1上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真摘要 3 4 61直流無(wú)刷電機(jī)基本原理 71.1直流無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu) 91.2直流無(wú)刷電機(jī)的控制 92基于Matlab直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型設(shè)計(jì) 2.1系統(tǒng)仿真組成模塊 2.1.1直流無(wú)刷電機(jī)本體仿真模塊 a)狀態(tài)方程仿真模塊 (1)數(shù)學(xué)模型 (2)仿真模型 (3)模塊檢測(cè) b)反相電動(dòng)勢(shì)計(jì)算模塊模塊 (1)數(shù)學(xué)模型 (2)仿真模型 (3)模塊檢測(cè) c)霍爾信號(hào)反饋模塊 (1)數(shù)學(xué)模型 (2)仿真模型 (3)模塊檢測(cè) d)力矩計(jì)算仿真模塊 2上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真(1)數(shù)學(xué)模型 (2)仿真模型 (3)模塊檢測(cè) 2.1.2電壓逆變器仿真模塊 (1)數(shù)學(xué)模型 (2)仿真模型 (3)模塊檢測(cè) 2.1.3譯碼器仿真模塊 (1)數(shù)學(xué)模型 (2)仿真模型 (3)模塊檢測(cè) (1)數(shù)學(xué)模型 (2)仿真模型 (3)模塊檢測(cè) 3實(shí)例仿真 3.1直流無(wú)刷電機(jī)數(shù)據(jù)設(shè)置 403.2仿真結(jié)果 4結(jié)束語(yǔ) 5參考文獻(xiàn) 6譯文 7原文說(shuō)明 3上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真一個(gè)多世紀(jì)來(lái)，電動(dòng)機(jī)作為能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已經(jīng)遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域以及人們的日常生活中。電機(jī)主要類(lèi)型主要有同步電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)三種。直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)。但普通的直流電動(dòng)機(jī)由于需要機(jī)械換相和電刷，可靠性差，需要經(jīng)常維護(hù)，換相時(shí)產(chǎn)生電磁干擾，噪聲大，影響了直流電動(dòng)機(jī)在控制系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用。直流無(wú)刷電機(jī)外形小，效率高，在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化控制市場(chǎng)得到了廣泛的應(yīng)用，利用其生產(chǎn)的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)也在建立無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的可視化仿真模型，可以有效的節(jié)省控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)間，及時(shí)驗(yàn)證施加于系統(tǒng)的控制算法，觀察系統(tǒng)的控制輸出；同時(shí)，可以充分利用計(jì)算機(jī)仿真的優(yōu)越性，人為的加入不同的擾動(dòng)和參數(shù)變化，以便考察系統(tǒng)在不同情況下的動(dòng)、靜態(tài)特性。本文以直流無(wú)刷電機(jī)的控制方法為核心，構(gòu)成一個(gè)三相全控電路的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，提出其設(shè)計(jì)和軟件仿真實(shí)現(xiàn)方案，通過(guò)該模型驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可實(shí)施性。此仿真模型主要分為直流無(wú)刷電機(jī)本體模塊、逆變器仿4上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真life.TherearemaintypesofmotorsynchrandDCmotors.DCmotorperformance.ButforthecommonDCmotorhastheneedofmechanicalbrush,hasbeenwidelyusedinmodernautomationcontrolindustrial.TheBLDCactuatorhasValvecontrolinthefieldofcontempordominate.establishavisualssystemcansavetimeofdesigningacoe,Computerfhumandisturbanceandtheadditionofdifferentparaexaminethesystemindifthispaper,brushlessDCmotorcontrothree-phasefull-controlledcircuitosubmittheirdesignandrealizationofsoftwaresimulationprogram,bythemodelofdesignschemesconsistsofbrushlessDCmotorbodymodule,invertersimulationmodule,describesamathematicalmodelofeachmoduleandthesimulationmo5上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真Keywords:BrushlessDCm6上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真直流電動(dòng)機(jī)以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但普通的直流電動(dòng)機(jī)由于需要機(jī)械換相和電刷，可靠性差，需要經(jīng)常維護(hù)；換相時(shí)產(chǎn)生電磁干擾，噪聲大，影響了直流電動(dòng)機(jī)在控制系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用。為了克服機(jī)械換相帶來(lái)的缺點(diǎn)，以電子換相取代機(jī)械換相的無(wú)刷電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。1955年美國(guó)D.Harrison等人首次申請(qǐng)了用晶體管換相電路代替機(jī)械電刷的專(zhuān)利，標(biāo)志著現(xiàn)代無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的誕生。而電子換相的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)真正進(jìn)入實(shí)用階段，是在1978年的MAC經(jīng)典無(wú)刷直流電動(dòng)先后研制成方波無(wú)刷電機(jī)和正弦波直流無(wú)刷電機(jī)。