无刷电机调速系统的仿真研究_董莹.docx

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第35卷第3期

山西大同大学学报（自然科学版）

Vol.35.No.3

2019年6月

JournalofShanxiDatongUniversity（NaturalScience）

Jun2019

文章编号:

1674-0874（2019）03-0017-05

无刷电机调速系统的仿真研究

董 莹

（青海民族大学物理与电子信息工程学院，青海西宁810007）

摘要:

以两极三相无刷电机为例，采用双闭环调速系统构建数学模型，包括时间常数的确定，结构的选择和参数的计算，并在simulink仿真平台进行实验。

仿真结果表明，所构建的无刷电机双闭环调速系统模型在Saturation模块中的Upperlimit数值为10，Integrator模块UpperSaturationlimit参数为3时达到最佳，达到预期效果。

关键词:

无刷电机；双闭环；参数计算；Simulink仿真平台

中图分类号:

TM712 文献标识码:

A

无刷直流电机被广泛运用于工业自动化、汽车工业、航天航空等各个领域，具有很强的现实应用价值。

调速系统是电机的关键，随着时代与工业化的发展对无刷直流电机的调速系统性能的要求也越来越高，设计具有高性能的电机调速系统对于实际生产非常重要[1]。

许多有序的学者致力于无刷直流电机调速系统的研究，石征锦（2016）等人在基于

Matlab/Simulink仿真平台搭建了BLDCM调速系统仿真模型并进行了仿真实验；邓元望（2018）等人就基于无刷直流电机模型的基础上提出了一种优化的控制算法，并建立了Matlab/Simulink仿真模型进行了仿真测试结果显示大幅度提高了系统的稳定性，由此可见无刷电流机系统模型的构建之间影响到电机的性能，是无刷直流电机发展的重点研究内容。

对此文章主要建立无刷电流机的双闭环调速系统模型，并利用Simulink模块对无刷直流电机调速系统进行仿真研究，是否达到预期要求，从而指导实际生产。

1无刷电机双闭环调速系统

1.1系统的工作原理

调速系统主要是对转速进行控制。

与单闭环相比，电流环和转速环双闭环调速系统可以弥补电枢回路电阻的压降。

双闭环调速系统电路原理如图1所示，图中的ASR代表的是转速调节器，用来调节电动机的转速，而ACR则代表着电流调节器，用来调节电枢电流。

两个调节器串联，转速调节器的输出经过限幅后给到电流调节器的输入，限幅的作用是保护调节器，防止电压电流过高损毁设备，而电流调节器的输出经过限幅后给到电力电子变换器的输入。

电流环在内部，被称为内环；转速环在外部，被称为外环。

转速调机器和电流调节器的输出都带有限幅，电流调节器ACR的给定电压最大值Uim取决于转速调节器ASR的输出限幅什Uim，以此类推。

图1双闭环调速系统电路原理图

收稿日期:

2018-12-06

作者简介:

董莹（1976-），女，北京房山人，硕士，讲师，研究方向：

电子技术应用，EDA技术与应用。

·18·

1.2数学模型的建立

山西大同大学学报（自然科学版） 2019年

其中，Id为方波电流的幅值，Ω为电机的角速度

本次数学模型的构建参照两极三相无刷直流电机，电动机定子绕组接法采用Y型接法，绕组形式采用集中整距绕组形式。

电动机转子结构是隐极内转子结构。

在电动机空间上相隔120度分别放置一个霍尔元件，总共放置三个霍尔元件。

根据以上条件，作出以下假设：

（1）假设电机的铁心是不饱和的，同时不计涡流

与磁滞损耗;

（rad/s），Ω为2πn/60。

由式（5）可以得到以下结论：

通过控制逆变器输出波电流幅值就可以控制直流无刷方波电机的电磁转矩。

而且电动机转子的运动方程为：

d i

T=JdΩ+BΩ+T。

（6）

dt

通过进一步化简可得

dΩ=1（Td-Tl）-BΩ， （7）

dt J J

（2）假设电机不发生电枢反应;

（3）假设不存在齿槽效应，电枢导体均匀分布;

