无刷电机调速系统的仿真研究_董莹Word文档下载推荐.docx

1、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

2、，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

3、子技术应用，EDA 技术与应用。181.2 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， 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）， 为2n/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

4、iT = J d + B + T 。（6）dt通过进一步化简可得d = 1 （Td - Tl） - B，（7）dtJJ（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 = 1 U ，因2uar00iaLMMea此，每相绕组的动态方程式为式（8），其中 Us 为电u = 0r0i + MLM pe （1）源电压u cie b00ribMML ，

5、U = 1 U = i R+ L did + E。（8）其中，P 为微分算子，L 为每相绕组的自感，M 为2 sd aa dt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 = GD2 Ra ，（9）dl375 CeCmRa00L - M00由式（8）可得：0Rb00L - M0（2）00Rc00L - M 。i - i= TmdE。（10）电磁转矩为：Td=（eaia +ebib+ecic）。在直流无刷电动机通电期间

6、，它的带电导体处在相同的磁场下，dLRa dt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）1 U （s） - E（s）=1 RaTL s + 1（11）E = pm N m30mn，（3）2 sE（s）R其中，Pm 为电动机极对数，N 为总导体数，nId （s） - IL （s）= a ，（12）Tm s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= pm N 15mn，（4）此可得到直流无刷电机的动态结构图，如图 2 所所以有：2E I4p N示。其传递函数为：n（s） =1。（13）T = m d

7、 = m I ，（5）U （s）Ce + CeTmS （TlS + 1）m ddnTOi-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：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= i / Ri =0.033/31720=1uf，Coi =4Toi/R0=4*0.002/4k=0.2uf。2.

8、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，KI Ti = 0.5 ，得据实际来整定3。 1 = 2T KIi= 2 0.0037s = 0.0074 s。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 = 0.01 s 。（3） 转速环等效时间常数加上滤波时间常数等于 Tn 。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0.0017

9、 s。T = 1nKI+ Ton = 0.0074s + 0.01s = 0.0174 s。（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3.3 ms，波头对实验会产生干WASR（s） = Kn（n s + 1）。（15）n s扰，所以我们需要滤平波头，在这近似取1 到2 倍的Toi=3.3 ms，那么可得Toi=2 ms=0.002 s。（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

10、其主要作用的调节器，不仅需要转速调节器跟随性能好还Ti。取得 Ti = Ts + Toi = 0.0037 s。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 i 5% ，还要求电流到达稳态时能够与经过比n = hTn = 5 0.0174s = 0.087 s，则转速环开环增益K = h + 1 = 6s-2 = 396.4s-2，例调节能够恢复到预定值，典型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

11、象恰恰如N2h2T 22 52 0.01742n可得ASR 的比例系数为Kn =（h+1）CeTm /（2hR Tn ）= 34.92，式中 ：电 动势常数 C =（U - I R ）/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。enn nnWACR（s）= Ki（i s + 1），（14）i s转速反馈系数=0.007Vmin/r。对电源电压的抗干扰性能进行检查：Tl / Ti =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：i =Tl=0.033 s。电流开环增益：要求 i 5% 时，取 KITi = 0.5，T因 此 ，K = 0.5 = 0.5 = 135.1 s-1取R0 为40K，则NOR =K R =34.92*40K=1396.8K，Cn= i /Rn=0.08