直流無刷電機控制系統(tǒng)的仿真設計直流無刷電機控制系統(tǒng)的仿真設計SimulationDesignofBrushlessDCMotorControlSystem摘要關鍵詞：直流無刷電機直接轉(zhuǎn)矩控制仿真MatlabIAbstractPermanentmagnetbrushlessdcmotorwithcontinuouslongservicelife，highefficiency，smallvolume，lightweight，smallinertia，highpowerdensity，easyspeedregulationandautomationperformanceisgoodwaitforacharacteristic，iswidelyusedinvariousinternationaltransportation，industrial，servocontrol，householdappliances，aerospaceanddefenseindustryengineeringtechnologyanditsapplicationfieldssuchasmilitary.Throughthedesignandestablishmentofthebrushlessdcmotorsimulationandcontrolsystem，thecontrolalgorithmofthewholemotorsystemcanbeeffectivelyanalyzedandverified.Thispapermainlystudiesthedesignofasimplifiedbrushlessdcmotorcontrolsystem，basedonthecurrentinternationalmarketoftheconventionaldirecttorquecontrolsystem，toeliminatethecomplexlinksofthemagneticchainclosed-loopcontrol，onlyaccordingtothespaceelectromagnetictorqueandconstantrotorvoltagerelativepositiontocalculateandselectthecorrespondingspacetorquevoltageandvector.Andcomparedwiththedoubleclosedloopcontrolsystemthroughsimulation.Inthispaper，weusematlabmodulesoftwaredesign，accordingtotheknownparametersofbrushlessdcmotor，theactualsituationandsystemdesignandcontrolworkoftheactualsituationofbrushlessdcmotorcontrolsystemisestablishedabasicdynamiccontrolmodel，andthroughthesimulationandanalysisresultsshowthatthesystemdynamicmodelofthebasicdesignisreasonableandcorrect.Keywords: ConventionalDirectTorqueControlBrushlessDcMotorEmulationMATLABII目錄摘要 IAbstract II2546_WPSOffice_Level1緒論 110547_WPSOffice_Level2論文選題的背景和意義 16501_WPSOffice_Level2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 12285_WPSOffice_Level2論文的主要研究內(nèi)容 210547_WPSOffice_Level11無刷直流電機及其控制系統(tǒng)的核心理論 320462_WPSOffice_Level21.1無刷直流電機的工作原理 330797_WPSOffice_Level21.2無刷直流電機的位置檢測 610547_WPSOffice_Level31.2.1有位置傳感器 66501_WPSOffice_Level31.2.2無位置傳感器 73194_WPSOffice_Level21.3無刷直流電機控制系統(tǒng)的選擇 922475_WPSOffice_Level21.4無刷直流電機的直接轉(zhuǎn)矩控制 106501_WPSOffice_Level12無刷直流電機控制系統(tǒng)的數(shù)學模型分析 143904_WPSOffice_Level22.1無刷直流電機的數(shù)學模型 1418899_WPSOffice_Level22.2無刷直流電機的反電勢 1512209_WPSOffice_Level22.3空間電壓矢量求取 152285_WPSOffice_Level13無刷直流電機控制系統(tǒng)仿真 1821510_WPSOffice_Level23.1系統(tǒng)模型的搭建 1824877_WPSOffice_Level23.2仿真結(jié)果及分析 212285_WPSOffice_Level33.2.1轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果及分析 