20多年以來(lái)，隨著永磁新材料、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及電力電子技術(shù)特別是大功率開(kāi)關(guān)器件的發(fā)展，無(wú)刷電動(dòng)機(jī)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)不是專(zhuān)指具有電子換相的直流電機(jī)，而是泛指具有有刷直流電動(dòng)機(jī)外部特性的電子換相電機(jī)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)不僅保持了傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)良好的動(dòng)、靜態(tài)調(diào)速特性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、易于控制。其應(yīng)用從最初的軍事工業(yè)，向航空航天、醫(yī)療、信息、家電以及工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域迅速發(fā)展。在結(jié)構(gòu)上，與有刷直流電動(dòng)機(jī)不同，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的定子繞組作為直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)可分為方波直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)和正弦波直流電動(dòng)機(jī)7上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真 (PMSM),BLDCM用電子換相取代了原直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換相，由永磁材料做轉(zhuǎn)子，省去了電刷；而PMSM則是用永磁材料取代同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁繞組，省去了勵(lì)磁繞組、滑環(huán)和電刷。在相同的條件下，驅(qū)動(dòng)電路隨著直流無(wú)刷電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求也日益提高：簡(jiǎn)易、成本低廉、控制算法臺(tái)理、開(kāi)發(fā)周期短等都作為衡量其控制系統(tǒng)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。建立無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的可視化仿真模型，可以有效的節(jié)省控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)間，及時(shí)驗(yàn)證施加于系統(tǒng)的控制算法，觀察系統(tǒng)的控制輸出；同時(shí)，可以充分利用計(jì)算機(jī)仿真的優(yōu)越性，人為的加入不同的擾動(dòng)和參數(shù)變化，以便考察系統(tǒng)在不同情況下的動(dòng)、靜態(tài)特性。本文以直流無(wú)刷電機(jī)的控制方法為核心，構(gòu)成一個(gè)三相全控電路的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，提出其設(shè)計(jì)和軟件仿真實(shí)現(xiàn)方案，通過(guò)該模型驗(yàn)證設(shè)計(jì)方1直流無(wú)刷電機(jī)的基本原理直流電機(jī)具有響應(yīng)快速、較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能。但直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)也正是它的缺點(diǎn)，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)要產(chǎn)生額定負(fù)載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能，則電樞磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)須恒維持90°,這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花、碳粉因此除了會(huì)造成組件損壞之外，使用場(chǎng)合也受到限制。交流電機(jī)沒(méi)有碳刷及整流子，免維護(hù)、堅(jiān)固、應(yīng)用廣，但特性上若要達(dá)到相當(dāng)于直流電8上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真機(jī)的性能須用復(fù)雜控制技術(shù)才能達(dá)到。永磁無(wú)刷直流電機(jī)同其它電機(jī)相比具有的優(yōu)點(diǎn)：1)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)沒(méi)有電刷、而是利用電子換相，故克服了任何有電2)永磁體安裝在轉(zhuǎn)子上，電樞繞組裝在定子上，故導(dǎo)熱性能好，產(chǎn)生的熱量更容易散發(fā)出去。結(jié)構(gòu)也變得簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，并且節(jié)省了空間，使其磁場(chǎng)損失也減少。改善了電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。3)它的效率與轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)保持同步關(guān)系，不會(huì)發(fā)生失步、震蕩等現(xiàn)象。它的起動(dòng)調(diào)速特性類(lèi)似于直流電機(jī)，控制簡(jiǎn)單，同時(shí)也克服了同步機(jī)的缺點(diǎn)。又具有功率因數(shù)好的優(yōu)點(diǎn)。4)稀土永磁材料的高磁能積，使得電機(jī)可明顯降低重量、減小體積.轉(zhuǎn)矩慣量比大，過(guò)載能力強(qiáng)，尤其低轉(zhuǎn)速時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩大?，F(xiàn)今半導(dǎo)體發(fā)展迅速功率組件切換頻率加快許多，提升驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能。微處理機(jī)速度亦越來(lái)越快，可實(shí)現(xiàn)將交流電機(jī)控制置于一旋轉(zhuǎn)的兩軸直交坐標(biāo)系統(tǒng)中，適當(dāng)控制交流電機(jī)在兩軸電流分量，達(dá)到類(lèi)似直流電機(jī)控制并有與直流電機(jī)相當(dāng)?shù)男阅?。此外已有很多微處理機(jī)將控制電機(jī)必需綜上所述，直流無(wú)刷電機(jī)就是是以電子方式控制交流電機(jī)換相，其擁有類(lèi)似直流電機(jī)的特性，但又排除了直流電機(jī)機(jī)構(gòu)上缺失，從而成為了現(xiàn)代自動(dòng)化控制行業(yè)的主流電機(jī)產(chǎn)品。91.1直流無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)線路三部分組成。其原理框圖如下：位置傳感圖1.1直流無(wú)刷電機(jī)的原理框圖電動(dòng)機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電機(jī)相似，但沒(méi)有籠型繞組和其他啟動(dòng)裝置。其定子繞組一般制成多相，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對(duì)數(shù)組成。當(dāng)定子繞組某一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再有位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信號(hào)，去控制電子開(kāi)關(guān)線路，從而使定子各相繞組按一定順序?qū)?。