永磁無刷直流電機控制的建模仿真

江蘇省常熟職業(yè)教育中心 何志強

永磁無刷直流電機系統(tǒng)采用雙閉環(huán) （速度環(huán)、電流環(huán)）控制。其中速度環(huán)采用PID控制，其優(yōu)點在于：可根據(jù)不同的運行條件，在保證系統(tǒng)控制精度的前提下，達到提高系統(tǒng)快速性且確?？刂启敯粜缘哪康?。電流環(huán)仍然沿用傳統(tǒng)的PID控制，可滿足控制要求。

在Matlab/Simulink下，根據(jù)模塊化建模的思想，圖1即為在Matlab/Simulink下無刷直流電機控制系統(tǒng)的整體仿真框圖。其中包含：無刷直流電機本體模塊、速度環(huán)調(diào)節(jié)模塊、電流環(huán)調(diào)節(jié)模塊、轉(zhuǎn)速給定模塊和電壓給定模塊等。

圖1 無刷直流電機控制系統(tǒng)的整體仿真框圖

1 無刷直流電機本體模塊

進一步簡化為：

根據(jù)式（2）和式（3）即可得到兩相導(dǎo)通時的電機模型。

當(dāng)兩相導(dǎo)通時，電流從相流到相，為負(fù)值。因電機三相繞組對稱，可用此方法建立兩相導(dǎo)通時的仿真模型，運行時根據(jù)位置信號來切換各個模型即可。

換相邏輯模塊的主要作用是根據(jù)電機轉(zhuǎn)子位置來決定讓哪個繞組通電，從而給這兩相加上相應(yīng)的電壓。本文采用M函數(shù)，根據(jù)電機輸出的轉(zhuǎn)子位置電角度來選擇讓哪兩相的電機模型通電，從而模擬電機運行時三相繞組的通電、斷電。

2 機械運動模塊

機械運動模塊中，模塊輸入為總的電磁功率，通過加乘模塊即可求得電磁轉(zhuǎn)矩信號，最后得到電機轉(zhuǎn)速信號。

3 電流控制?？?/h2>

考慮到電機換向時電流有脈動，所以選取三相電流中絕對值最大的一個作為反饋電流。電流控制模塊的結(jié)構(gòu)較為簡單，電流調(diào)節(jié)采用傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)，電流誤差信號經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后限幅輸出得到電機的輸入電壓。

4 仿真結(jié)果

仿真用的電機模型參數(shù)為：星型連接，額定電壓，額定轉(zhuǎn)速，定子相繞組自感，轉(zhuǎn)動慣量。進行無刷直流電機雙閉環(huán)控制仿真，其中電流PI環(huán)節(jié)中得到電機轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果

另外，給出無刷直流電機雙閉環(huán)控制仿真中得到動態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩、相電流波形，如圖3所示。

圖3 電磁轉(zhuǎn)矩和電流的仿真結(jié)果

在仿真實驗過程發(fā)現(xiàn)，電流環(huán)中的PI控制器參數(shù)、對系統(tǒng)也有影響，應(yīng)適當(dāng)選擇這2個參數(shù)以獲得最佳的PI控制特性。通過仿真結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，本文的無刷直流電機控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)精度高、穩(wěn)態(tài)性能好，實現(xiàn)了建模仿真的效果。