基于Matlab的无刷直流电动机驱动系统仿真建模
2024-10-18
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第30卷第2期 2017年4月 —四川理工学院学报(自然科学版) Journal of Sichuan Universityoftural Scie Science&Engineering(Nance Edition:I Vo1.30 No.2 Apr.2017 文章编号:1673_1549(2017)02-0016-05 DOI:10.11863/j.suse.2017.02.04 基于Matlab的无刷直流电动机驱动系统仿真建模 张健,王笑竹 (营口理工学院,辽宁营口115014) 摘要:基于Matlab/Simulink工具搭建无刷直流电机驱动系统仿真平台,分别建立直流无刷电机的本 体模型和驱动控制模型,详细介绍了系统中各个子模块的搭建方式和实际功能,为分析驱动控制算法和策 略可行性提供有效的仿真环境。通过实验仿真曲线特征和变化规律,实现了驱动系统各项性能评价指标和 PID参数整定的验证,模型参数也为实际电机控制系统的设计和调试提供支撑。系统模型具有很好的灵活 性和通用性,在此基础上通过简单的替换和修改就可以搭建和仿真使用其他控制算法和控制策略的仿真模 型,为模糊控制、模糊PID控制和再生制动控制策略建立仿真环境提供参考,减少验证过程中的工作量。 关键词:无刷直流电动机;驱动系统;反电动势过零检测;仿真分析 中图分类号:TM33 文献标志码:A 引言 长期以来,随着无刷直流电机的应用日趋广泛,其 控制算法和控制策略也越来越丰富,国内外学者就此做 了深入研究,并取得丰硕的成果。其中反电动势法、续 流二极管法、状态观测器法及锁相环法是当前的热点问 [ j]=[ 囊]×[ ]+[;三主三 ]×p[ j]+[ i] 题 。。 ,但是缺少对这些方法的验证环境和评价体系,这 在一定程度上限制了控制算法和策略的改进。因此建 立简单精确的仿真模型成为目前亟待解决的问题 。 为了便于评价分析和验证各种控制算法和策略,有 必要对各种无刷直流电机驱动系统进行正确的建模和 仿真,以此作为驱动系统可行性和性能评价的依据,基 于Matlab/Simulink搭建无刷直流电机驱动系统各项性 能评价指标和PID参数整定的验证仿真平台,为实际电 机控制系统的设计和调试提供支撑。 『 i]=[ 圣兰]×f≥]+lL: - M 0 01JxpEia,l+『 ;] : 1无刷直流电动机数学模型 预建立无刷直流电机的数学模型,需要在合理的 ±!盘±!! (3) 收稿日期:2O16—12439 基金项目:营口理工学院青年自然科学研究项目(QNL201614;QNL201616) 作者简介:张健(1981-),男,高级实验师,博士生,主要从事电力电子与电力传动、电机控制等方面的研究,(E-mail)64755512@qq.con 王笑竹(1982一),女,讲师,硕士,主要从事超声电机与压电材料方面的研究,(E-mail)330608566@qq.conr 第30卷第2期 — —张健,等:基于Matlab的无刷直流电动机驱动系统仿真建模 17 B =.,警 c4 是完: 。 其中:cc,为电机的角速度;P 为电机的磁极对数; 为 电机电磁转矩;T,为电机的负载转矩;B为粘性阻尼系 数;J为电机的转动惯量。 由式(3)和式(4)很容易得到电磁转矩与转速模 块,如图3所示。转子位置检测模块如图4所示。 七 2无刷直流电动机仿真建模 2.1 无刷直流电动机本体的建模 1 一 _ l【一…1 :;— 一 .一 : _j }'4 I啼.重量; 0t+毛 j ;一一 一 一’ 、一i_ ~ 。j l一一~. ~, 一 ’ 电机本体是整个系统的核心,系统以模块式搭建, 功能彼此独立每个模块构成一个有机整体,实现电机本 体仿真平台 “]。 (1)电压方程模块 根据电压方程可搭建电机电压方程模块,如图1所示。 ‘ 图3电机转矩计算模块 图4转子位置检测模块 建模完成后,就可以通过适当的链接完成电机本体 总模型的建模,各环节的链接及电机本体的总模型如图 5所示。 图1电压方程模块 (2)电机反电动势模块 反电动势模块采用分段线性查表法¨ ,其仿真结构 如图2所示。 