由于電子開(kāi)關(guān)線路的導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機(jī)械轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向作用。1.2直流無(wú)刷電機(jī)的控制三相繞組直流無(wú)刷電機(jī)的主電路主要有三相半控電路和三相全控電路兩種。三相半控電路簡(jiǎn)單，但由于其對(duì)電動(dòng)機(jī)本體的利用率低，每個(gè)繞組只通電1/3時(shí)間，而另外2/3時(shí)間均處于斷開(kāi)狀態(tài)，沒(méi)有得到充分的利用。因此，在本文中，采用三相全控電路的兩兩通電方式作為控制電路。上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真下圖2即為直流無(wú)刷電機(jī)的三相全控電路簡(jiǎn)圖：表示相電壓(即圖中A點(diǎn)到B點(diǎn)間的電壓);表示三相電流(如圖中電流);表示線圈電阻和電感；要讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，首先就必須根據(jù)hall位置傳感器感應(yīng)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子目前所在位置，霍爾元器件一般與繞組相數(shù)相同或者比繞組相數(shù)少一半。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)通過(guò)霍爾元件，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，輸出電壓一端為正電壓。經(jīng)過(guò)門(mén)電路后功率晶體管導(dǎo)通，繞組通電，電流使轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°。接著，依照定子繞線決定開(kāi)啟(或關(guān)閉)逆變器中功率晶體管的順序。如上圖1.2中之Q1、Q3、Q5(這些稱(chēng)為上臂功率晶體管)及Q2、Q4、Q6(這些稱(chēng)為下臂功率晶體管),使電流依序流經(jīng)電機(jī)線圈產(chǎn)生順向(或逆向)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，如此就能使電機(jī)順時(shí)/逆時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到hall傳感器感應(yīng)出另一組信號(hào)的位置時(shí)，控制部又再開(kāi)啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)電機(jī)就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)直到控制部決定要電機(jī)轉(zhuǎn)子停止則關(guān)閉功率晶體管(或只開(kāi)下臂功率晶體管);要電機(jī)轉(zhuǎn)子反向則功率晶體管開(kāi)啟順序相反。基本上功率晶體管的開(kāi)法可舉例如下：電子零件總有開(kāi)關(guān)的響應(yīng)時(shí)間，所以功率晶體管在關(guān)與開(kāi)的交錯(cuò)時(shí)間要將零件的響應(yīng)時(shí)間考慮進(jìn)去，否則當(dāng)上臂(或下臂)尚未完全關(guān)閉，下臂(或上臂)就已開(kāi)啟，結(jié)果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，控制部會(huì)再根據(jù)驅(qū)動(dòng)器設(shè)定的速度及加/減速率所組成的命令與hall傳感器信號(hào)變化的速度加以比對(duì)再來(lái)決定由下一組開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，以及率是否足以掌握處理軟件指令的時(shí)間，另外對(duì)于hall傳感器信號(hào)變化的資料存取方式也影響到處理器效能與判定正確性、實(shí)時(shí)性。至于低轉(zhuǎn)速的速度控制尤其是低速起動(dòng)則因?yàn)榛貍鞯膆all傳感器信號(hào)變化變得更慢，怎樣擷取信號(hào)方式、處理時(shí)機(jī)以及根據(jù)電機(jī)特性適當(dāng)配置控制參數(shù)值就顯得非常重要?；蛘咚俣然貍鞲淖円宰g碼器變化為參考，使信號(hào)分辨率增加以期得到更佳的控制。上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真電機(jī)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)順暢而且響應(yīng)良好，P.I.D.控制的恰當(dāng)與否也無(wú)法忽視。之前提到直流無(wú)刷電機(jī)是閉回路控制，因此回授信號(hào)就等于是告訴控制部現(xiàn)在電機(jī)轉(zhuǎn)速距離目標(biāo)速度還差多少，這就是誤差(Error)。知道了誤差自然就要補(bǔ)償，方式有傳統(tǒng)的工程控制如P.I.D.控制。但控制的狀態(tài)及環(huán)境其實(shí)是復(fù)雜多變的，若要控制的堅(jiān)固耐用則要考慮的因素恐怕不是傳統(tǒng)的工程控制能完全掌握，所以模糊控制、專(zhuān)家系統(tǒng)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也將被納入成為智能型P.I.D.控制的重要理論，但本文中還未采用PID速度控制上述中，功率晶體管的導(dǎo)通過(guò)程就是兩兩導(dǎo)通方式。所謂兩兩導(dǎo)通方式是指每個(gè)瞬間有兩個(gè)功率管導(dǎo)通，每隔1/6周期換相一次，每次換相一個(gè)功率管，每個(gè)功率管導(dǎo)通120°電角度。下圖1.3即為接收到霍爾信號(hào)后的換相圖，該圖中可觀察到霍爾信號(hào)(H1、H2、H3)的換相規(guī)律，反饋電壓以及線圈相電流的換相規(guī)律：上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真由上圖1.3可以觀察出如下規(guī)律：霍爾信號(hào)H1,H2,H3按照100—110—010—011—001—101循環(huán)跳轉(zhuǎn)；反電動(dòng)勢(shì)滿(mǎn)足：電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)60°電角度中，三個(gè)反電動(dòng)勢(shì)一個(gè)恒為1,一個(gè)橫為0,另外一個(gè)呈線性方程規(guī)律。通過(guò)觀察上述規(guī)律，在驗(yàn)證模塊和仿真結(jié)果中，只要保證輸出波形滿(mǎn)足以上規(guī)律，就可證明模塊或者仿真的正確性。2基于Matlab直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的Simulink是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶(hù)接口(GUI),這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶(hù)可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫(kù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真大量的工具來(lái)進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義。