基于matab无刷直流电机驱动控制系统的仿真本科毕业设计.doc

基于matlab无刷直流电机驱动控制系统的仿真 XXX (XXXXXXX 物理与电气工程学院 电气工程及其自动化2008年1班) 摘 要： 在分析无刷直流电机(BLDCM)数学模型的基础之上,提出了一种新型的无刷直流电机控制系统建模仿真方法。在Matlab /Simulink环境之下,利用无刷直流电机的电压方程、电磁转矩方程和运动方程构建了无刷直流电机本体的仿真模型。系统采用单闭环控制:速度环采用经典PI控制,电流控制采用滞环电流跟踪型PWM。仿真实验结果表明:系统具有良好的静、动态特性,验证了该方法的有效性,为实际电机控制系统的设计和调速提供了新的思路。 关键词：无刷直流电机；模型；simulink；仿真；霍尔位置传感器； 引言 电机在人类社会中的应用已有近100 多年的历史，电机的发展是从永磁电机开始的。诞生于19 世纪20 年代的第一台电机便是一台永磁发电机，但由于材料的制约，在随后的岁月里，永磁电机逐渐被电励磁电机所取代，而交流异步电机的出现并广泛应用，进一步压缩了永磁电机的应用空间。直至上世纪60 年代稀土永磁材料的出现，影响永磁电机广泛使用的材料问题得以基本解决，永磁电机又开始被广泛关注。但由于稀土材料昂贵的价格，永磁电机仅应用在对成本要求相对较低的场合。上世纪80 年代初，新型永磁材料钕铁硼的出现，大大降低了永磁体的成本，永磁电机才在较多的场合得到了应用。 无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的。现阶段，虽然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位，但无刷直流电动机正受到自20世纪90年代以来，随着人们生活水平的提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都越来越趋向于高效率化、小型化及高智能 化，作为执行元件的重要组成部分，电机必须具有精度高、速度快、效率高等特点，无刷直流电机的应用也因此而迅速增长。 随着永磁电机的广泛应用，其本身的缺陷也逐渐体现出来。传统的永磁电机往往使用电刷这种机械部件作为换向器，在运行过程中，电刷带来了换向火花、电磁干扰等问题；同时，电刷换向器极易磨损，造成了永磁电机维护频率高，维护过程复杂；机械式电刷换向器还限制了电机转速的提高和体积的缩小。在这种情况下，伴随着电力电子技术的发展，一种采用电子换向装置的永磁直流电机－无刷直电机出现了。 无刷直流机是20 世纪60 年代出现的一种自整步永磁同步电机，是近年来得到长足发展和广泛应用的一种新型电机。 无刷直流电机与传统直流电机相比，其结构上有较大不同，无刷直流电机将传统直流电机定子上的永磁体转移到转子上，而将电枢绕组置于定子上，并采用电子换向装置取代传统直流电机的机械式电刷换向器，使无刷直流电机在运行时无换向火花和无线电干扰，长时使用无需更换电刷，电机使用寿命长。无刷直流电机紧凑的机械结构，使其能够更容易地实现小型化。 无刷直流电机相对于交流异步电机，具有高能量密度、高效率的特点，同时具有较好的调速性能。由于定子无励磁电流分量，具有较高的效率。无刷直流电机由传统直流电机衍生而来，其自身具有传统直流电机调速方便、性能优异的特点，通过调压调速方式即可实现转速的平滑调节。 综上所述，无刷直流电机相对于其它电机，有着其突出的优点。既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便的优点，又具有传统直流电机运行效率高、速性能好的优点，因此，在当今国民经济的各个领域都得到了广泛的应用。 1 无刷直流电机的原理 无刷直流电机为了实现无电刷换向，首先要把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上。为了能产生单一方向的电磁转矩来驱动电机转子转动，无刷直流电机还要有电子换向器来使定子绕组产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永久磁场在空间上保持90°的平均电角度。这样就使得这两个磁场产生最大平均转矩而驱动电机不停地旋转。以三相Y 形绕组电机半控桥电路为例，简要说明无刷直流电机的工作原理。图1.1 为三相无刷直流电机半控桥原理图。此处采用霍尔元件作为位置传感器（P1、P2、P3），Q1、Q2、Q3 为功率逻辑单元。 图1.1三相无刷直流电机半控桥控制原理图 三个霍尔传感器各差 120°机械角度安装在端盖上。当转子处于图1.2（a）位置时，霍尔传感器P1 输出导通信号给Q1，此时A 相绕组通电，在绕组产生磁场的推动下，转子向逆时针方向转120°；此时P3 输出导通信号，驱动Q3 导通，C 相绕组导电，使转子继续向逆时针方向转120°；此时P2 输出导通信号给Q2，B 相绕组导通，转子继续逆时针转120°。周而复始，电机转子就不停地以逆时针方向旋转。图2.4 显示了转子的位置和转动的情况。电机正常工作时，每相绕组分别导通120°电角度，见图1.3。 图1.2 转子位置及转动示意图