无刷直流电机的数学模型及其系统仿真_朱彩红

第19卷第2期2008年6月

苏州市职业大学学报

JournalofSuzhouVocationalUniversity

Vol.19No.2Jun.2008

无刷直流电机的数学模型及其系统仿真

朱彩红

(苏州市职业大学电子信息工程系,江苏苏州215104)

摘要:无刷直流电机非线性系统。在Matlab6.5的Simulink环境下,利用Simulink和(BLDCM)是一个多变量、

FuzzyLogicToolbox丰富的模块库,在BLDCM数学模型的基础上,建立了BLDCM模糊PI控制系统的仿真模型。给

出了传统PI控制算法和模糊PI控制算法下的电机转速波形,从而验证了数学模型的有效性及控制系统的合理性。关键词:无刷直流电机;双闭环控制系统;模糊PI算法;数学模型;仿真中图分类号:TM33

文献标识码:A

文章编号:1008-5475(2008)02-0082-03

0引言

电机作为机电能量转换装置,无刷直流电机是

相带整距绕组;(2)不考虑(1)定子绕组为60°

齿槽效应和磁路饱和;(3)忽略磁滞、涡流、集肤效应和温度对参数的影响;(4)三相定子绕组对称,Ra=

集电机和电子一体化的高新技术产品,它以体积小、重量轻、效率高、惯量小和控制精度高等优点,同时又保留了普通直流电动机优良的机械特性,广泛地应用于国民经济的各个领域。现代工业的快速发展对无刷直流电动机控制系统的性能要求不断提高[1-3]。因此,研究具有响应速度快、调节能力强、控制精度高的无刷直流电动机控制系统具有十分重要的意义。通过建立无刷直流电机的数学模型,完成模糊PI控制系统的设计和仿真,进一步综合模糊PI控制理论的先进性和DSP的优势,为构建出一个基于DSP的无刷直流电机模糊PI控制系统的设计和研究奠定了基础,旨在使先进控制思想能从实验室走向生产实践。

Rb=Rc,La=Lb=Lc,Mab=Mbc=Mca。

这样设每相电阻为R,每相自感L,任意两相互感为M,可写出其电压平衡方程式:

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又因三相对称电动机的存在,故经整理得:

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1无刷直流电机的数学模型

通常采用的是无刷直流电机的等效电路图(如

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图1)。为了简化分析,作出以下假设[4-5]:

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(2)

运动方程式为:

Tem=TL-Bω=Jdω

图1

无刷直流电机的等效电路图

(3)(4)

(eaia+ebib+ecic)/ωTem=

收稿日期:2008-01-20

作者简介:朱彩红(1979-),女,江苏张家港人,讲师,硕士,研究方向:电机控制。

-82-

2008年第2期朱彩红:无刷直流电机的数学模型及其系统仿真

式中:ω为电机转子的角速度;TL为负载转矩;B为粘滞阻尼系数;J为转子及负载的转动惯量。这样就构成了完整的三相无刷直流电机的数学模型。

很难实现。为了节省仿真的实现时间,这里采用直接更换Kp、Ki值的方法来实现PI参数的调整,根据输入量直接得到Kp、Ki的值,而不是△Kp、△Ki的值。

选取速度偏差信号e和偏差信号的变化率△e作为输入量,Kp、Ki为输出量。将输入量e、△e的模糊语言变量的语言值和模糊论域统一定义成{NB,

22.1

无刷直流电机控制系统的仿真设计控制系统整体设计

常规的PI控制对于可建立精确数学模型的控

制系统,具有算法简单、精度高、可靠性强的优点。但对于电动机调速系统,难于精确建模,所以使得控制系统的鲁棒性不尽人意。在诸多的控制策略中,模糊控制不依赖被控对象的数学模型,其控制规则通过对操作者的经验进行归纳和优化而得到。因此,在工业过程中得到了广泛的应用。在本控制系统中,将模糊控制与PI控制两者结合起来,既具有模糊控制灵活而适应性强的优点,又具有PI控制精度高的特点,能明显改善系统的静态和动态性能,有较好的控制效果。