綜上所述，Simulink仿真具有以下的特點(diǎn)：●豐富的可擴(kuò)充的預(yù)定義模塊庫(kù)；●交互式的圖形編輯器來(lái)組合和管理直觀的模塊圖；●以設(shè)計(jì)功能的層次性來(lái)分割模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)的管理；●通過(guò)ModelExplorer導(dǎo)航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號(hào)、參數(shù)、屬性，生成模型代碼；●提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫(xiě)代碼集成；●使用EmbeddedMATLAB模塊在Simulink和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用(Normal,Accelerator,RapidAccelerator)來(lái)決定以解釋性的方式運(yùn)行或以編譯C代碼的形式來(lái)運(yùn)行模型；●圖形化的調(diào)試器和剖析器來(lái)檢查仿真結(jié)果，診斷設(shè)計(jì)的性能和異常行●可訪問(wèn)MATLAB從而對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析與可視化，定制建模環(huán)境，定義信●模型分析和診斷工具來(lái)保證模型的一致性，確定模型中的錯(cuò)誤；控制系統(tǒng)仿真包括以下幾個(gè)基本步驟：?jiǎn)栴}描述、模型建立、仿真實(shí)驗(yàn)、結(jié)果分析。1.建立數(shù)學(xué)模型控制系統(tǒng)模型，是描述控制系統(tǒng)輸入、輸出變量以及內(nèi)部各變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式?？刂葡到y(tǒng)模型可分為靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型，靜態(tài)模型描述的是控制系統(tǒng)變量之間的靜態(tài)關(guān)系，動(dòng)態(tài)模型描述的是控制系統(tǒng)變量之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。最常用、最基本的數(shù)學(xué)模型是微分方程與差分方程。2.建立仿真模型由于計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算方法的限制，有些數(shù)學(xué)模型是不能直接用于數(shù)值計(jì)算的，如微分方程，因此原始的數(shù)學(xué)模型必須轉(zhuǎn)換為能夠進(jìn)行系統(tǒng)仿真3.編寫(xiě)仿真程序控制系統(tǒng)的仿真涉及很多相關(guān)聯(lián)的量，這些量之間的聯(lián)系要通過(guò)編制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，常用的數(shù)值仿真編程語(yǔ)言有C、FORTRAN等，近年來(lái)發(fā)展迅速的綜合計(jì)算仿真軟件，如Simulink也可以用來(lái)編寫(xiě)仿真程序，而且編寫(xiě)起來(lái)非常迅速、界面友好，已得到廣泛應(yīng)用。4.進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果在完成以上工作后，就可以進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)了，通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析來(lái)對(duì)仿真模型與仿真程序進(jìn)行檢驗(yàn)和修改，如此反復(fù)，直至滿(mǎn)意的實(shí)驗(yàn)效本文針對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)，為仿真其控制系統(tǒng)，首先構(gòu)思出所需要的模塊，針對(duì)每一模塊，根據(jù)已知的數(shù)學(xué)公式，建立出數(shù)學(xué)模型。接著，確定好數(shù)學(xué)模型后，就可在Simulink模塊庫(kù)中選擇最適合的模塊，建立仿真模型。而后，檢查各模塊的正確性，確認(rèn)無(wú)誤后，連接各模塊，組成總的仿真模型。最后，進(jìn)行總體測(cè)試，加入實(shí)際數(shù)據(jù)，進(jìn)行檢測(cè)。2.1系統(tǒng)仿真組成模塊根據(jù)直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)的原理，結(jié)合參考資料，確定本文系統(tǒng)仿真模塊主要包括直流無(wú)刷電機(jī)本體仿真模塊、電壓逆變器仿真模塊、譯碼下圖2.1為系統(tǒng)仿真的框架圖上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真所電路二置學(xué)62三流電三淀艾器三流電三淀艾器圖中最右側(cè)為直流無(wú)刷本體仿真模塊，當(dāng)其接受到逆變器模塊輸出的電壓信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化成霍爾信號(hào)輸出到譯碼器模塊中；譯碼器模塊是有數(shù)字邏輯電路搭建而成的3-6譯碼模型，其接收到直流無(wú)刷本體模塊輸出的霍爾信號(hào)后，根據(jù)真值表將三個(gè)布爾型信號(hào)轉(zhuǎn)換成六個(gè)控制功率晶體管的布爾型信號(hào)；為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)速度，加入PWM波，通過(guò)改變占空比達(dá)制系統(tǒng)速度的功能；將PWM波與晶體管控制信號(hào)的下臂信號(hào)與，再輸入到逆變器模塊中。輸入的信號(hào)控制逆變器模塊中晶體管的開(kāi)關(guān)，線圈兩兩導(dǎo)通，產(chǎn)生電壓信號(hào)。最后，這些電壓信號(hào)輸入直流無(wú)刷本體模塊中，形成新一輪霍爾信號(hào)。以此類(lèi)推，不同晶體管的導(dǎo)通導(dǎo)致不同線圈的導(dǎo)通，從而產(chǎn)生不同的電壓信號(hào)，霍爾傳感器按照一定規(guī)律變換，以此不斷循環(huán)下2.1.1直流無(wú)刷電機(jī)本體仿真模塊無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)所采用的電動(dòng)機(jī)本體，在結(jié)構(gòu)上與稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)相似，但是沒(méi)有籠形繞組和其它起動(dòng)裝置。其定子繞組一般制成多相(三相、四相、五相不等),轉(zhuǎn)子由稀土永磁體按一定極對(duì)數(shù)(2p=上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab2、4、…)組成。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的稀土永磁體磁鋼與稀土永磁有刷電動(dòng)機(jī)中所使用的永久磁鋼作用相似，均是在電動(dòng)機(jī)的氣隙中建立足夠的磁場(chǎng)，其不同之處在于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中永久磁鋼安裝在轉(zhuǎn)子上，而有刷直流電動(dòng)機(jī)的磁鋼安裝在定子上。直流無(wú)刷電機(jī)本體模塊是整個(gè)系統(tǒng)仿真中最重要的一部分，直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)為實(shí)現(xiàn)無(wú)電刷換向，首先要求把直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的電樞繞組放在定子上，把永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上。