论文部分内容阅读
【摘要】在分析直流无刷电动机数学模型的基础上,利用MATLAB/SIMULINK仿真平台建立系统的仿真模型,给出仿真结果,通过施加不同的控制策略,以验证控制算法的合理性,为分析直流无刷电动机控制系统提供有效手段和工具。
【关键词】直流无刷电动机 建模 仿真
【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)08(b)-0145-03
1 引言
直流无刷电动机具有体积小、重量轻、效率高、惯量小和控制精度高等优点,同时还保留了普通直流电动机优良的机械特性,随着直流无刷电动机应用领域的不断扩大,要求控制系统设计简单、成本低廉、控制算法合理、开发周期短。本文采用MATLAB/SIMULINK进行仿真,它具有构造模型简单、动态修改参数实现系统控制容易、界面友好、功能强大等优点,它可以利用鼠标在模型窗口上“画”出所需控制系统模型,然后对系统进行仿真和分析,从而使得一个复杂系统变得相当容易且直观。
2 直流无刷电动机的数学模型
假定直流无刷电动机工作在两相导通星形三相6状态方式下,三相绕组电压方程为
(1)
其中:
ua、ub、uc分别为电动机各相相电压(V)
ia、ib、ic电动机各相相电流(A)
ea、eb、ec电动机各相反电势(V)
R电动机各相绕组的电阻(Ω)
L电动机各相绕组的自感(H)
M电动机各相绕组间的互感(H)
P=d/dt微分算子
电动机的电磁转矩方程为:
(2)
电动机运动方程为:
(3)
其中:Te电磁转矩(N·m)
TL负载转矩(N·m)
J电动机和负载的转动惯量之和(N·m2)
ω机械角速度(rad/s)
3 基于MATLAB/SIMULINK直流无刷电动机系统模型的实现
在MATLAB/SIMULINK环境下,提出建立直流无刷电动机系统仿真模型的方法,系统设计框图如图1所示。
直流无刷电动机建模仿真系统采用双闭环控制方案:转速环由PID调节器构成,电流环由电流滞环调节器构成。根据模块化建模的思想,将图1所示的控制系统分割为各个功能独立的子模块,通过这些功能模块的有机组合,就可以在MATLAB/SIMULINK中搭建出直流无刷电动机控制系统的仿真模型。将主要功能模块的作用与结构简述如下。
3.1 速度控制模块
采用传统PID控制:PID调节模块为MATLAB自带模块,这里不再赘述。 采用模糊PID控制取代傳统PID控制:如图2所示
3.2 参考电流模块
参考电流模块的作用是根据电流幅值信号和三相参考电流,输出的三相参考电流直接输入电流滞环控制模块,用于与实际电流比较进行电流滞环控制。
3.3 电流滞环控制模块
电流滞环控制模块的作用是实现滞环电流控制方法,输入为三相参考电流和三相实际电流,输出为逆变器控制信号,模块结构框图如图3所示。当实际电流低于参考电流且偏差大于滞环比较器的环宽时,对应相正向导通,负向关断;当实际电流超过参考电流且偏差大于滞环比较器的环宽时,对应相正向关断,负向导通。选择适当的滞环环宽,即可使实际电流不断跟踪参考电流的波形,实现电流闭环控制。
3.4 电压逆变模块
电压逆变模块实现的是逆变器功能,输入为位置信号和电流滞环控制模块给出逆变控制信号,输出为三相端电压。该模块可根据位置信号判断电机所处的运行阶段,给出相应的三相端电压信号。
3.5 直流无刷电动机本体模块
在整个系统的仿真模型中,直流无刷电动机本体模块是最重要的部分,该模块根据直流无刷电动机电压方程式求取直流无刷电动机三相相电流,控制框图如图4所示。
3.6 电磁转矩测量模块与机械运动方程模块
由电磁转矩方程和机械运动方程直接得到。
4 仿真试验及结果
根据上述所建直流无刷电动机控制系统的仿真模型,进行仿真试验。直流无刷电动机参数以实际直流无刷电动机控制系统所用的电机参数为参考:额定电压UN=36V,额定电流IN=4.7A,额定转速n=2000r/min,额定转矩TN=0.8Nm,极对数为5。图6、7、8、分别为PID调节时的转速、电流和转矩仿真波形。
图9、10、11分别为模糊PID调节时转速、电流和转矩仿真波形。
从系统速度响应曲线、相电流响应曲线和转矩响应曲线比较分析容易看出:采用模糊PID控制,速度响应快,无超调,当负载突变时,转速有轻微波动,系统对负载的扰动有较好的抗干扰性能;电流脉动较小;当负载突变时,转矩迅速调整到相应稳态。采用模糊PID控制,系统动、静态性能得到改善,并提高了系统鲁棒性和抗干扰能力,从而有效抑制转矩脉动,使系统能够实现更为精确的控制。
6 结论
仿真结果表明:波形符合理论分析,系统能平稳运行。采用该直流无刷电动机仿真模型,可以十分便捷地实现、验证控制算法,改换或改进控制策略也十分简单,只需对部分功能模块进行替换或修改,因此,它为分析和设计直流无刷电动机控制系统提供了有效地手段和工具,也为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。
参考文献
[1] 钟麟,王峰. MATLAB仿真技术与应用[M].北京:国防工业出版社,2004．
[2] 邱晓林,李天柁等.基于MATLAB的动态模型与系统仿真工具—Simulink3.0/4.x [M].西安:西安交通大学出版社,2003,10.
[3] 纪志成,沈艳霞,姜建国.基于Matlab无刷直流电机系统仿真建模的新方法[J].系统仿真学报,2003年12月Vol 15,No 12.