图5电机本体的总模型 2.2无刷直流电动机驱动系统建模 利用Matlab7.0的Simulink模块对无刷直流电机驱 动系统进行建模,建立的整体驱动系统如图6所示。 图6无刷直流电机驱动系统模型 无刷直流电机驱动仿真系统的工作原理可简要介 图2反电动势模块及其封装 绍为:预定的转速信号(n )与实际转速信号n进行比 较,求其偏差e,经PID控制器计算得电流幅值信号, , 参考电流模块(reference eu ̄ent)利用PID控制器输出的 图2中,反馈回来的转子位置信号position(范围为 0~21T)经过Lookup Tablet模块,与转速信号增益后分别 相乘,得到三相绕组的反电动势。其中Lookup Tablet模块 电流幅值信号, 和反馈的转子位置信号(position)计算 18 四川理工学院学报(自然科学版) %See the help menu for detmls. ’1ar=is; 2017年4月 三相绕组各自的参考电流i 、i 、i 然后经电流滞环 控制模块(Current Controller)实现各相实际电流i 、i i 对参考电流i 、i 、i 的滞环跟踪,输出PWM逆变器 ibr:一is: icr=0; 控制信号(Pulse),用于控制逆变器模块(MOSFET Diode) 的导通和关断,从而产生驱动电机的输入相电压u 、/2, 、 “ 同时在给定时间对电机施加给定的负载转矩t.,利用 if(pos>=0&&pos<pi/3) l’ar=is;ibr=一is;ier=0; 示波器观察各相电流(i )、各相反电动势(e, )、电磁 转矩(T)、转过角度及转子位置(theta)和转速( ),开反 馈给前面的模块作为反馈信号,实现闭环控制。 (1)速度控制模块 BLDC驱动系统的速度环控制由速度控制模块实 elseif(pos>=pi/3&&pos<2 pi/3) l‘y=is;iabr=0;icr=一is; elseif(pos>=2 pi/3&&pos<pi) iy=0;ibr=ias;ier=一is; elseif(pos>=pi&&pos<4 pi/3) l’ar=一is;ibr=is;icr=0; 现,其结构如图7(a)所示。速度控制采用PID控制器实 现,转速预设值(n )与反馈回来的实际转速信号(n) 求其差值e,输入PID控制器作为其输入,经PID算法计 算后输出电流幅值信号, ,作为参考电流模块的输入信 号。离散PID控制器的内部结构如图7(b)所示。 elseif(pos>=4 pi/3&&pos<5 pi/3) l。ay=一is;ibr=0;icr=is; elseif(pos>=5 pi/3&&pos<=2 pi) iar=0;ibr=一is;icr=is; end (3)电流滞环控制模块 如图9所示,电流滞环控制模块(Current Controller) 实现各相实际电流i 、i i 对参考电流 、i 、i 的 滞环跟踪,输出PWM逆变器控制信号(Pulse)。 ——_+I (1l1 — 图7速度控制模块 (2)参考电流模块 如图8所示,参考电流模块根据PID控制器输出的 电流幅值信号(, )和反馈回来的转子位置信号(posi— tion)作为参考电流i…i i 完成电流滞环控制。 图9电流滞环控制模块 (4)电压逆变器模块 采用SimPowerSystems工具箱的直流电源模块(DC Volt— age Source)和全桥漠块(Universal Bridge),其中全桥模块选择 桥臂数为3个,功率器件为MOSFET,电流滞环控制模块输出 的PWM波形(Pulse)控制MOSF ̄T的导通与关断,从而实现 对无刷直流电机的三相全桥控制,如图10所示。 由于SimPowerSystems里的模块不能直接相连Simu— referencB current link里的模块,因此,全桥模块(Universal Bridge)与电机本 图8参考电流模块 体模块之间加上了三个受控电压源,实现两者的连接。 参考电流模块的代码为: function[iar,ibr,ier]=current(is,pos) %This block supports an embeddable subset of the MATLAB language. 3仿真结果及分析 选用的电动机为57BL系列,仿真参数可依照所选 用的电动机说明书设置,见表l。 