定子線圈每60°安裝有一個(gè)霍爾傳感器，共三個(gè)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到一定角度，霍爾傳感器導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)晶體管導(dǎo)通，進(jìn)入下一狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的兩線圈導(dǎo)通，將轉(zhuǎn)子吸附到下一位置上?；魻栃盘?hào)反饋模塊和力矩計(jì)算模塊。a)狀態(tài)方程仿真模塊狀態(tài)方程模塊是直流無(wú)刷電機(jī)本體模塊中十分重要的一部分，已知電動(dòng)勢(shì)和力矩，怎樣求出電流、轉(zhuǎn)子速度，轉(zhuǎn)動(dòng)角度。若是常規(guī)利用公式線性算法，必將有很大的工作量，也肯定會(huì)影響系統(tǒng)仿真的速度。因此，我們利用Simulink所帶的狀態(tài)方程模塊，方便計(jì)算出所學(xué)的參量。(1)數(shù)學(xué)模型：●狀態(tài)方程定義：狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)信息的集合，在表征系統(tǒng)信息的所有變量中，能夠全部描述系統(tǒng)運(yùn)行的最小數(shù)目的一組獨(dú)立變量稱(chēng)為系統(tǒng)的狀態(tài)變量，其選取不是唯一的。所謂狀態(tài)方程是由系統(tǒng)狀態(tài)變量構(gòu)成的一階微分方程組。它具有n個(gè)狀態(tài)，r個(gè)輸入和m個(gè)輸出的線性時(shí)不變系統(tǒng)，用矩陣符號(hào)表示X=AX+BU輸入向量U是r維的；輸出變量Y是m維的；狀態(tài)矩陣A是n*n維的；輸入矩陣B是n*r維的；輸出矩陣C是m*n維的；前饋矩陣D是m*r維的；直流無(wú)刷電機(jī)電壓方程為：由于，每個(gè)電壓方程與其它兩方程存在著線性關(guān)系，即已知兩方程可求出另外一方程；因此，取公式2.2、2.3;上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電對(duì)比式2.1、式2.6,可觀察出，式2.6即為本模型的狀態(tài)方程，其中：上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真將A、B、C、D的參數(shù)輸入入仿真模塊中，即可輸出X、Y、U的參數(shù)值。(2)仿真模型狀態(tài)方程模塊仿真模塊，選用Simulink自帶的State-Space模塊，輸入A、B、C、D的值，即可輸出ia、ib、ic、Wm、θm的波形，如下圖2.2所示。37e5.000:0337e5.00:00-0.027InitialcondiOKCancel(3)模塊檢測(cè)為檢測(cè)狀態(tài)方程模塊的正確性，這里為方便下面反電動(dòng)勢(shì)計(jì)算模塊輸出的檢測(cè)，本文通過(guò)觀察Wm速率輸出波形來(lái)判斷本模塊的正確性，從而方便下面各個(gè)模塊的檢測(cè)。下圖2.3為狀態(tài)方程輸出速率Wmtt圖中轉(zhuǎn)速Wm單位為r/s,時(shí)間t單位為s。由圖可觀察出，剛剛運(yùn)行時(shí)，速率不斷上升，當(dāng)達(dá)到一定速率時(shí)，Wm逐漸趨于平穩(wěn)，最終保持同一速率運(yùn)行。剛開(kāi)始的上升狀態(tài)是由于電機(jī)自身啟動(dòng)的過(guò)程產(chǎn)生的誤差，可以忽略。由已知參數(shù)可知，無(wú)負(fù)載速度應(yīng)大于10000r/s,觀察圖中可確定，轉(zhuǎn)速大于10000r/s,且穩(wěn)定在20000轉(zhuǎn)左右。因此，可以確定狀態(tài)方程模塊正確。b)反相電動(dòng)勢(shì)計(jì)算模塊(1)數(shù)學(xué)模型：由方程1.5,1.6,1.7可得到反相電動(dòng)勢(shì)數(shù)學(xué)方程如下：上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真F(θe)用于表示梯形波反電動(dòng)勢(shì)。(2)仿真模型根據(jù)數(shù)學(xué)方程可設(shè)計(jì)出反電動(dòng)勢(shì)仿真模型，其結(jié)構(gòu)圖如下圖2.4所示：圖2.4反電動(dòng)勢(shì)計(jì)算模塊結(jié)構(gòu)圖圖中，Ke表示直流無(wú)刷電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)常量。(3)模塊檢測(cè)為檢測(cè)搭建模塊的正確性，通過(guò)觀察本模塊輸出反電動(dòng)勢(shì)的波形可以判斷。由圖2.4可知，反電動(dòng)勢(shì)計(jì)算模塊的輸入為狀態(tài)方程模塊的輸出Wm,和霍爾信號(hào)反饋模塊的輸出Trapezabc。Wm波形已經(jīng)在狀態(tài)方程輸出端被證實(shí)正確，霍爾信號(hào)反饋模塊的輸出Trapezabc也將在下面的驗(yàn)證中成立，因此只需輸出反電動(dòng)勢(shì)波形正確，即可證明反電動(dòng)勢(shì)計(jì)算模塊的正下圖2.5為反電動(dòng)勢(shì)ea,eb,e。的波形圖上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真圖2.5反電動(dòng)勢(shì)輸出波形由圖中可觀察出三種顏色的梯形波，分別為三個(gè)反電動(dòng)勢(shì)的輸出波形，對(duì)比上圖與圖1.3中反電動(dòng)勢(shì)的波形，反電動(dòng)勢(shì)滿(mǎn)足電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)60°電角度中，三個(gè)反電動(dòng)勢(shì)一個(gè)恒為1,一個(gè)橫為0,另外一個(gè)呈線性方程規(guī)律。因此，可得到結(jié)論，反電動(dòng)勢(shì)計(jì)算模塊正確。(c)霍爾信號(hào)反饋仿真模塊：在實(shí)際直流無(wú)刷電機(jī)中，通常利用霍爾傳感器反饋位置信號(hào)。常見(jiàn)的磁敏式位置傳感器由霍爾元件或霍爾集成電路構(gòu)成?；魻栐恢脗鞲衅饔捎诮Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、成本低，是目前應(yīng)用最多的一種位置傳感器?；魻栐a(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)很低，往往需要外接放大器，很不方便，隨上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，將霍爾元件與附加電路封裝成三端模塊，構(gòu)成霍爾集成電路?；魻柤呻娐酚虚_(kāi)關(guān)型和線性型兩種，通常用開(kāi)關(guān)型作為位置傳感器。因此，本文通過(guò)霍爾信號(hào)反饋仿真模塊來(lái)模擬出霍爾傳感器，將角度信號(hào)轉(zhuǎn)換成布爾型的霍爾信號(hào)反饋給譯碼器。(1)數(shù)學(xué)模型：P表示電極對(duì)數(shù)F(θe)用于表示梯形波反電動(dòng)勢(shì)，求取梯形波反電動(dòng)勢(shì)，分段線性法簡(jiǎn)單易行，且精度較高，能夠較好的滿(mǎn)足建模仿真的設(shè)計(jì)要求。因此，本文采取分段線性法：將一個(gè)運(yùn)行周期0-360°分為6個(gè)階段，每60°為一個(gè)換向階段，每一相的每一個(gè)運(yùn)行階段都可用一段直線進(jìn)行表示，根據(jù)某一時(shí)刻的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信號(hào)，確定該時(shí)刻各相所處的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)直線方程即可求得反電動(dòng)勢(shì)波形。