eA?????????????36030621518003ss ssss????河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書表42 轉(zhuǎn)子位置和三相參考電流之間的對應關系表轉(zhuǎn)子位置 I_ar I_br I_cr0～ 3?Is －Is 0～ 2Is 0 －Is～ 0 Is －Is～?34－Is Is 0～ 5－Is 0 Is～2 0 －Is Is 轉(zhuǎn)矩計算模塊根據(jù)BLDC數(shù)學模型中的電磁轉(zhuǎn)矩方程式(3)，可以建立圖412所示的轉(zhuǎn)矩計算模塊，模塊輸入為三相相電流與三相反電動勢，通過加、乘模塊即可求得電磁轉(zhuǎn)矩信號Te。11K T s— —Z 12 z 1T s + 2 * T c D . z + T s 2 * T c D+++K dK pK iE r r o r(a) 離散PID 控制器11+P I D 1n r e fnI sn r e fnD i s c r e d eP I D C o n t r o l l e rI s(b) 速度控制模塊圖410 速度控制模塊結(jié)構(gòu)框圖及其封裝 參考電流模塊參考電流模塊的作用是根據(jù)電流幅值信號Is和位置信號給出三相參考電流，輸出的三相參考電流直接輸入電流滯環(huán)控制模塊，用于與實際電流比較進行電流滯環(huán)控制,轉(zhuǎn)子位置和三相參考電流之間的對應關系如表42所示，參考電流模塊的這一功能可通過s函數(shù)編程實現(xiàn)。其中，Kp為PID控制器中比例的參數(shù)，Ki為積分的參數(shù)，Kd為微分的參數(shù)。速度為積分的參數(shù)，河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書Kd為微分的參數(shù)。表41中： k為反電動勢系數(shù)(V／ (r／min)) ，Pos 為電角度信號 (rad)，w為轉(zhuǎn)速信號(rad／s)。選擇適當?shù)臏h(huán)環(huán)寬，即可使實際電流不斷跟蹤參考電流的波形，實現(xiàn)電流閉環(huán)控制。其工作原理是：當給定電流值與反饋電流值的瞬時值之差達到滯環(huán)寬度正邊緣時，逆變器的開關管VTl導通，開關管VT4關斷，電動機接通直流母線的正端，電流開始上升。河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書E mE a E mE mE a E mE mE a E m2 ππP o sP o sP o s圖47 三相反電動勢波形 電流滯環(huán)控制模塊在這個仿真模塊中采用滯環(huán)控制原理來實現(xiàn)電流的調(diào)節(jié)，使得實際電流隨給定電流的變化。根據(jù)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信號，就可以求出各相反電動勢變化軌跡的直線方程；其它5個階段，也是如此。理想情況下，二相導通星形三相六狀態(tài)的BLDC定子三相反電動勢的波形如圖47 所示。分段線性法簡單易行，且精度較高，能夠較好的滿足建模仿真的設計要求。分為6個階段，每60176。(2)傅立葉變換(FFT) 法,FFT法應用簡單，但需要進行大量三角函數(shù)值的計算，對仿真速度影響較大。因此，獲得理想的反電動勢波形是BLDC仿真建模的關鍵問題之一。由電壓方程式(2)可得，要獲得三相電流信號i 、i 、i ，必需首先求得三abc相反電動勢信號ea 、eb 、 ec。 狀態(tài)方程由(2)式的電壓方程，可得BLDC的狀態(tài)方程：P = (414)??????cbaii ?????ML1001 ?????????????????????cbacbaeiiRu0河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 等效電路由BLDC的電壓方程，可以將其等效地表示為圖44所示的等效電路，BLDC的每相由定子繞組R，電感（LM）及一個反電動勢e串聯(lián)構(gòu)成。m )，T 為負載轉(zhuǎn)矩2L(Ns／rad)。BLDC的運動方程可表示為：?sradT =T+B +J (413)etd其中，B為阻尼系數(shù)(N電角度內(nèi)，轉(zhuǎn)子的礠阻不隨轉(zhuǎn)子的變化而變化，并假定三相繞組對稱，則有：L = L = L =L， L = L = L = L = L = L = M，R = R = R = R。 電壓方程BLDC三相定子電壓的平衡方程可用以下的狀態(tài)方程表示：= + P + (410)??????cbau???cbR0???baii???cbcacL???cbii???ae式中，u ，u ，u 為三相定子電壓(v)；e ，e ， e 為三相定子的反電動勢(v)；ab abi ,i ,i 為三相定子電流(A)；L ，L ,L ,L ,L ,L ,L ,Labc abc abcbaca河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書為三相定子繞組間的互感(H)；R ，R ，R 為三相定子繞組的相電阻cb abc( ； P為三相微分算子( )。