直流电动机双闭环控制系统的设计仿真.docx

摘要传统的直流电机一直在电机驱动系统中占据主导地位，但由于其本身固有的机械换向器和电刷导致电机容量有限、噪音大和可靠性不高，因而迫使人们探索低噪音、高效率并且大容量的驱动电机。随着电力电子技术和微控制技术的迅猛开展成熟起来的直流无刷电机具有体积小、重量轻、效率高、噪音低、容量大且可靠性高的特点，从而使其极有希望代替传统的直流电机成为电机驱动系统的主流。首先，从电机本体和控制角度出发，阐述了直流无刷电机在实际应用中需要解决的关键性问题：电磁转矩脉动。详细分析了电磁转矩脉动产生的各种原因，特别是分析了相电流换向所产生的纹波转矩脉动。其次，本文对无刷直流电动机的工作原理进行了详尽的分析，建立了三相无刷直流电动机的数学模型。并利用MAT1.AB/SIMU1.lNK软件建立了三相无刷直流电动机的控制系统仿真模型。仿真模型采样的是电机控制系统中常用的双环系统（转速一电流双闭环控制）。为了提高系统的静动态特性，转速外环采用Pl调节器，电流内环采用Pl调节器。转子位置通过直流无刷电机感应电势检溺，仿真结果说明了该仿真模型控制系统与理论分析完全吻合，从而证明了模型的有效性。然后，初步设计了伺服系统的原理图。以PlD控制器作为整个控制电路的核心，一台40w的直流无刷电机作为被控对象，完成了伺服系统的转速控制。最后，对未来的工作给予了展望，并对全文的内容进行了总结。关键词：无刷直流电动机；转矩脉动；PID控制器AbstractConventionalDCmotoralwaystakesupdominantpositionindrivingsystem,butitsinherentmechanicalcommutatorandbrushbringonlimitedcapability,lowreliabilityandbignoise.TheseshortcomingnecessitateUStodevelopelowernoise,highefficiencyandbigcapabilitydrivingmotor.Withthedevelopmentofthepowerelectronicsandmicro-controltechnique,permanent-magnetbrushlessDCmotorpossessessmallvolume,lightweight,highefficiency,lownoise,bigcapabilityandreliability,soitishopefultobecomemainmotorindrivesystem.Fuzzycontrollerhastheadvantageofrobusttraitandstronganti-jammingmerit.First,fromthepointofviewofmotorandcontrol,thepaperexpoundsallkindsofcauseofbrushlessdemotor,srippletoque.Especially,analyzesthecauseofcommutationrippietorque.Second,mathematicalmodelispresentedbasedonthetheoperatingprincipleofB1.DCM,whichisanalyzedindetail.Thispaperintroducessoftwarematlab/simulinkandhowtouseit.SimulationmodelofthreephaseB1.DCMissetupandperformed.Thecontrolsystemisvirtuallyadualclosed-loopsystemwithcurrentcontroller'sinnerloopandspeedcontrollerasouterloop,speedcontrolleradoptsfuzzyoPIregulatorandcurrentcontrolleradoptsPIregultor.Weestimaterotationcompletespeedcontrolthrougha40w-brushlessdemotor.Keywords：B1.DCM；TorqueRipple；PlDcontroller目录1绪论O1.1 本课题的研究意义O1.2 直流电动机闭环控制的研究现状21.3 内容安排错误!未定义书签。2直流电机的工作原理和控制系统模型32.1 直流电动机的工作原理32.2 B1.DC系统模型的建立53PID调节器设计原理63.1 双闭环直流调速系统原理63.2 调节器的工程设计方法73.2.1 电流调节器的设计83.2.2 转速调节器的设计IO4直流电机控制系统的仿真分析124.1 动态仿真工具SlMU1.INK简介124.2 三相无刷直流电动机的数学模型144.3 直流电机控制系统模型的建立174.3.1 电压方程174.3.2 转矩方程184.3.4 等效电路194.3.5 B1.DCM本体模块194.3.6 电流滞环控制模块204.3.7 速度控制模块224.3.8 参考电流模块224.3.9 转矩计算模块234.3.10 转速计算模块234.3.11 电压逆变器模块234.4 仿真结果244.5 本章小结245结论与展望25致谢26参考文献261绪论1.1 本课题的研究意义直流电动机具有线性机械特性、调速范围广、启动转矩大、控制电路简单和效率高等诸多优点，因此长期以来一直广泛地应用在各种驱动装置和饲服系统中。但是直流电动机均采用电刷，用机械换向器进行换向，因为机械电刷和换向器存在着相对的机械摩擦，由此带来它结构复杂、可靠性差、变化的接触电阻、噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点，再加上制造本钱高及维修困难等缺点，影响了直流电动机的调速精度和性能，从而限制了它的应用范围。