根據(jù)轉(zhuǎn)子位置將運(yùn)行周期分為4個(gè)階段：0～2π/3,2π/3~π,π~5π/3,5π/3～2π。以第一階段0～2π/3為例，A反相電動(dòng)勢(shì)處于正向最大值，設(shè)為1;第二階段A反相電動(dòng)勢(shì)呈線性變化，可算出方程；同理可求出第三第四狀態(tài)。據(jù)此規(guī)律，可以推得轉(zhuǎn)子位置和反電動(dòng)勢(shì)之間的線性關(guān)系，公式2.11為一上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真上述表達(dá)式將被用于直流無(wú)刷本體模塊中力矩測(cè)量子模塊中的Lookup-table模塊中使用，輸出的電角度，即霍爾位置信號(hào)。(2)仿真模型：●Look-Up-Table概述前FPGA中多使用4輸入的LUT,所以每一個(gè)LUT可以看成一個(gè)有4位地址線的16x1的RAM。當(dāng)用戶(hù)通過(guò)原理圖或HDL語(yǔ)言描述了一個(gè)邏輯電路以后，PLD/FPGA開(kāi)發(fā)軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算邏輯電路的所有可能的結(jié)果，并把結(jié)果事先寫(xiě)入RAM,這樣，每輸入一個(gè)信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算就等于輸入一個(gè)地址進(jìn)行查表，找出地址對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，然后輸出即可。在本仿真中，我們需要通過(guò)查找角度，得到對(duì)應(yīng)的霍爾信號(hào)以及反電動(dòng)勢(shì)梯形波信號(hào)。因此，首先應(yīng)該列出角度與霍爾信號(hào)以及反電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值關(guān)系，在以下仿真中我們列出了表格2.1和表格2.2。接著，找到Simulink模塊庫(kù)中的Look-upTable模塊，將表格中的數(shù)值使用矩陣形式對(duì)應(yīng)輸入到模塊中?！穹抡婺Ｐ徒⒏鶕?jù)數(shù)學(xué)模型中的公式2.10,輸入信號(hào)轉(zhuǎn)子角度加上1/2的極對(duì)數(shù)，即得到電角度。但要使電角度進(jìn)行接下來(lái)的運(yùn)算，必須將其轉(zhuǎn)換成0~2π內(nèi)的角度。因此，應(yīng)用Fcn自定義函數(shù)模塊，定義函數(shù)ren(u,2*pi),將大于或小于0~2π的角度轉(zhuǎn)換為角度范圍內(nèi)的值。由電角度與霍爾信號(hào)關(guān)系可列出下表2.1上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真電角度100110010011001101100表2.2電角度與力矩梯形波關(guān)系表1111111備注：H1、H2、H3為霍爾信號(hào)，其關(guān)系可參見(jiàn)圖1.3上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真Table5中，按照上述Look-upTable中所描述的方法，將表格中的角度以及對(duì)應(yīng)的霍爾信號(hào)狀態(tài)輸入進(jìn)模塊中，其輸出即為霍爾信號(hào)H1、H2、H3。由公式2.7取特殊值可推導(dǎo)出以下表格2.2Table2中，按照上述Look-upTable中所描述的方法，將表格中的角度以及對(duì)應(yīng)的霍爾信號(hào)狀態(tài)輸入進(jìn)模塊中，其輸出即為F(θ),用Mux工具合成向量形式trapezabc,為下面力矩計(jì)算做準(zhǔn)備。綜上所述，可搭建出仿真模型，如圖2.6所示上圖中，輸入為thetam,將其經(jīng)過(guò)增益轉(zhuǎn)化成thetae(即電角度)。上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真但此時(shí)輸出角度可能為超出0°~360°的角度，這樣就會(huì)影響下部仿真。因此，使用Fcn(自定義函數(shù)模塊),應(yīng)用ren(u,2*pi)函數(shù)，將超出范圍的角度轉(zhuǎn)換成0°~360°的角度。最后，將角度輸入上述Look-up(3)模型檢測(cè)檢測(cè)霍爾信號(hào)反饋模塊，只需觀察其輸出霍爾信號(hào)H1,H2,H3是否符合圖1.3中，霍爾信號(hào)的變換關(guān)系，即可確定模塊的正確與否。下圖2.7為三個(gè)霍爾信號(hào)輸出圖2.7霍爾信號(hào)輸出波形觀察圖中波形，從上到下一次為H1,H2,H3的波形，觀察波形霍爾信號(hào)符合：100-110-010-011-001-101規(guī)律(圖中對(duì)應(yīng)關(guān)系有部分誤差，但而反相電動(dòng)勢(shì)可表示為：TE、TL表示電力矩和負(fù)載力矩；T表示轉(zhuǎn)子慣量；kr表示摩擦系數(shù)；Wm表示轉(zhuǎn)子的角速度；Ke表示反相電動(dòng)勢(shì)常量；Kt表示扭矩常量上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真k因此，它們的相乘形式為點(diǎn)乘形式進(jìn)行。在本試驗(yàn)中，取負(fù)載力矩為0。力矩計(jì)算模塊的輸入為霍爾信號(hào)反饋模塊輸出Trapezabc和狀態(tài)方程模塊輸出電流ia,ib,ic。下圖2.9霍爾信號(hào)反饋模塊輸出Trapezabc的波形圖早在，反電動(dòng)勢(shì)計(jì)算模塊中，就已證明反電動(dòng)勢(shì)梯形波Trapezabc上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真是正確的。因此，此處輸入波形正確。下圖2.10態(tài)方程模塊輸出電流ia,ib,ic波形圖三電流波形滿(mǎn)足直流無(wú)刷電機(jī)電流變化規(guī)律，即ia+ib+ic=0,因此輸入波形無(wú)誤。模塊輸出信號(hào)為力矩Te-T1,下圖2.11力矩輸出信號(hào)的波形上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真圖2.11力矩計(jì)算模塊輸出波形個(gè)功率管導(dǎo)通，每隔1/6周期換相一次，每次線圈導(dǎo)通。例如，當(dāng)Q1,Q6導(dǎo)通時(shí)，線圈A、C導(dǎo)通，此時(shí)A、C中有電流通過(guò)而B(niǎo)中無(wú)。上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)圖2.12電壓逆變器模塊原理圖下表2.3為MOS管導(dǎo)通情況以及線圈端電壓的關(guān)系表：2.3晶體管導(dǎo)通與線圈電壓關(guān)系表導(dǎo)通晶體管導(dǎo)通線圈此利用電壓差模塊來(lái)得到Vab,以及Vbc。關(guān)于輸入信號(hào)，將譯碼器輸出的六個(gè)晶體管導(dǎo)通與否信號(hào)用向量合并元件合并后，連接到點(diǎn)。如下圖2.13所示：上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真圖2.13逆變器仿真模塊不同的狀態(tài)，如表2.3中所示，觀察輸出電壓是否一致。圖2.14逆變器模塊檢測(cè)仿真圖例如，狀態(tài)Q1,Q4開(kāi)通時(shí)，輸出電壓Vab應(yīng)該為24V,輸出電壓Vbc應(yīng)該為-12V,下圖2.15為輸出波形，與上述規(guī)律相符，模塊成立。上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真2.1.3譯碼器仿真模塊將直流無(wú)刷電機(jī)本體反饋回的霍爾信號(hào)轉(zhuǎn)換成逆變器輸入所需的晶體管控制信號(hào)，必須通過(guò)譯碼器來(lái)進(jìn)行3-6轉(zhuǎn)換。