無刷直流電機控制系統仿真建模

隨著電子技術的發展和新型磁體材料的開發，無刷直流電機（blsdm）是隨著新型電、流量管、主電源、旋轉位置傳感器等部分的一個封閉系統。無刷直流電機采用電子交換器代替直流電機的機械交換裝置，以實現直流電機的逆變。數據采集裝置用于控制組的電流變換。它不僅具有直流電機的良好速度特性，而且具有結構簡單、操作可靠、維護方便的特點。此外，由于它體積小、速度快、可靠性好等優點，它現在得到了廣泛應用。隨著bldm在工業應用中的普及，如在系統和速度控制系統中的動態性能和控制精度的要求越來越高。在這項工作中，我們使用自適應比例差分和最小差分控制策略（pid），我們可以設計一個無盲點直流動機的神經系統。它不僅具有強烈的模糊控制能力，而且具有良好的動態響應能力、快速上升時間短的特點，而且具有pid控制器的動態跟蹤質量和穩定性。我們使用nb的基本框架對整個系統進行建模和一般計算機模擬研究。結果表明，該方法可以取得良好的控制效果。1兩組反電動勢測試以兩相導通星形三相6狀態為例,直接利用電機本身的相變量來建立BLDCM的數學模型.假設磁路不飽和,不計渦流和磁滯損耗,三相繞組完全對稱,則三相繞組的電壓平衡方程為???UAUBUC???=???Rs000Rs000Rs??????IAIBIC???+???LsMMMLsMMMLs???p???IAIBIC???+???EAEBEC???+Un???111???(1)Un=UA+UB+UC3?EA+EB+EC3(2)(UAUBUC)=(Rs000Rs000Rs)(ΙAΙBΙC)+(LsΜΜΜLsΜΜΜLs)p(ΙAΙBΙC)+(EAEBEC)+Un(111)(1)Un=UA+UB+UC3-EA+EB+EC3(2)式中:UA、UB、UC為三相定子繞組相電壓(V);IA、IB、IC為三相定子繞組相電流(A);EA、EB、EC為三相定子繞組反電動勢(V);Un為中性點電壓;Rs為三相定子繞組的電阻(Ω);Ls為三相定子繞組的自感(H);M為三相定子繞組之間的互感(H);p=d(·)/dt.又因為在三相對稱的星形繞組電動機中存在IA+IB+IC=0,因而有MIA+MIB+MIC=0,所以式(1)可以化簡為???UAUBUC???=???Rs000Rs000Rs??????IAIBIC???+???Ls?M000Ls?M000Ls?M???p???IAIBIC???+???EAEBEC???+Un???111???(3)(UAUBUC)=(Rs000Rs000Rs)(ΙAΙBΙC)+(Ls-Μ000Ls-Μ000Ls-Μ)p(ΙAΙBΙC)+(EAEBEC)+Un(111)(3)無刷直流電動機的電磁轉矩方程和運動方程為Te=(EAIA+EBIB+ECIC)/ω(4)dω/dt=(Te?TL?Bω)/J(5)Τe=(EAΙA+EBΙB+ECΙC)/ω(4)dω/dt=(Τe-ΤL-Bω)/J(5)式中:Te為電磁轉矩(N·m);TL為負載轉矩(N·m);B為阻尼系數(N·m·s/rad);J為轉子的轉動慣量(kg·m2);dω/dt為轉子機械角加速度(rad/s2).2系統功能模塊在Matlab6.5的Simulink環境下,利用SimPowerSystemToolbox和FuzzyToolbox中的模塊庫,根據上面建立的BLDCM的數學模型,將系統各個單元模塊化,建立獨立的功能模塊:BLDCM本體模塊;速度模糊自適應PID控制模塊;電流滯環控制模塊和三相電壓逆變模塊.通過這些功能模塊的有機組合,實現了整個系統的仿真模型,如圖1所示.該模型與一般基于傳遞函數的仿真模型相比,不但提高了系統模型的準確性,而且便于對電機的相電流、反電動勢、電磁轉矩和轉速進行動態分析.各功能模塊的作用與結構簡述如下.2.1電角度0認定方波無刷直流電機轉矩脈動的主要部分就是由于電流和反電動勢偏離理想波形而產生的轉矩脈動,所以反電動勢模型的建立極其重要.電機旋轉360°電角度,各相的反電動勢波形如圖2所示.本文采用分段線性近似的方法,根據電機轉過的電角度來求取反電動勢,用M文件編寫,程序如下:functionEmf=emf(θ)θ=mod(θ,360);%將電角度轉化到if(θ>=0)&(θ<60)Emf=[1;(30-θ)/30;-1];elseif(θ>=60)&(θ<120)Emf=[1;-1;(θ-90)/30];elseif(θ>=120)&(θ<180)Emf=[(150-θ)/30;-1;1];Elseif(θ>=180)&(θ<240)Emf=[-1;(θ-210)/30;1];elseif(θ>=240)&(θ<300)Emf=[-1;1;(270-θ)/30];elseEmf=[(θ-330)/30;1;-1];end其中θ為電機轉過的電角度.