[4] 杨浩东,李榕,刘卫国.无刷直流电动机的数学模型及其仿真[J].微电机,2003年第36卷,第4期.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
【关键词】直流无刷电动机 建模 仿真
【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)08(b)-0145-03
1 引言
直流无刷电动机具有体积小、重量轻、效率高、惯量小和控制精度高等优点,同时还保留了普通直流电动机优良的机械特性,随着直流无刷电动机应用领域的不断扩大,要求控制系统设计简单、成本低廉、控制算法合理、开发周期短。本文采用MATLAB/SIMULINK进行仿真,它具有构造模型简单、动态修改参数实现系统控制容易、界面友好、功能强大等优点,它可以利用鼠标在模型窗口上“画”出所需控制系统模型,然后对系统进行仿真和分析,从而使得一个复杂系统变得相当容易且直观。
2 直流无刷电动机的数学模型
假定直流无刷电动机工作在两相导通星形三相6状态方式下,三相绕组电压方程为
(1)
其中:
ua、ub、uc分别为电动机各相相电压(V)
ia、ib、ic电动机各相相电流(A)
ea、eb、ec电动机各相反电势(V)
R电动机各相绕组的电阻(Ω)
L电动机各相绕组的自感(H)
M电动机各相绕组间的互感(H)
P=d/dt微分算子
电动机的电磁转矩方程为:
(2)
电动机运动方程为:
(3)
其中:Te电磁转矩(N·m)
TL负载转矩(N·m)
J电动机和负载的转动惯量之和(N·m2)
ω机械角速度(rad/s)
3 基于MATLAB/SIMULINK直流无刷电动机系统模型的实现
在MATLAB/SIMULINK环境下,提出建立直流无刷电动机系统仿真模型的方法,系统设计框图如图1所示。
直流无刷电动机建模仿真系统采用双闭环控制方案:转速环由PID调节器构成,电流环由电流滞环调节器构成。根据模块化建模的思想,将图1所示的控制系统分割为各个功能独立的子模块,通过这些功能模块的有机组合,就可以在MATLAB/SIMULINK中搭建出直流无刷电动机控制系统的仿真模型。将主要功能模块的作用与结构简述如下。
3.1 速度控制模块
采用传统PID控制:PID调节模块为MATLAB自带模块,这里不再赘述。 采用模糊PID控制取代傳统PID控制:如图2所示
3.2 参考电流模块
参考电流模块的作用是根据电流幅值信号和三相参考电流,输出的三相参考电流直接输入电流滞环控制模块,用于与实际电流比较进行电流滞环控制。
3.3 电流滞环控制模块
电流滞环控制模块的作用是实现滞环电流控制方法,输入为三相参考电流和三相实际电流,输出为逆变器控制信号,模块结构框图如图3所示。当实际电流低于参考电流且偏差大于滞环比较器的环宽时,对应相正向导通,负向关断;当实际电流超过参考电流且偏差大于滞环比较器的环宽时,对应相正向关断,负向导通。选择适当的滞环环宽,即可使实际电流不断跟踪参考电流的波形,实现电流闭环控制。
3.4 电压逆变模块
电压逆变模块实现的是逆变器功能,输入为位置信号和电流滞环控制模块给出逆变控制信号,输出为三相端电压。该模块可根据位置信号判断电机所处的运行阶段,给出相应的三相端电压信号。
3.5 直流无刷电动机本体模块
在整个系统的仿真模型中,直流无刷电动机本体模块是最重要的部分,该模块根据直流无刷电动机电压方程式求取直流无刷电动机三相相电流,控制框图如图4所示。
3.6 电磁转矩测量模块与机械运动方程模块
由电磁转矩方程和机械运动方程直接得到。
4 仿真试验及结果
根据上述所建直流无刷电动机控制系统的仿真模型,进行仿真试验。直流无刷电动机参数以实际直流无刷电动机控制系统所用的电机参数为参考:额定电压UN=36V,额定电流IN=4.7A,额定转速n=2000r/min,额定转矩TN=0.8Nm,极对数为5。图6、7、8、分别为PID调节时的转速、电流和转矩仿真波形。
图9、10、11分别为模糊PID调节时转速、电流和转矩仿真波形。
从系统速度响应曲线、相电流响应曲线和转矩响应曲线比较分析容易看出:采用模糊PID控制,速度响应快,无超调,当负载突变时,转速有轻微波动,系统对负载的扰动有较好的抗干扰性能;电流脉动较小;当负载突变时,转矩迅速调整到相应稳态。采用模糊PID控制,系统动、静态性能得到改善,并提高了系统鲁棒性和抗干扰能力,从而有效抑制转矩脉动,使系统能够实现更为精确的控制。
6 结论
仿真结果表明:波形符合理论分析,系统能平稳运行。采用该直流无刷电动机仿真模型,可以十分便捷地实现、验证控制算法,改换或改进控制策略也十分简单,只需对部分功能模块进行替换或修改,因此,它为分析和设计直流无刷电动机控制系统提供了有效地手段和工具,也为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。
参考文献
[1] 钟麟,王峰. MATLAB仿真技术与应用[M].北京:国防工业出版社,2004．
[2] 邱晓林,李天柁等.基于MATLAB的动态模型与系统仿真工具—Simulink3.0/4.x [M].西安:西安交通大学出版社,2003,10.
[3] 纪志成,沈艳霞,姜建国.基于Matlab无刷直流电机系统仿真建模的新方法[J].系统仿真学报,2003年12月Vol 15,No 12.
[4] 杨浩东,李榕,刘卫国.无刷直流电动机的数学模型及其仿真[J].微电机,2003年第36卷,第4期.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”