模糊PI控制器的设计是一个反复调试的过程,离线计算量很大。为了节省时间,加快设计速度,一般采用计算机辅助设计,而在工程应用中多用

NM,NS,ZO,PS,PM,PB}和[-3,-2,-1,0,1,2,3],将

输出量Kp、Ki的模糊语言变量的语言值和模糊论域统一定义成{VS,S,M,L,VL}和[1,2,3,4,5]。隶属函数图形取为三角形。根据△Kp、△Ki模糊控制规则表的制作原则,制作Kp、Ki的控制规则表;最后选择合适的输入、输出量化因子即可构成完整的速度模糊

PI调节模块。2.3

仿真结果分析

仿真用的电机模型参数为:三相23对极,星型连接,额定电压Ud=36V,额定转速nN=300r/min,相电阻R=1,相电感L=0.0023H,互感M=0.0004H,转动惯量J=0.005,电势系数Ke=0.062V/rad・s-1。

仿真步骤具体如下:首先进行无刷直流电机速度、电流双闭环控制系统传统PI控制的仿真,在速度PI环节中,取Kp=10,Ki=5;在电流PI环节中,取

Matlab仿真软件。

在Matlab6.5的Simulink环境下,利用Simulink和FuzzyLogicToolbox丰富的模块库,在分析

Kp=5,Ki=7,就可以得到传统PI控制的电机转速仿

真曲线,如图3所示。然后进行模糊PI控制系统的仿真,在电流PI环节中Kp=5,Ki=7,输入、输出因子

BLDCM数学模型的基础上,建立了BLDCM模糊PI

控制系统的仿真模型。本控制系统仿真建模采用双闭环控制方案,转速环采用模糊PI调节器构成,电流环由传统PI调节器构成,图2为BLDCM控制系统的整体仿真框图。根据模块化建模的思想,将控制系统分割为各个功能独立的子模块,其中主要包括:速度调节模块、电流调节模块、换BLDCM本体模块、相模块和机械运动模块。

Ke=0.01,K△e=0.005,Kpu=1,Kiu=0.5,可以得到模糊PI控制的电机转速仿真曲线,如图4所示。

2.2速度模糊PI控制模块

模糊PI控制采用的是增量式方法来调整PI参

仿真结果表明,采用模糊PI控制算法后,

控制

数,而这种增量式方法在Matlab的Simulink环境下

-83-

苏州市职业大学学报第19卷

系统的响应速度加快,动态性能变好,而且没有超调和振荡,具有较强的鲁棒性,这是单纯的PI控制难以实现的。

计,具有很好的理论指导作用。参考文献:

[1][2]

史浩,潘再平.无刷直流电机模糊控制系统及仿真分析[J].微电机,2005,38(5):42-44.

陈娅冰,周治平,纪志成.无刷直流电机模糊PI智能控制[J].江南大学学报:自然科学版,2005,4(1):14-18.

3结论

本文在Matlab仿真软件环境下进行了无刷直

流电机双闭环控制系统的仿真,电流环采用传统的在设计模糊PI控PI控制,速度环采用模糊PI控制。

制器仿真时,模糊控制规则的调整简单易行,从而设计出了具有优良性能的无刷直流电机模糊PI控制器。仿真结果表明:模糊PI控制器相对传统PI控制器,可使无刷直流电机控制系统具有更快的响应速度,且没有超调和振荡。仿真中所选用的模糊控制规则对基于DSP的无刷直流电机模糊控制系统的设

[3]吴雪梅,景占荣,史永奇.基于DSP的直流无刷电机控制技术研究[J].机械与电子,2005(3):50-52.

[4]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,2003,15(12):1745-1749.

[5]杨彬,江建中.永磁无刷直流电机调速系统的仿真[J].上

海大学学报,2001,7(6):520-526.

(责任编辑:李华)

MathematicalModelandSystemSimulationoftheBLDCM

ZHUCai-hong

(SuzhouVocationalUniversity,Suzhou215104,China)

)isamulti-variableandnon-linearsystem.Abstract:ThebrushlessDCmotor(BLDCM

Inthispaperthe

mathematicalmodeloftheBLDCMisfounded,thesimulationmodelofthedoubleclosed-loopcontrolsystemisdesignedbyusingMatlab6.5,andtherotationalspeedprofilesoftheelectricalmachineryaregivenonthecontrolstrategyoftraditionalPIalgorithmandfuzzy-PIalgorithm,andthenthevalidityoftheproposedBLDCMmodelandtherationalityofthecontrolsystemareallconfirmed.Keywords:simulation