上面得到的是歸一化后的反電動勢,再乘以反電動勢系數Kb和角速度ω就得到實際反電動勢值.根據以上分析得到的三相電壓平衡方程式(3),利用Simulink工具箱,可以建立三相電壓平衡方程的模型.圖3是A相電壓平衡方程的模型,圖中電感L表示的是自感與互感之差,同理可建立B、C兩相的模型.再由式(4)、式(5)以及圖3得出的反電動勢E和相電流I,可以建立如圖4所示的電磁轉矩模型.2.2相電流控制板設計速度環的輸出Is是電流參考給定的絕對值,再根據轉子位置信號,就可以求得該時刻各相實際電流參考的給定值,也使用M文件來編寫.只要設置合適的滯環寬度,就能使電機三相電流跟隨參考電流的變化,實現電流控制作用,結構如圖5所示.2.3雙向逆變橋電路利用SimPowerSystemToolbox中的模塊,選用6個內部自帶反并聯續流二極管的MOSFET開關器件,構成三相逆變橋,根據電流滯環控制器輸出的斬波信號out和由轉子位置信號確定的導通信號(如表1所示),控制逆變器各功率管按一定順序工作,得到可調的三相電壓輸出,給BLDCM供電,結構如圖6所示.2.4模糊規則庫的建立本文構造了以速度誤差e和誤差變化率ec作為輸入,系數Kp、Ki、Kd的增量作為輸出的二維模糊控制器.根據電機的額定轉速1000r/min,可確定誤差e的實際論域范圍為[-1000,1000],誤差變化率de/dt的實際論域范圍為[-2.5×105,2.5×105].對論域進行模糊化,把輸入和輸出量都量化到[-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5]這樣一個區間,對應的模糊子集為NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB.e、ec和Kp、Ki、Kd的隸屬度函數均服從正態分布,如圖7所示.根據隸屬度函數可求得各模糊子集對應的隸屬度.根據專家知識,建立合適的模糊規則庫,可用以下49條模糊條件語句來描述:(1)ife=NBandec=NBthenKp=PB,Ki=NB,Kd=PS;(2)ife=NBandec=NMthenKp=PB,Ki=NB,Kd=NS;(3)ife=NBandec=NSthenKp=PM,Ki=NM,Kd=NB;ue796(49)ife=PBandec=PBthenKp=NB,Ki=PB,Kd=PB.根據上面的模糊規則進行運算,采用面積平分法解模糊,就可以得到系數Kp、Ki、Kd增量的輸出.在Matlab命令窗口中運行Fuzzy函數,進入模糊邏輯編輯器,根據以上分析得到的輸入、輸出的量化區間及其隸屬度函數,模糊規則庫和解模糊方法,建立一個FIS系統文件,在Simulink仿真時輸入對應文件名便可進行調用.將模糊控制器和PID控制器組合在一起構成的自適應復合控制器如圖8所示.3pid的影響根據上面建立的系統模型進行仿真,得到的仿真結果如圖9如示.其中,仿真電機的參數如下:額定轉速為1000r/min,額定電流為2A,反電動勢系數為0.418V/(rad·s-1),L=0.025H,M=0.004H,R=4.4Ω,轉動慣量J=0.0001029kg·m2,直流穩壓電源為250V.對比圖9a、圖9b可以看出:當參考轉速為1000r/min時,普通PID控制響應時間為8ms,超調為5%;模糊PID控制下系統響應快速平穩,響應時間為4ms,調節時間縮短為普通PID控制的一半,并且沒有超調,這在實際的過程控制中有著重要的意義.在0.11s時,負載從1N·m突變為1.5N·m,增加了50%,轉速在模糊控制的調節下,具有自適應能力,速度基本保持不變,見圖9a.在普通PID控制下,轉速發生了突降,下降幅度為2%,見圖9b.由此可以看出,模糊控制有很強的抗干擾能力,能進行自適應調節,魯棒性好.由圖9c可得,開始時電機以最大的電磁轉矩起動,起動后立即與負載轉矩相平衡,進入穩態運行,且轉矩脈動很小,在0.5%以內.在負載突變時,系統能夠快速進行調節,產生合適的電磁轉矩與負載轉矩相匹配.圖9d、圖9e表明,相電流和反電動勢波形都很理想,與理論分析一致,相電流波形是典型的方波,反電動勢波形是梯形.這充分說明建立的BLDCM模型是準確的,且行之有效.4滯環、轉速模糊pid控制的雙閉環雙閉環