因此，為完全符合霍爾信號(hào)和晶體管信號(hào)的轉(zhuǎn)換條件，自主建立3-6譯碼器是關(guān)鍵。本模型就是符合這些條件的譯碼器仿真模塊。(1)數(shù)學(xué)模型要搭建出邏輯電路，首先必須寫(xiě)出輸入輸出信號(hào)的真值表，本模塊中輸入為霍爾信號(hào)，輸出為逆變器模塊晶體管控制信號(hào)。下表2.4即為譯碼器仿真模塊輸入輸出的轉(zhuǎn)換表格：輸出110010100001000011100011100011000111001000001101100000Q4=H1*H3;Q5=H1*H2;Q6=H3*H2;(2)仿真模型通過(guò)數(shù)學(xué)模型中的邏輯表達(dá)式，可以建立仿真模型。由此，將3個(gè)霍開(kāi)/關(guān)信號(hào)逆變器模塊譯碼過(guò)程電機(jī)本體霍爾信號(hào)圖2.16譯碼電路仿真模型(3)模塊檢測(cè)輸入一組或幾組霍爾信號(hào)，觀察輸出波形是否滿(mǎn)足表2.4中的規(guī)律即可證上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真明模塊的正確與否。下圖2.17為輸入霍爾信號(hào)0-1-0,圖2.18為輸出波形即晶體管開(kāi)通信號(hào)應(yīng)為0-1-0-0-1-0。觀察上述波形可觀察出，輸入輸出波形與表格中譯碼器規(guī)律相符。因此，可證明，譯碼器模塊是正確的。上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真2.1.4PWM波形仿真模塊脈沖調(diào)制(PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許通過(guò)以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。制的實(shí)現(xiàn)變得更加容易了。簡(jiǎn)而言之，PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿(mǎn)幅值的直流供電要么完全有(ON),要么完全無(wú)(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開(kāi)的時(shí)候。只要帶寬本文中為控制電機(jī)的速率，這里采用PWM波形仿真模機(jī)開(kāi)環(huán)速度的方式。自定義一占空比，輸入PWM波形仿真模塊中。而后，固定占空比的PWM波與譯碼電路輸出的晶體管控制信號(hào)通過(guò)門(mén)電路“與”模塊合并，一同輸入逆變器模塊中。從而達(dá)到，控制系統(tǒng)速率的效果。脈沖寬度調(diào)制波通常由一列占空比不同的矩形脈沖構(gòu)成，其占空比與信號(hào)的瞬時(shí)采樣值成比例。圖2.19所示為脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)的原理框圖和波形圖。該系統(tǒng)有一個(gè)比較器和一個(gè)周期為T(mén)s的鋸齒波發(fā)生器組成。語(yǔ)音信號(hào)如果大于鋸齒波信號(hào)，比較器輸出正常數(shù)A,否則輸出0。因此，從圖中可以看出，比較器輸出一列下降沿調(diào)制的脈沖寬度調(diào)制波。上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真(2)仿真模型C(3)模塊檢測(cè)PWM波形的變化。下圖2.21所示為占空比為0.1是的輸入輸出波形：1下圖2.22所示為占空比為0.3是的輸入輸出波形：上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真對(duì)比圖2.21與圖2.22,可觀察出，PWM波德占空比隨著輸入占空比對(duì)應(yīng)3實(shí)例仿真3.1直流無(wú)刷電機(jī)數(shù)據(jù)設(shè)置J表示轉(zhuǎn)子慣量取0.005Kgm2;kr表示摩擦系數(shù)取1.38e-8Nm.s;P表示電極對(duì)數(shù)取2;R表示線圈電阻取12.5R;L表示線圈電感取0.0091mH;3.2仿真結(jié)果本文意圖為驗(yàn)證，采用霍爾傳感器的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真下圖3.1為整個(gè)仿真模型的仿真圖：00tetOFTHEO06TRHcMtanttttwnrumcK為驗(yàn)證此仿真模型的正確性●首先，驗(yàn)證模型是否可以得到穩(wěn)定正確的霍爾信號(hào)：在HALLPOSITION(即霍爾反饋信號(hào)仿真模塊),連接示波器，觀察輸出波形，是否滿(mǎn)足圖1.3中霍爾信號(hào)的規(guī)律。觀察出的波形如下圖3.2所示：上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真觀察波形可得出結(jié)論：霍爾信號(hào)波形符合圖1.3中規(guī)律，證明控制系統(tǒng)中進(jìn)行了換相●接著，從電流的角度觀察模型的正確性。由公式2.4可知，ia+i+ic=0,因此可通過(guò)觀察輸出電流的波形來(lái)確認(rèn)仿真模型是否正確。在狀態(tài)方程模塊輸出端iaibic出加入示波器，并觀察輸出電流波形得到以下圖3.3。上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真觀察電流波形，不難看出電流滿(mǎn)足公式2.5中規(guī)律，即三相線圈中電流滿(mǎn)足規(guī)律。綜上所述，本文直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型成立。目前直流無(wú)刷電機(jī)在國(guó)內(nèi)工控市場(chǎng)的知名度不高，普及率較低。許多用戶(hù)當(dāng)變頻器異步電動(dòng)機(jī)滿(mǎn)足不了要求時(shí)就盲目直接采用伺服電動(dòng)機(jī)，而很多情況可以用價(jià)格低的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)。采用伺服電機(jī)類(lèi)似大馬拉小車(chē)，不僅控制相對(duì)復(fù)雜，而且也是對(duì)資源的浪費(fèi)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量能源的消耗加快了地球溫室化，威脅著人類(lèi)生存。節(jié)能減排是全球面臨的嚴(yán)峻課題，國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)啟動(dòng)了《節(jié)能中長(zhǎng)期專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》,其中的一項(xiàng)就是電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程。"十一五"期間的節(jié)能目標(biāo)，電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率提高2個(gè)百分點(diǎn)，節(jié)電200億千瓦時(shí)。中國(guó)各類(lèi)電動(dòng)機(jī)總?cè)萘考s5.8億千瓦，占總耗電量的60%以上，其中交流電動(dòng)機(jī)占90%,整體運(yùn)行效率比先進(jìn)國(guó)家低10%以上。推廣使用高效節(jié)能的直流無(wú)刷電機(jī)正可謂利國(guó)利民。本文在分析直流無(wú)刷電機(jī)以及其控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，基于Matlab/Simulink仿真軟件建立了直流無(wú)刷電機(jī)三相全控(兩兩通電方式)的仿真，完成了其開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的基本功能。