BLDCM;

doubleclosed-loopcontrolsystem;

fuzzy-PIalgorith;

mathematicalmodel;

-84-

第19卷第2期2008年6月

苏州市职业大学学报

JournalofSuzhouVocationalUniversity

Vol.19No.2Jun.2008

无刷直流电机的数学模型及其系统仿真

朱彩红

(苏州市职业大学电子信息工程系,江苏苏州215104)

摘要:无刷直流电机非线性系统。在Matlab6.5的Simulink环境下,利用Simulink和(BLDCM)是一个多变量、

FuzzyLogicToolbox丰富的模块库,在BLDCM数学模型的基础上,建立了BLDCM模糊PI控制系统的仿真模型。给

出了传统PI控制算法和模糊PI控制算法下的电机转速波形,从而验证了数学模型的有效性及控制系统的合理性。关键词:无刷直流电机;双闭环控制系统;模糊PI算法;数学模型;仿真中图分类号:TM33

文献标识码:A

文章编号:1008-5475(2008)02-0082-03

0引言

电机作为机电能量转换装置,无刷直流电机是

相带整距绕组;(2)不考虑(1)定子绕组为60°

齿槽效应和磁路饱和;(3)忽略磁滞、涡流、集肤效应和温度对参数的影响;(4)三相定子绕组对称,Ra=

集电机和电子一体化的高新技术产品,它以体积小、重量轻、效率高、惯量小和控制精度高等优点,同时又保留了普通直流电动机优良的机械特性,广泛地应用于国民经济的各个领域。现代工业的快速发展对无刷直流电动机控制系统的性能要求不断提高[1-3]。因此,研究具有响应速度快、调节能力强、控制精度高的无刷直流电动机控制系统具有十分重要的意义。通过建立无刷直流电机的数学模型,完成模糊PI控制系统的设计和仿真,进一步综合模糊PI控制理论的先进性和DSP的优势,为构建出一个基于DSP的无刷直流电机模糊PI控制系统的设计和研究奠定了基础,旨在使先进控制思想能从实验室走向生产实践。

Rb=Rc,La=Lb=Lc,Mab=Mbc=Mca。

这样设每相电阻为R,每相自感L,任意两相互感为M,可写出其电压平衡方程式:

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又因三相对称电动机的存在,故经整理得:

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通常采用的是无刷直流电机的等效电路图(如

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运动方程式为:

Tem=TL-Bω=Jdω

图1

无刷直流电机的等效电路图

(3)(4)

(eaia+ebib+ecic)/ωTem=

收稿日期:2008-01-20

作者简介:朱彩红(1979-),女,江苏张家港人,讲师,硕士,研究方向:电机控制。

-82-

2008年第2期朱彩红:无刷直流电机的数学模型及其系统仿真

式中:ω为电机转子的角速度;TL为负载转矩;B为粘滞阻尼系数;J为转子及负载的转动惯量。这样就构成了完整的三相无刷直流电机的数学模型。

很难实现。为了节省仿真的实现时间,这里采用直接更换Kp、Ki值的方法来实现PI参数的调整,根据输入量直接得到Kp、Ki的值,而不是△Kp、△Ki的值。

选取速度偏差信号e和偏差信号的变化率△e作为输入量,Kp、Ki为输出量。将输入量e、△e的模糊语言变量的语言值和模糊论域统一定义成{NB,

22.1

无刷直流电机控制系统的仿真设计控制系统整体设计

常规的PI控制对于可建立精确数学模型的控

制系统,具有算法简单、精度高、可靠性强的优点。但对于电动机调速系统,难于精确建模,所以使得控制系统的鲁棒性不尽人意。在诸多的控制策略中,模糊控制不依赖被控对象的数学模型,其控制规则通过对操作者的经验进行归纳和优化而得到。因此,在工业过程中得到了广泛的应用。在本控制系统中,将模糊控制与PI控制两者结合起来,既具有模糊控制灵活而适应性强的优点,又具有PI控制精度高的特点,能明显改善系统的静态和动态性能,有较好的控制效果。

模糊PI控制器的设计是一个反复调试的过程,离线计算量很大。为了节省时间,加快设计速度,一般采用计算机辅助设计,而在工程应用中多用

NM,NS,ZO,PS,PM,PB}和[-3,-2,-1,0,1,2,3],将

输出量Kp、Ki的模糊语言变量的语言值和模糊论域统一定义成{VS,S,M,L,VL}和[1,2,3,4,5]。隶属函数图形取为三角形。根据△Kp、△Ki模糊控制规则表的制作原则,制作Kp、Ki的控制规则表;最后选择合适的输入、输出量化因子即可构成完整的速度模糊