因此人们长期以来，一直在寻找一种不用电刷和换向器的直流电机。随着电力电子技术、计算机技术、现代控制理论以及稀土永磁材料技术的飞速开展，这种设想逐步成为现实。自1958年美国通用电气公司研制成功第一个工业应用的普通晶闸管,主关断器件从晶闸管开展到了有自关断能力的大功率半导体开关器件(全控性器件)：电力晶体管(GTR),可关断晶闸管(GT0),电力场效应晶体管(MOSFET),绝缘栅极双极性晶体管(IGBT),高频大功率静电感应晶体管(SIT),静电感应式晶体管(SrrH),场控晶体管(MCT)等。可以说电力电子技术在等等的几十年里飞速开展，使功率半导体器件的性能得以大大提高，同时其驱动电路也获得了迅速开展。电力电子技术和微电子技术的开展也带动着功率集成电路P/C(分为高压化，高频化，小型化等创造了有利的条件，这些都为直流无刷直流电机的驱动控制电路的提高开辟了新的方向。稀土永磁材料技术也对直流无刷电机本体的开展起着巨大的推动作用。采用稀土永磁材料的直流无刷电机不仅具有可靠性高i3J、维修方便、结构简单、特性好、易散热、转速不受机械换向限制、噪声小，而且具有磁能积高、矫顽力HC高、剩磁Br大等优点。伴随着这些新的电力电子器件，高性能的数字集成电路以及先进的控制理论的应用，直流无刷直流电机调速控制部件功能日益完善，所需的控制部件数目愈来愈少，控制器件的体积也越来越小，控制器件的可靠性提高而本钱愈来噪音、重量轻等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，因而直流无刷电机的应用范围不再局限于传统的工业领域，在当令国民经济的各个领域得到了广泛的应用。例如在计算机外围设备（软驱、光驱、硬盘等）、办公自动化设备（打印机、复印机、绘图仪等）、家电（洗衣机、空调、风扇等）、音像设备（VCD、摄像机、录像机等）、汽车、电动自行车、数控机床、雷达和各种军用武器随动系统、机器人、柔性制造系统、大规模集成电路制造、激光加工、医疗设备等领域得到了广泛的应用。无刷直流电动机因为用半导体电子开关换向器替代了机械式换向器及电刷可靠性高，无需维护，寿命长，噪声低，功率密度大。特别是它的转动惯量小转子损耗相对于异步电动机小得多。当输出功率相同时.，无刷直流电机所需要的整流器利逆变器容量小，因此自身体积也小，更适合于空间有限的场合。也正是因为无刷直流电机有如此多的优点，所以使它成为了新一代电动伺服系统的主角。由于无刷直流电动机在工业上的应用愈来愈广泛，它的进一步推广将显著的提高我国的能源利用水平，改变我国高污染，低效率的能源利用状态。稀土资源优势，弥补我国在能源利用水平上的差距，将是一件很有意义的工作。早在1917年，Boliger就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械换向器，从而诞生了无刷直流电机的根本思想。早在1934年，就出现过电子管线路代替机械滑动接触的无换向器直流电动机。但由于当时电子器件的技术水平和制造本钱的限制，这种电动机并没有得到开展。1955年美国D哈里森等人首次申请了应用晶体管换向代替电动机机械换向器换向的专利，这就是现代无刷直流电动机的雏形，它有功率放大局部，信号检测局部，磁极体和开关电路组成。其工作原理是：当转子旋转时，在信号绕组中感应出周期性的信号电势，此信号电势分别使晶体管轮流导通，这样就使功率绕组轮流馈电，即实现了换流。但是，当转子不转时，信号绕组内不能产生感应电势，晶体管无偏置，功率绕组也就无法馈电，所以这种无刷直流电动机没有启动转矩，因此，没有产品化。1978年，原联邦德国MANNESMANN公司的indmmat分布在汉诺威贸易展览会上正式推出其MAC永磁无刷直流电动机及其驱动系统，标志着永磁无刷直流电动机真正进入了实用阶段。20世纪80年代以来，国内外对无刷直流电动机展开了深入的研究。随着大功率半导体器件、电力电子技术、微电子技术、数字信号处理技术、现代控制理论的开展以及高性能永磁材料的不断出现，如今的永磁无刷直流电动机系统已经成为直流电动机、功率驱动器、检测元件、控制软件与硬件于一体的典型的机电一体化产品，表达了当今工程科学领域的许多最新成果。1.2 直流电动机闭环控制的研究现状无刷直流电动机具有独特的优势，因而得到广泛的应用，促使人们对其不断研究探索。当前的无刷直流电动机已经不单纯是简单意义上的电动机，而是电机理论、电力电子、微电子技术、现代控制理论以及高性能永磁材料相互结合，集软硬件于一体的机电一体化产品。现在，国内直流电动机闭环控制系统的研究现状，仍然主要采用经典PID控制，该控制方法可使系统性能满足各种静、动态指标，但系统的鲁棒性不尽人意。PlD控制具有控制结构简单，参数容易整定的优点，在工业领域应用最为广泛。在设计PlD控制器时，分析比较PID参数Kp,Ki,Kd对系统的影响，通过参数的调整使系统的暂态特性到达最优。在无刷直流电动机速度闭环控制方案中，PID控制器虽然容易使用，但易受干扰，采样精度和数字量上、下限的影响易产生积分饱和而失去调解作用。而采用非线性变速积分PID算法时，可将PlD控制器输出限制在有效输出范围内，防止其超出执行机构动作范围而发生饱和。这种算法消除了一般PlD控制器算法中的饱和现象，使电机调速稳(2)国外的研究现状在国外，面对日益复杂的控制对象，为进一步提高无刷直流电动机调速系统的快速性、稳定性和鲁棒性，智能控制方法受到更多关注。一方面，智能控制是控制理论开展的高级阶段，智能控制系统具有自学习、自适应、自组织功能等，能够解决模型不确定性问题、非线性控制问题以及其他较复杂的问题。无刷直流电动机是一个多变量、非线性、强耦合的研窕对象，利用智能控制可以取得较满意的控制效果。所以，智能控制已经成为国外研究的重要方向。另一方面，从控制系统的本钱、维护性、可靠性等方面考虑，无传感器的传动系统对