无刷直流电机控制系统仿真-毕业设计.docx

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毕业设计（论文）

毕业设计（论文）

毕业论文

课题名称 无刷直流电机双闭环PI控制系统仿真

系 部

专 业

班 级

学 号

姓 名

指导教师

-7-

毕业设计（论文）

摘 要

本设计基于MATLAB/SIMULINK环境，利用其自带模块，编写S-函数程序，建立无刷直流电机的闭环控制系统模型。

此系统采用转速-电流PI双闭环控制策略。

其中，转速环为控制外环，使用PI控制算法；电流环为控制内环，采用滞环比较PWM控制方式，使得实际电流能跟踪参考电流。

在分析了无刷直流电机的物理特性之后，可以建立其数学模型，将它与控制系统数学模型结合，就可以实现电机控制。

将仿真结果与理论分析对比之后，可以看到本控制系统具有良好的控制效果。

关键词：

无刷直流电机；双闭环控制系统；MATLAB/Simulink；PI控制

Abstract

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basedonMATLAB/SIMULINKenvironment,usingtheautomaticmoduleandwritingS

-functionprogramestablishamodeloftheclosedloopcontrolsystemofbrushlessdcmotor.ThissystemUSESPIspeed-currentdoubleclosed-loopcontrolstrategy.Amongthem,thespeedloopastheouterringtousePIcontrolalgorithm;Currentlooptocontroltheinnerring,usingthehysteresisPWMcontrolmode,makestheactualcurrentcantrackreferencecurrent.Physicalpropertiesaftertheanalysisofthebrushlessdcmotor,canestablishitsmathematicalmodel,combinedwithcontrolsystemmathematicalmodel,itcanachievemotorcontrol.Aftercomparethesimulationresultsandtheoreticalanalysis,youcanseethiscontrolsystemhasgoodcontroleffect.

Keywords:

BrushlessDCMotor;double-loopcontrolsystem;MATLAB/Simulink;PIcontrol

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2研究现状及分析 3

1.3研究目的及意义 4

1.4本文的主要内容 4

第二章MATLAB中S-函数的介绍 6

2.1S-函数的介绍与使用方法 6

第三章 无刷直流电机的组成结构与工作原理 10

3.1无刷直流电机的基本结构 10

3.1.1无刷直流电机的基本结构原理 10

3.1.2电子开关电路 11

3.2无刷直流电机的工作原理 11

第四章 双闭环控制策略 15

4.1PI调节器的原理 15

4.2双闭环控制系统原理与仿真 16

4.2.1转速调节模块 18

4.2.2参考电流模块 18

4.2.3电流滞环控制模块 19

第五章 无刷直流电机的数学建模 23

5.1无刷直流电机的基本特性 23

5.1.1基本方程 23

5.1.2运行特性 25

5.2无刷直流电机的数学模型与仿真模型 29

5.2.1电压方程 29

5.2.2等效电路 30

5.2.3状态方程 30

5.2.4转矩方程 33

5.2.5电机本体模块 35

-2-

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5.3电压逆变模块 36

5.4中性点模块 37

第六章 仿真结果与分析 38

6.1整体仿真系统模型 38

6.2仿真结果与分析 38

第七章 总结与体会 42

结束语 44

致谢 45

参考文献 46

附录 47

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第一章 绪论

1.1研究背景

传统直流电机以机械形式进行换向，存在火花、无线电干预、噪声和寿命短等严重弊端。

对于传统直流电动机存在的诸多缺点,在20世纪30年代,出现了对永磁无刷直流电机研制,机械换相的方式也已跟新换代，机械换相被替换，取而代之的是电子换相,这对无刷直流电机发展有很大的推进作用。

但是由于对于大功率电子器件方面，相关资料非常缺乏，其研究进度也非常缓慢，发展的邹形才刚露出头角,理想的电子换相元件还没有找到,这种情况对永磁无刷直流电机的发展有很大的限制，只能停留在实验室阶段,而不能形成产品大批量的生产，广泛的应用。

1917年,Bolgior通过实验分析，经过多次对比，发现用整流管能更好地替代传统直流电机的机械换向的电刷,让无刷直流电动机的基本构思得以萌生。

直到1955,美国人Harrison等研究人员申请了专利，这是第一个与电动机机械换相相关的专利，即应用晶体管换向代替电动机械换向,这显示了现代无刷直流电动机的诞生。

但是,当时这种电动机并没有得到产品化，其原因是由于没有启动转矩。

尔后,为了改变这种状况，研究人员花费多年的时间去研究,这些努力使得借助于霍尔元件来实现换相的直流无刷电动机在1962年成功实现了,这种新型无刷直流电动机的出现改变了其自身发展行径，产品化的道路正式开启。

20世纪60年代初期,霍尔元件等位置传感器和电子换向线路的相继问世,使真正的直流无刷电动机得以出现。

20世纪70年代以来，世界的工业产业发展蓬勃，电力电子工业的发展也毫不例外,电力电子器件多样化的趋势更加明显，有时代性意义的是许多新型的高性能半导体功率器件的相继出现,如电力晶体管（GTO）、电力场效应管（MOSFET）、绝缘栅型双极性晶体管（IGBT）等,还有的是一些性能更好的永磁材料，如衫钻、钦铁硼等的出现,这些都为永磁无刷直流电机的广泛应用铺下了基石。

