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        基于Simulink的無(wú)刷直流電機(jī)伺服控制仿真研究

        2020-10-14 13:51:55羅明宇
        大眾科學(xué)·下旬 2020年1期
        關(guān)鍵詞:無(wú)刷直流電機(jī)仿真

        羅明宇

        摘 要:在分析無(wú)刷直流電機(jī)(Brushless DC Motor,以下簡(jiǎn)稱為 BLDCM)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,提出了無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)建模的新方法。在Matlab/Simulink中,建立獨(dú)立的功能模塊 [1],然后再將這些功能模塊進(jìn)行有機(jī)整合,組建無(wú)刷直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)模型。

        關(guān)鍵詞:無(wú)刷直流電機(jī);伺服控制;Matlab;Simulink;仿真

        中圖分類號(hào):V242.4 ? TP242.2

        前言

        為了更準(zhǔn)確地進(jìn)行無(wú)刷直流電機(jī)控制理論分析和算法驗(yàn)證,本文提出了一種基于三相繞組之間關(guān)系建立并優(yōu)化電流滯環(huán)的無(wú)刷直流電機(jī)控制模型。并通過(guò)仿真表明,該模型具有可靠性高、控制性能良好等特點(diǎn)。

        1 BLDCM數(shù)學(xué)模型

        假設(shè)某型無(wú)刷直流電機(jī)為兩相導(dǎo)通Y型三相六狀態(tài)電機(jī),并假設(shè):

        1)三相繞組完成對(duì)稱;

        2)忽略齒槽、換向過(guò)程和電樞反應(yīng)等影響;

        3)不計(jì)渦流及磁滯損耗;

        4)磁路不飽和。

        2 BLDCM控制系統(tǒng)仿真模型的建立

        2.1電機(jī)本體模塊

        2.1.1反電動(dòng)勢(shì)計(jì)算模塊

        在電機(jī)結(jié)構(gòu)一定的情況下,根據(jù)公式(2)、(3)、(4)可知,三相繞組反電動(dòng)勢(shì)是位置和速度的函數(shù),在此基礎(chǔ)上再乘以速度和電機(jī)結(jié)構(gòu)系數(shù)即得三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)。

        2.1.2轉(zhuǎn)速和位置計(jì)算模塊

        在計(jì)算轉(zhuǎn)速和位置時(shí),用到兩處迭代。一是在計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩時(shí)先假設(shè)一個(gè)速度值,然后根據(jù)公式(8)計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩。二是計(jì)算轉(zhuǎn)速時(shí)利用上述假設(shè)的速度值乘以阻尼系數(shù),然后利用公式(9)計(jì)算角加速度。最后再根據(jù)公式(10)計(jì)算出速度,并利用計(jì)算速度值修正假設(shè)速度值,反饋到公式(8)、(9)迭代計(jì)算,直至收斂。此外在利用公式(11)計(jì)算角度時(shí),由于對(duì)于大于2π的機(jī)械角度計(jì)算不方便,需要將機(jī)械角度限制在2π范圍內(nèi),因此用一個(gè)對(duì)2π求余的模塊,對(duì)機(jī)械轉(zhuǎn)角進(jìn)行回繞。

        2.2控制器模塊

        控制器采用PI算法,主要是根據(jù)給定轉(zhuǎn)速和反饋轉(zhuǎn)速計(jì)算的差值計(jì)算控制電流。

        2.3參考電流模塊

        參考電流主要是根據(jù)電流和位置的關(guān)系,將控制器輸出的控制電流按位置分配給不同的繞組。根據(jù)中電流的矩形波形,參考電流模型采用邏輯開(kāi)關(guān)計(jì)算,當(dāng)某狀態(tài)區(qū)間滿足相應(yīng)的電流條件時(shí),邏輯為開(kāi),輸出相應(yīng)的矩形電流,否則輸出零電流。

        2.4電流滯環(huán)模塊

        電流滯環(huán)模型主要模擬處理器輸出的PWM信號(hào),該信號(hào)輸出給三相全橋電路,用于控制三相全橋電路的六個(gè)開(kāi)關(guān)的打開(kāi)/關(guān)閉。但要注意兩點(diǎn):一是同橋的上、下橋臂開(kāi)/關(guān)狀態(tài)互斥,即如果上橋臂開(kāi),則下橋臂必須關(guān),反之亦然;二是將六路PWM按控制的橋臂分為三組,則當(dāng)一組的H和另一組的L輸出斬波時(shí),第三組的H和L均輸出零。根據(jù)以上原則,電流滯環(huán)模型采用布爾操作。

        2.5三相全橋模塊

        無(wú)刷直流電機(jī)的三相全橋電路,由6個(gè)MOS管組成。

        2.6 BLDCM控制系統(tǒng)仿真模型

        將以上模塊串聯(lián)起來(lái),并考慮速度環(huán)、位置環(huán)、電流環(huán)構(gòu)成的小閉環(huán),以及三相繞組特性參數(shù)的差異所引入平均補(bǔ)償電壓un(在公式(7)后面加un列向量,然后三相電壓相加即可求出),可得到BLDCM控制系統(tǒng)仿真模型。

        3仿真結(jié)果

        將上述建立的模型進(jìn)行仿真分析,根據(jù)某型無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù),設(shè)定相關(guān)仿真參數(shù):極對(duì)數(shù)2,額定電壓56V,額定電流4.2A,繞組電阻2.8Ω,繞組自感5mH,繞組互感0mH,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.005kg.m2,阻尼系數(shù)2e-4N.m.s/rad,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)0.028V/(rad.s-1),負(fù)載轉(zhuǎn)矩0.8N.m,仿真采用變步長(zhǎng)ode45算法,仿真時(shí)間10s。在第2s給定轉(zhuǎn)速1000r/min,仿真結(jié)果如下:

        a)未給定轉(zhuǎn)速時(shí),電機(jī)反饋轉(zhuǎn)速為0r/min;在第2s給定轉(zhuǎn)速1000r/min時(shí),反饋轉(zhuǎn)速?gòu)?r/min到給定轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間為0.66s,超調(diào)量為0,穩(wěn)態(tài)誤差值1r/min,誤差百分比0.1%。

        b)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為0r/min時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為0V;當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為梯形波,最大值為16.4V。

        c)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為0r/min時(shí),相電流最大1.08A;在第2s給定轉(zhuǎn)速1000r/min時(shí),瞬態(tài)電流最大,最大值為10A;當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1000r/min時(shí),相電流穩(wěn)定在額定電流4.2A。

        d)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為0r/min時(shí),平均電磁轉(zhuǎn)矩為0N.m;在第2s給定轉(zhuǎn)速1000r/min時(shí),瞬態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩最大,最大值為3.08N.m;當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí),平均電磁轉(zhuǎn)矩最大值為0.82N.m。

        從以上分析可見(jiàn),該無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間快、無(wú)超調(diào)、穩(wěn)定性好,同時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、相電流、電磁轉(zhuǎn)矩的波形和大小均符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求,仿真模型可靠有效。

        4結(jié)語(yǔ)

        結(jié)果表明,該無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間快、無(wú)超調(diào)、穩(wěn)定性好,同時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、相電流、電磁轉(zhuǎn)矩的波形和大小均符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求,模型滿足系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)要求。本文仿真模型由不同功能的子模塊搭建組合而成,修改相關(guān)參數(shù)或變更控制方案簡(jiǎn)單易行,可為研究無(wú)刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)提供參考。

        參考文獻(xiàn):

        [1] 譚建成,無(wú)刷直流電機(jī)技術(shù)[M],北京,機(jī)械工業(yè)出版社,2011:22-182.

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