為了便于分析，假定：（1）三相繞組完全對稱，氣息磁場為方波，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場分布皆對稱；e,eaiaπ 2 ππai圖43 A相反電動勢和電流波形（2）忽略齒槽、換相過程和電樞反應等的影響；（3）電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分部；（4）磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗。由于BLDC的感應電動勢為梯形波；包含有較多的高次諧波，并且BLDC的電感為非線性，在此，采用感應電動機等d、q變換理論進行分析并不是很有效的方法，而在分析和仿真BLDC控制系統(tǒng)時，直接采用相變量法，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置，采用分段線性表示感應電動勢。 直流電機控制系統(tǒng)模型的建立無刷直流電機由定子三相繞組、永磁轉(zhuǎn)子、逆變器、轉(zhuǎn)予磁極位置檢測器等組成，其轉(zhuǎn)子采用瓦形磁鋼，進行特殊的磁路設計，可獲得梯形波的氣隙磁場，定子采用整距集中繞組，由逆變器供給方波電流。uALLLMMM+ ++uBuCRARBRCeAeBeC圖 42 三相直流電機等效電路圖河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 u = Ri + dta? + u =Ri + + + uanadtm?ta?n = Ri + + L + i + u a??am?ta???Ln = Ri + e + L + i + u (41)a?dta?n 同理可得B，C 相的端電壓方程 u = Ri + e + L + i + u (42)bb?dtb???Ln u = Ri + e + L + i + u (43)cc?tc?n式中：u ，u ，u — 每相繞組端電壓abci ，i ，i —每相繞組電流= + —為A相繞組磁鏈，其中 為主磁鏈， 為漏磁鏈?am?a am??aR，L —為每相繞組電阻和電感?e ，e ，e —為每相繞組主磁通感應電勢abc—為轉(zhuǎn)子電角速度?u —為定子繞組中性點電壓，由電機本體結(jié)構(gòu)決定，在 360176。若僅僅取其基波進行變換，誤差則較大，而直接利用電動機原有的相變量，即a—b—c 坐標系中的變量，來建立數(shù)學模型則比較方便，獲得的結(jié)果也足夠準確。無刷直流電動機的反電勢波形為梯形波，電流波形為方波，它包含著較多的高次諧波成分，這意味著定子和轉(zhuǎn)河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書子間的互感的空間變化規(guī)律為非正弦，并且直流電機的電感也為非線性，因此將BLDCM三相方程變換為Park方程是比較困難的。相帶集中繞組，星形連接；(2)不考慮齒槽效應，電樞各相繞組結(jié)構(gòu)相同，各相繞組空間位置對稱；(3)忽略磁滯、渦流、集膚效應和溫度對參數(shù)的影響，磁路不飽和；(4)轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組；(5)轉(zhuǎn)子磁密波形為梯形波；(6)不考慮電樞反應對氣隙磁場的影響。本章在建立無刷直流電動機數(shù)學模型的基礎上，建立了BLDCM控制系統(tǒng)的計算機仿真模型，利用該模型，進行控制系統(tǒng)的仿真試驗。 三相無刷直流電動機的數(shù)學模型由于建立無刷直流電動機系統(tǒng)的仿真模型，可以有效的節(jié)省控制系統(tǒng)設計時問，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仿真的優(yōu)越性，人為地改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、加入不同的擾動和參數(shù)變化，以便考察系統(tǒng)在不同結(jié)構(gòu)和不同工況下的動、靜態(tài)特性。⑥提供與其他高級語言的接口⑦支持多平臺(PC／Macintosh／UNIX) 。簡而言之，SIMULINK具有一下特點：①基于矩陣的數(shù)值運算②高級編程語言③圖形與可視化④工具箱提供面向具體應用領域的功能。(5)與MATLAB 工具箱的集成由于SIMULINK可以直接利用MATLAB的諸多資源和功能，因此用戶可以直接在SIMULINK下完成諸如數(shù)據(jù)分析、過程自動化、參數(shù)優(yōu)化等工作。(4)提供了仿真庫的擴充和定制機制SIMULIN