1978年，前联邦德国的MANNESMANN公司取得了许多突破性的进展，特别是在汉诺威贸易博览会上博足了眼球，展示了了MAC经典永磁无刷直流电动机和其相关的驱动系统，这使得无刷直流电机在国际上引起了广泛关

11

注，世界各国对无刷直流系统的研发和生产进入了狂热阶段，这种现象也说明了无刷直流电机的实用性已经得到充分证实，通往实验性转为实用性的束缚也已打破。

1986年H．R．Bolton通过一系列实验和分析，对方波型无刷直流电动机做了一个全面系统的剖析，并做出了大量的总结工作，这使得人们对方波无刷直流电动机的理论方面的了解也更加具体。

对于无刷直流电机的研究工作，我国由于国力和当时处境对其有所限制，相比之下，开始较晚，直到二十世纪八十年代，国家对无刷直流电机的研究才开始重视起来，但只有高等院校和科研院所在哪方面花费大量财力，少有一些公司去着手研究。

经过多年的努力，我虽然在无刷直流电机的控制系统的研究方面取得的成果也颇为丰富，即使如此，与是跟国际水平相比，还是落后很多，差距仍然比较明显。

这种形式，很有必要耗费大量的财力、精力与人力去研究、去探索，还有许多地方值得我们去学习、还有很多空间等着我们去发展。

因此，对于无刷直流电动机进行研究，获得更多相关技术，让差距与发达国家水平缩到最小，这对满足国民生产和人们的生活需要都具有非常重要的意义。

这些年来，电子控制技术和永磁材料的发展迅速，特别是控制理论技术方面，出现了单片机、FPGA、CPLD、DSP等微处理器，这使得电机技术的发展进一步提升，让永磁无刷电动机制造特别是使用电子整流技术的成本有了较大的改变，大为减小。

无刷直流电动机作为发展最快的新型电机之一，目前已被公认为是最具备工业应用前景的。

众所周知，永磁无刷直流电动机在工作原理和基本结构上具有相当多的优点,特别是高可靠、高效率的性能让人为之难忘。

因此,在以后更多的领域中我们会发现永磁无刷直流电动机将会逐步得以应用,已成为小电机发展的趋势，特别在我们的日常家电中，我们会发现更多它的身影,相信随着时代的变迁，对于传统结构的交流电机难以掌控的特征和普通直流电机有机械电刷换向的一一取代是指日可待的。

综上所述,随着电力电子技术的进一步发展和永磁材料的更新换代,已经经验的积累，永磁无刷直流电动机技术将会不断得到提升和变得更加完善,如果研究人员积累了更多关于永磁无刷电动机开发经验,并进行深入探索、分析和加以应用、开发，这将使永磁无刷电动机的进入一个新纪元[1]。

1.2研究现状及分析

目前无刷直流电动机发展研究现状是:

在国内，无刷直流电机的生产规模和市场份额不断扩大,但是，相关技术落后、管理调控缺失、产品使用滞后、生产成本偏高等一系列重大问题；而且,外资企业对真正技术含量较高的产品，保留了其中关键的零部件和技术。

在这种双重缺陷的条件下使得我国自主开发能力异常薄弱，制约我我国无刷电动机的发展，与国际先进水平相比差距越来越大。

现在，无刷直流电机的技术越来越成熟，在我国的发展也突飞猛进。

我们在各个领域都能发现他的身影，如在航模、医疗器械、家用电器、电动车等方面，在一些地方已经开始批量生产，出现了一定的规模。

在国外，通过对无刷直流电机的研究情况在各个国家的分布情况，可以发现发达国家与中国差不多，除了美国和日本这两个国家以外，他们在无刷直流电动机的生产和应用上游很大突破，无刷直流电机制造与控制技术已经非常的先进。

如日本仓毛电器公司研究出了很多相关产品，如KRK系列的无刷直流电机。

特别是在美国,无刷直流电机技术已被用于不同领域，一些公司这方面的技术也比较成熟。

例如RJNK、USA的产品核心主打工厂自动化领域,器设备领域会有许多PAPST的身影,而KOLLNNORG公司的产品主要在国防和航天领域取用。

从二十世纪末,世界各国对直流无刷电机的研究异常火热,进过种种努力，其存在的问题也一一克服，新的研究成果也纷纷呈现在人们眼前特别是美国的AhmRubaaj博士，和同事一起克服层层险阻，研发出了一种新型的永磁无刷直流电机,其独特之处就是转子与一般的电机相同，但定子却和有刷直流电机的转子相似，通过开关电子电路和位置传感器达到绕组的顺序换向。

这一新型电机实现了大范围的自然换向，运行过程中所引起的转矩波动明显减少，空间占有率也大为减小。

几年之前，位置传感器相关技术也越发成熟，这种让固定于定子上的霍尔元件获取信号以监测转子位置的混合观测装置也出现在市场上，且其价格便宜，电机成本大为减小，不仅如此，监测的精确度也更高。

随着技术的积累，各国对无刷直流电机的研制开发、技术探索工作也越来越成熟,相信无刷直流电机对我们身边的各个领域中将会实现更多的经济与实用价值。

无刷直流电机控制系统包括电机本体、电子开关电路、位置传感器，它涉及电机技术、电力电子技术、磁感技术、检测与传感器技术以及自动、现代控制理论技术等等，这些技术的发展与进步将推进无刷直流电机控制技术的延伸[。

1.3研究目的及意义

电机的发展已经经过了一个世纪的进程，由于电机作为机电能量转换的装置，在人们