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基于MATLAB的无刷直流电机双闭环控制系统建模与仿真7

基于MATLAB的无刷直流电机双闭环

控制系统建模与仿真

周永昌，黄植功

(广西师范大学电子工程学院，广西 桂林 541004)

摘 要：在分析无刷直流电机数学模型的基础上，在MATLAB／SIMULINK环境下，将模型按功能进行子模块建

模，并与S函数结合，构建无刷直流电机模型，实现电流滞环和转速离散PID控制的双闭环调速系统。仿真结

果与理论分析一致，验证了该控制系统设计的合理性，为验证各种控制算法提供有效的途径。

关键词：无刷直流电机；建模；离散PID

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1003—7551(2012)01—0025—05

1 引言

无刷直流电机 (BrushlessDCMotor，以下简称BLDCM)是随着 电力电子技术和电机控制技术的发展而

迅速成熟起来的一种新型电机。因其体积小、结构简单、高效和控制精度高等优点，广泛应用于伺服领域，

机器人等领域I1】。随着无刷直流电机的应用领域不断拓宽，各种控制算法和策略不断涌现，建立无刷直流电

机控制系统的仿真模型可以有效验用于各种算法和策略，缩短开发周期。文献 J提出了基于s函数的建模方

法，虽比较灵活，但模型较为复杂，仿真速度较慢，且程序比较繁杂。本文利用MATLAB／SIMIⅡINK的仿

真工具箱，通过建立子模块并结合S函数，建立了BLDCM控制系统。仿真结果验证了该模型的有效性。

2 无刷直流电机 (BLDCM)的数学模型

以两相导通星形三相六状态为例，分析无刷直流电动机的数学模型及 电磁转矩等特性。为简化电机的数

学模型，作如下假设 j【J：1)忽略电机铁心饱和，不计涡流损耗和磁滞损耗；2)不计 电枢反应，气隙磁场分

布近似认为是平顶宽度为 120。电角度的梯形波；3)忽略齿槽效应，电枢绕组在定子 内表面均匀连续分布；4)

驱动系统逆变电路的功率管和续流二极管均具有理想的开关特性。可得到三相绕组的电压平衡方程：

r O L M M e4

口

IXb 0 + M L M +

U c 0 0 M M L ec

式中Ua, ，。为定子相绕组电压： ，b／，为定子相绕组电流； ，eb， 为定子相绕组电动势；L为每相

绕组的自感； 为每两项绕组问的互感；P为微分算子，P=d／dt。由于三相绕组为星形连接 ，且没有 中线，

则有：

+ + ：0 (2)

A +M 之+M ia=0 (3)

将式 (2)、(3)代入 (1)，得到电压方程：

收稿 日期：2012一O卜O3

十通讯作者：hbypolly@qq．com

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U口 ，． O 一 O 0 e口

Ub O ，． + o L—M o + (4)

Uc O O Q Q L—M ec

理想情况下，当某相不通电时，该相电压为0，但在实际系统的换向时， 电机绕组中的电流变化跟不上功

率开关的变化，产生一定的滞后， 这样在不通电的绕组中仍然残余一部分电压，因此产生中点电压 ，其

方程为4【]．

+ 口+ Uc eA+ es+ ec

= 3 3