PI调节模块。2.3

仿真结果分析

仿真用的电机模型参数为:三相23对极,星型连接,额定电压Ud=36V,额定转速nN=300r/min,相电阻R=1,相电感L=0.0023H,互感M=0.0004H,转动惯量J=0.005,电势系数Ke=0.062V/rad・s-1。

仿真步骤具体如下:首先进行无刷直流电机速度、电流双闭环控制系统传统PI控制的仿真,在速度PI环节中,取Kp=10,Ki=5;在电流PI环节中,取

Matlab仿真软件。

在Matlab6.5的Simulink环境下,利用Simulink和FuzzyLogicToolbox丰富的模块库,在分析

Kp=5,Ki=7,就可以得到传统PI控制的电机转速仿

真曲线,如图3所示。然后进行模糊PI控制系统的仿真,在电流PI环节中Kp=5,Ki=7,输入、输出因子

BLDCM数学模型的基础上,建立了BLDCM模糊PI

控制系统的仿真模型。本控制系统仿真建模采用双闭环控制方案,转速环采用模糊PI调节器构成,电流环由传统PI调节器构成,图2为BLDCM控制系统的整体仿真框图。根据模块化建模的思想,将控制系统分割为各个功能独立的子模块,其中主要包括:速度调节模块、电流调节模块、换BLDCM本体模块、相模块和机械运动模块。

Ke=0.01,K△e=0.005,Kpu=1,Kiu=0.5,可以得到模糊PI控制的电机转速仿真曲线,如图4所示。

2.2速度模糊PI控制模块

模糊PI控制采用的是增量式方法来调整PI参

仿真结果表明,采用模糊PI控制算法后,

控制

数,而这种增量式方法在Matlab的Simulink环境下

-83-

苏州市职业大学学报第19卷

系统的响应速度加快,动态性能变好,而且没有超调和振荡,具有较强的鲁棒性,这是单纯的PI控制难以实现的。

计,具有很好的理论指导作用。参考文献:

[1][2]

史浩,潘再平.无刷直流电机模糊控制系统及仿真分析[J].微电机,2005,38(5):42-44.

陈娅冰,周治平,纪志成.无刷直流电机模糊PI智能控制[J].江南大学学报:自然科学版,2005,4(1):14-18.

3结论

本文在Matlab仿真软件环境下进行了无刷直

流电机双闭环控制系统的仿真,电流环采用传统的在设计模糊PI控PI控制,速度环采用模糊PI控制。

制器仿真时,模糊控制规则的调整简单易行,从而设计出了具有优良性能的无刷直流电机模糊PI控制器。仿真结果表明:模糊PI控制器相对传统PI控制器,可使无刷直流电机控制系统具有更快的响应速度,且没有超调和振荡。仿真中所选用的模糊控制规则对基于DSP的无刷直流电机模糊控制系统的设

[3]吴雪梅,景占荣,史永奇.基于DSP的直流无刷电机控制技术研究[J].机械与电子,2005(3):50-52.

[4]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,2003,15(12):1745-1749.

[5]杨彬,江建中.永磁无刷直流电机调速系统的仿真[J].上

海大学学报,2001,7(6):520-526.

(责任编辑:李华)

MathematicalModelandSystemSimulationoftheBLDCM

ZHUCai-hong

(SuzhouVocationalUniversity,Suzhou215104,China)

)isamulti-variableandnon-linearsystem.Abstract:ThebrushlessDCmotor(BLDCM

Inthispaperthe

mathematicalmodeloftheBLDCMisfounded,thesimulationmodelofthedoubleclosed-loopcontrolsystemisdesignedbyusingMatlab6.5,andtherotationalspeedprofilesoftheelectricalmachineryaregivenonthecontrolstrategyoftraditionalPIalgorithmandfuzzy-PIalgorithm,andthenthevalidityoftheproposedBLDCMmodelandtherationalityofthecontrolsystemareallconfirmed.Keywords:simulation

BLDCM;

doubleclosed-loopcontrolsystem;

fuzzy-PIalgorith;

mathematicalmodel;

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