其仿真模型的證實(shí)為之后實(shí)際研發(fā)直流無(wú)刷電機(jī)控制器打下了理論基礎(chǔ)。但本模型仍有需要改進(jìn)上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真的地方。在PWM波產(chǎn)生模塊前可加入PID控制器，設(shè)定參照標(biāo)準(zhǔn)速度，將其與系統(tǒng)反饋速度同時(shí)輸入PID控制器，控制器輸出相應(yīng)占空比，即可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)速度的功能。[1]張琛.直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社，2004[2]直流無(wú)刷電機(jī)的發(fā)展-山社電機(jī)株式會(huì)社的博客-工控博客.htm[3]黃聲華.永磁交流伺服系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀[C].微電機(jī)工業(yè)“十一五”發(fā)展論壇.西安微電機(jī)研究所，2005。[4]莫會(huì)成.控制電機(jī)發(fā)展及建設(shè)[J].微電機(jī)，2005[5]王正林.Matlab/Simulink與控制系統(tǒng)仿真(第二版).電子工業(yè)出版社，2008.7[6]正田英介(日).電機(jī)電器[M].北京：科學(xué)出版社，2001.Implementation.MasterThesis[8]MillerTJE.BrushlessPermanent-MagnetandDrives[M].0xford,NewYork:ClarendonPress,1989.[9]IonelDM,EasthamJF,BetzerT.FiniteMagnetics(S0018-9464),1995,31(6):3749-3751.[10]Duanehanselman.精通Matlab7.清華大學(xué)出版社，2006.5[11]MichaelBarr.脈沖調(diào)制的基本原理及其應(yīng)用實(shí)例，2002.7[12]ThomasSalem,TimAHaskew.SimulaProceedingsoftheTwenty-SeventhSout(SSST'95).USA,1995:18-22.[13]孫建忠，白風(fēng)仙.特種電機(jī)及其控制[M[14]莫會(huì)成.永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)分析[J].微電機(jī)，2007[16]薛定宇，陳陽(yáng)泉.基于Matlab/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.[17]紀(jì)志成，沈艷霞，姜建國(guó).基于Matlab無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)仿真建模的新方法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2003,15(12):1745-1749.(JIZhi-cheng,SHENYan-xia,JIANGJian-guo.ANovelMethodforModelingandSimulatioMatlab[J].JournalofSystemSimulation,2003,15(12):1745-1749.)[18]王兆安電力電子技術(shù)(第4版).機(jī)械工業(yè)出版社.2005上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真[19]STMicroelectronics[20]AtmelApplicationNotes:FullyIntegratedBLDCMo上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真 Profibus-DP串行通信是一種控制羅托克執(zhí)行機(jī)構(gòu)的理想化通信方式。使用Profibus-DP的網(wǎng)絡(luò)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的連接提供高性?xún)r(jià)比的方式，無(wú)論在什么位置都可以行之有效的與中央集控系統(tǒng)連接。Profibus-DP串行通信可運(yùn)行在一定通信速率范圍內(nèi)，并且為控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供控制機(jī)制，以及閥門(mén)位置的反饋數(shù)據(jù)。最新的羅托克Profibus-DP選配卡支持標(biāo)準(zhǔn)的DP-VO周期數(shù)據(jù)交換和DP-V1非周期數(shù)據(jù)交換，用于診斷，建立和歷史數(shù)據(jù)回溯。EDD文件用來(lái)支持最新的西門(mén)子PDM組態(tài)軟件在配置中的使用，而DTM文件支持最新非專(zhuān)利FDT組態(tài)軟件的使用。標(biāo)準(zhǔn)GSD文件支持所有復(fù)雜的系統(tǒng)，包括基礎(chǔ)的和正在建造的系統(tǒng)。圖一●國(guó)際開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)IEC61158/EN5170上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真想要了解更多關(guān)于Profibus的信息請(qǐng)?jiān)L問(wèn)網(wǎng)站http://www.P.Profibus支持西門(mén)子和三菱等領(lǐng)先技術(shù)PLC廠家。羅托克ProfibusDP-V1模塊上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真Profibus模塊被安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)殼里面，接口直接和執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路連接。一旦被安裝，所有通用指令與啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)反饋和一些歷史數(shù)據(jù)一起，都在ProfibusDP,RS485高速總線中可利用。具備一些關(guān)于系統(tǒng)變量和執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能的用戶(hù)設(shè)置，例如執(zhí)行機(jī)構(gòu)的從屬地址。這些不僅僅通過(guò)使用紅外通訊器連接到IQ和IQT執(zhí)行機(jī)構(gòu)，還通過(guò)適合的工具通過(guò)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)相應(yīng)的寄存器。在Profibus運(yùn)行時(shí)，GSD文件就可以通過(guò)簡(jiǎn)單的文本編輯器來(lái)進(jìn)行編輯從而修改內(nèi)部參數(shù)。圖二雙通道Profibus模塊上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真地址一1200米9600波特ProfibusDP模塊作為一從屬設(shè)備，它支持PLC使用VO通信模式進(jìn)行數(shù)據(jù)速度(Band)Profibus單通道模塊上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Matlab的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真據(jù)公路連接，同時(shí)一路為儀器模擬信號(hào)發(fā)射機(jī)附加的輸入信號(hào)(電流或者電壓)被提供。n*□AProfibus雙通道模塊上海工程技術(shù)