（4）驱动电路的续流二极管和功率元件都具备理想的开关特性。

根据假设条件可得：

其中：

Tl为负载转矩，J为转子与负载的转动惯量，

B为粘滞阻尼系数。

s

本系统中的三相逆变器在任何时刻只有两相导电，而且电机的输出相电压幅值为U=1U，因

2

éuaù

ér00ùéiaù

éLMMù

éiaù

éeaù

此，每相绕组的动态方程式为式（8），其中Us为电

êuú=ê0r0úêiú+êMLMúpêiú+êeú



（1）

源电压

u

ëcû

i

e

êbú

ëcû

ë00rûêibú

ëMMLû

êbú

ëcû

êbú

ëcû，

U=1U=iR

+Ldid+E。

（8）

其中，P为微分算子，L为每相绕组的自感，M为

2s da

adt

每两相绕组的互感。

定子绕组的互感，自感均是常数。

Ea、eb、ec分别为三相定子反电动势。

因三相绕组连接方式为Y型，电动机三相绕组没有中线时，则有[2]：

考虑到理想状态下，因此忽略粘性摩擦，那么

电动机的转矩平衡方程式为：

M-M=GD2Ra， （9）

d l 375CeCm

éuaù

éRa00ùéiaù

éL-M00ù

éiaù

éeaù

由式（8）可得：

êuú=ê0Rb0úêiú+ê0L-M0úpêiú+êeú



（2）

u

ëcû

i

e

êbú

ëcû

ë00Rcûêibú

ë00L-Mû

êbú

ëcû

êbú

ëcû。

i-i

=Tm

dE。

（10）

电磁转矩为：

Td=（eaia+ebib+ecic）。

在直流无刷电动机通电期间，它的带电导体处在相同的磁场下，

d L Radt

在对式（8）和式（10）两边分别进行拉式变换后可得：

每一相绕组的电动势都是：

Id（s）

1U（s）-E（s）

=

1Ra

TLs+1

（11）

E=pmNΦ

m 30 m

n， （3）

2s

E（s） R

其中，Pm为电动机极对数，N为总导体数，n



Id（s）-IL（s）

=a， （12）

Tms

为电动机转速。

则有

联合式（11）和式（12），同时考虑到E=Cen，在

Ed=2Em

=pmNΦ

15 m

n， （4）

此可得到直流无刷电机的动态结构图，如图2所

所以有：

2EI 4pN

示。

其传递函数为：

n（s）= 1



。

（13）

T= md=mΦ

I， （5）

U（s） Ce+CeTmS（TlS+1）

md

d Ω πn

TOi-电流反馈波时间常数；TON-转速反馈滤波时间常数

图2双闭环调速系统的动态结构框图

2019年

董莹：

无刷电机调速系统的仿真研究

·19·

图2为双闭环调速系统的动态结构框图，该图是由双闭环调速系统与直流无刷电机整合而来，但是因为电流检测信号中存在交流分量，必须施加低通滤波，它的滤波时间常数Toi按需要来整定。

因为转速换和电流环相似，所以要在转速给定通道中也配上给定滤波环节，时间常数为Ton。

这两个常数根

31.72K，Ci=τi/Ri=0.033/31720=1uf，Coi=4Toi/R0=4*

0.002/4k=0.2uf。

2.2转速调节器的设计

1）确定ASR的时间常数

（1）在此我们设电流环ASR等效时间常数为1/

KI。

根据上述可知，KITΣi=0.5，得

据实际来整定[3]。

1=2TKI Σi

=2×0.0037s=0.0074s。

2双闭环直流调速系统调节器设计

2.1电流调节器的设计

1）确定ASR的时间常数

（1）电路中为了整流需要设置整流装置，整流



（2）转速环中需要设置滤波装置，我们设滤波时间常数为Ton，取Ton=0.01s。

（3）转速环等效时间常数加上滤波时间常数等于TΣn。

得

装置需要确定滞后时间常数，这个常数我们在这设

为Ts。

那么三相全控桥电路的Ts为0.0017s。

T=1

Σn KI

+Ton=0.0074s+0.01s=0.0174s。

（2）电路中为了滤波我们需要添加一个滤波装置，该滤波装置的滤波时间常数我们通常设为

2）选择转速调节器结构

根据设计要求，采用PI调节器，传递环数为

Toi。

在日常的生产中，一个三相全控桥电路种每个波头的时间大约是3.3ms，波头对实验会产生干

WASR

（s）=Kn（τns+1）。

（15）

τns

扰，所以我们需要滤平波头，在这近似取1到2倍的Toi=3.3ms，那么可得Toi=2ms=0.002s。

（3）滞后时间常数加上滤波时间常数即为

3）计算ASR参数

转速负反馈作为电机转速到达稳态后其主要作用的调节器，不仅需要转速调节器跟随性能好还

TΣi

。

取得TΣi=Ts+Toi=0.0037s。

需要较强的抗干扰的能力，综合考虑取h=5，则

ASR的超前时间常数为

2）选择电流调节器的结构

本次设计中，对于静差率的要求是低于5%，

即σi≤5%，还要求电流到达稳态时能够与经过比

τn=hTΣn=5×0.0174s=0.087s，

则转速环开环增益

K=h+1= 6 s-2=396.4s-2，

例调节能够恢复到预定值，典型Ⅰ型系统恰恰可以

满足这两个条件，所以就按照这个进行电流调节器设计。

PI型调节器适用于多种情况，其中包括控制对象是双惯性的，在此，电流环控制的对象恰恰如

N 2h2T2 2×52×0.01742

Σn

可得ASR的比例系数为

Kn=（h+1）βCeTm/（2hαRTΣn）=34.92，

式中：

电动势常数C=（U-IR）/N=（220-6.5*3.7）/

此，所以可对电流环进行PI设计。

传递函数为

1500=0.131。

e n nn n

WACR（s）

=Ki（τis+1）， （14）

τis

转速反馈系数α=0.007Vmin/r。

对电源电压的抗干扰性能进行检查：

Tl/TΣi=

0.033/0.0037=8.92,可知典型I型系统的动态抗扰性能，各项指标都在可接受范围之内，所以上述满足条件。

3）电流调节器的参数计算

ACR超前时间常数：

τi=Tl=0.033s。

电流开环增益：

要求σi≤5%时，取KITΣi=0.5，

T

因此，K=0.5=0.5=135.1s-1

取R0为40K，则

N

N

O

R=KR=34.92*40K=1396.8KΩ，

Cn=τi/Rn=0.08