竖堡 量;墨 垄 鎏 }几翌 墨丝堕 堡 口 日 口 图10电压逆变器模块 表1电机参数 ! l1 参 数 额定I乜『l 24、 额定{Iz流 5 l 荆!定转 ()22、II1 额定助畔: 7() 额ji三转速 300()r/IIIIII 磁极对数 5计 }乏l乜动势系数 ()(1482、 r 转动惯毓 I89t・一6 k,.un2 .fHIU感 l lU I11II I;II』已系数 4.53I-一6\IIl ,l 比例系数凡 . 3 ,系数凡 ().() 微分系数凡. 。()(厄j敞‘,耶 ) IlL ̄1{t}f fl‘i I,1、1;艮 范f翻 35~+35 采样州期7 【)()()()l 仿.fi-;4-f rIJ,绕组_乜 、 IU动协、 f f l f 唑、转 波形 &【1 1 1 1~I冬I 15 ,J 图11绕组电流仿真波形图 』 , l3的 半部分 爪 々J 转过的『『】 tlwta f J . f 址nttl ur以 . 转述l ,rt 阶 段,ll r r 斜率逐渐增人,随JI 斜 上 ’. i ,=0.5 州n【]负拔后ffJ f芝 , 制年J1 -小 ,说 lIJJ转述波功1 久,这 j后皿n 转述 …箭 于 f.I],J‘nIJ为l一, :转速为, =l000-I/Il・it 的 f't 卜转过 的 数约为l6.7圈,H_}J王刈数, =4,l 攻l—f卜t转过的 图12绕组反电动势仿真波形图 图13转子转过角度和转子位置仿真波形图 图14电机转速仿真波形图 图15电机转矩仿真波形图 『fJ吱l Iil乃l6.7 X4× 盯=419.7.与罔l3 II… 爪…甜 13 I n卜、} 部分 转 position I 门f j腹 转速稳定J l年々 ‘l J r 『JJ 化,且…J 做刈教, = 4,故转j'-转功一1、J-Ⅵ 化4个flll1 IfJj …j 仿 真时 l , 转迎为II=l000・/rain的杀f t 卜转过的 20 四川理工学院学报(自然科学版) 20l7年4月 数约为l6.7斟,H极对数P=4,故1 s内position周 [3]王晓明,王玲.电动机的DSP控制:TI公司的DSP应 期数心为l6.7×4,约66个周期,与图l3中所示相符 由图l4中可知,当初始时刻提供1000 r/min的参 考转速时,电机实际转速逐渐增大,并在0.1 s之前达到 1000 r/rain,然后保持稳定下来.说明系统响应快速且平 稳,尤静态误差 在0.5 s时突然增加TL=3 N・nl的负载转矩,此时 用[M】.北京:北京航空航天大学出版社2004. [4]王晓明.电动机的单片机控制【M].北京:北京航空航 天大学出版社,2002. [5]吴青萍.基于dsPIC30F40l 2的无刷直流电动机控 制系统设计 .微特电机,20l 2,40(8):43-45. 【6]马瑞卿,李颖,刘冠志.基于dsPIC30F2010的无刷直 流电动机正弦波驱动系统设计…微特电机,20l 0, 38(8):I1一l4. 电机实际转速会发生突降,且在短时间内恢复稳定.稳 定转速在略低于1000 r/min的转速下小范围脉动,这主 要足由电流换相和电流滞环控制器的频繁切换引起的。 在此过程I}1没有发生大范围波动,这说明系统的稳定性 [7]张冉,王秀和,王道涵.基于dsPIC30F2010的无刷直 流电动机控制系统设计….微特电机,2008,36(5): 30—31-42. 较好,满足设计要求。 网l5为电机转矩的仿真波形图,与转速仿真图类 ]张健,王笑竹.dsPIC30F60l0双闭环矢量法在电机 似.从电机转矩的仿真波形来看,转矩数值与实际情况 相符,转矩响应快速、脉动小,满足设计要求 控制中的应用Ⅲ.单片机与嵌入式系统应用,20l 5, 1 5(12):l 5—1 8. f9】岳学磊,白鹏.关于无刷直流电机调速系统优化控制 研究[J].计算机仿真20l 5,32(10):4l4 l 9,425. 『l0]吕志宽,李声晋,卢刚,等.基于卡尔曼滤波器的无刷 直流电动机仿真….微特电机,20l1,39(4):24—28. 4结束语 t Matlab/Sinmlink仿真环境,搭建的无刷直流电 机本体仿真模型和转速一电流双闭环驱动控制系统模 有很好的灵活性,在此基础上通过简单的替换和修 改就I1J‘以搭建和仿真使用其他控制算法和控制策略的 仿真模 ,具有良好的通用性。 [1 1]梅亮,刘景林,董亮辉,等.基于Simulink无刷直流电 机直接转矩控制研究[J]l微电机2013,46(6):62—66. [12]李亚美.交流伺服控制系统的模型与仿真….伺服 控制,20l2(5):40-42,36. [1 3]刘维维,张亚,崔瑞男,等.电动车无刷直流电机控制 参考文献: [1 1张健,王笑竹.dsPIC30F60l0的直流无刷电机控制系 系统Matlab仿真….工业控制计算机,20ll,24(6): 32—33,35. 统[J].单片机与嵌入式系统应用’20l5,l5(9):57-60. f2]郎宝华,闽喜艳,张婧.基于dsPIC30F30l0的无刷直 流电动机控制系统设计[J】.电子设计工程.20l 2,20 (21:1 04—107,1】1. 『l41吕伟鹏.无刷直流电机双闭环串级控制系统仿真 研究 .电子设计工程20l1,l9(24):30—34 【1 5]郭伟,张爱华,陈琛,等.无刷直流电机调速优化控制 与仿真[J].计算机仿真2Ol 5,32(10):360—364. Simulation Model of Brushless DC Motor Drive System Based on Matlab ZHANG Jian,WANG Xiaozhu (Yingkou Institute ot’Te(、hnology,Yingkou 1 15014,China) Abstract:Simulation platform of Brushless DC nlotol’drive syste ̄n is establistletl1)ase(1 on Matlab/Simulink. FIle ontology fl1I)tlPl and drive【.ontrol mode1 of DC brushless DC ntotol al・P set up.and the construction methods al1(1 practical functions【,f- eat-h sLlb lI1《)titde£lrP introdueed in detailwhieh provide tl1P simulation enviromnent to analyse the‘11’i、'P contl‘ol strateD'al1‘l aIgorith rt1 feasibility effectively.Based on the eharactmisti(、all(1 variation Jaw of simulation eui’ve,the perfin'mallee of tl1P evaluati0n.『1‘lex systenl attd the setting of PID pm‘ameter validation are texted.besidesm,fI1e desigll and debugging I)f1 tl1P actual illOtOl・eontr()l system are supported by the model parameters.On this basis.through silnilie nlo(1ifications or replace— mPnt.tt1P simulation nlode1 which ean use other eontl’ol algorithms and eontro1 strategies at’P lmih till(I it can 1)rovi(1e a I'efer— ell(-P fi}r fuzzy cmttro1.fuzzy PID control an‘1 regenerative braking control strategy in simulation e[Ivironnlei11 to redtl(‘e tI1P WOI・kloa ̄I l1f1 lhe 1)l’o(!ess validation. ysis Key words:Brushless DC moto]・:nlotol,control syste ̄tl;anti EMF zero el’ossing detection;sinrelation ana1