2120462_WPSOffice_Level33.2.2轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果及分析 2230797_WPSOffice_Level33.2.3A相電流仿真結(jié)果及分析 243194_WPSOffice_Level33.2.4三相反電勢仿真結(jié)果及分析 2520462_WPSOffice_Level14仿真結(jié)果的最終對比 2730797_WPSOffice_Level1結(jié)論 293194_WPSOffice_Level1致謝 3022475_WPSOffice_Level1參考文獻 31緒論論文選題的背景與意義隨著現(xiàn)代電力電子技術和新型永磁電動機材料的快速應用發(fā)展，一種新型的高性能永磁直流無刷電動機(brushlessdcmotor)被逐漸推導了出來。它不僅在外觀上能夠擁有普通無刷直流電動機優(yōu)良的傳動和機械特性，又同時在性能上具有良好的傳動重量輕、慣性小、體積小、控制精度高的特點和實用性等諸多優(yōu)點。被廣泛應用于很多應用領域，例如智能電動汽車、智能數(shù)控機器人、光驅(qū)等。而隨著無刷直流電動機系統(tǒng)應用范圍的多元化和范圍的不斷擴大，控制無刷直流電動機系統(tǒng)對于成本、控制算法、設計和控制產(chǎn)品開發(fā)生命周期的各種關鍵技術要求，日益的提高和增加。通過電動機的設計和控制可以建立完整的無刷直流電動機控制系統(tǒng)的仿真和控制模型，可以立即地驗證目前應用于計算機系統(tǒng)的控制算法，借助于系統(tǒng)的模型分析來計算和觀察系統(tǒng)的控制和輸出，從而有效地節(jié)省了控制電動機系統(tǒng)開發(fā)和設計的成本和時間。此外，還使開發(fā)者可以充分利用計算機控制系統(tǒng)仿真技術的優(yōu)勢，人為地利用算法去控制和改變系統(tǒng)的擾動和結(jié)構(gòu)，加入不同的擾動和參數(shù)的變化，研究控制系統(tǒng)在不同的結(jié)構(gòu)和不同的工作條件情況下的各種靜態(tài)和動態(tài)的特性。永磁靜電無鉛印刷高壓直流電力發(fā)動機調(diào)速控制動力系統(tǒng)系列產(chǎn)品主要具有連續(xù)工作使用壽命長、體積小、效率高、重量輕、調(diào)速快和控制傳動性能好、功率低和密度大、轉(zhuǎn)動慣量小等六大特點。雖然目前我國直流風力發(fā)電機的生產(chǎn)制造設備和自動化技術與國外的水平差距不大，但直流風力發(fā)電機稀土控制系統(tǒng)的相關技術基礎研究與實際應用的開發(fā)還是進一步有待加強。另一方面，中國的直流電機的稀土資源特別豐富，占目前中國和世界總直流電機稀土資源儲量的75%。因此，發(fā)展永磁無刷直流電機控制系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)對于我國直流電機經(jīng)濟的生存和發(fā)展來說具有特殊的戰(zhàn)略意義。國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀無刷電機雖然相較于傳統(tǒng)的有刷直流驅(qū)動電機來說具有許多不可忽視的技術優(yōu)點，但也還是存在一些固有的問題和缺點，如轉(zhuǎn)矩和脈動的問題，使得很多精密電機需要控制的場所都無法得到廣泛使用。因此，國內(nèi)外對其也進行了大量的技術研究。其研究的方向主要可以分為兩個主要的方面。一是主要研究材料的磁鐵和電機本身。目前，國內(nèi)外正在研究尋找合適的磁鐵電機材料，進一步提高其的性能。二是主要應用帶有傳感器作為材料進行反饋的裝置以及傳感器進行材料的換向，在某些的情況下，如材料受到腐蝕的情況下，使用帶有傳感器的材料作為反饋控制裝置的傳感器進行材料換向是不實際的。因此，近些年來，許多的學者和專家們正在繼續(xù)致力于積極進行對無直流驅(qū)動電機的傳感器進行智能電機控制的途徑和技術課題研究，這不僅可以很好的解決了直流驅(qū)動電機的傳感器在某些的特殊情況下不適用的問題和智能電機控制的問題。也因為它可以很好的解決轉(zhuǎn)矩和脈動的問題以及智能電機控制的問題。此外，許多直流驅(qū)動電機傳感器智能控制的途徑和方法也在進一步的探索和研究中。由于目前已經(jīng)發(fā)展完善的傳感器智能電機控制的途徑和技術方法已經(jīng)有很多，潛力很大，所以近些年來，無刷直流驅(qū)動電機憑借迅速的市場經(jīng)濟發(fā)展，很快的就成功占領了直流驅(qū)動電機的市場。它被廣泛應用于各種電子計算機cd播放器、電動汽車、航空航天等多種應用領域。當然，目前以嵌入式位置反饋傳感器作為元件進行位置檢測和反饋的開環(huán)閉環(huán)控制在技術上已經(jīng)在國內(nèi)得到了廣泛的應用和成熟，為其學習和研究相關技術提供了很好的技術參考。論文的主要研究內(nèi)容無刷直流電動機模型具有體積小、重量輕、效率高、結(jié)構(gòu)簡單等特點，被廣泛應用于電動工具、汽車、工業(yè)過程控制、自動化及航空航天等工業(yè)應用領域。本模型的設計主要是采用simulink的模型和自動仿真的設計方法，分析了具有不同結(jié)構(gòu)和控制策略的無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)和控制過程管理系統(tǒng)，并對建立模型進行了驗證。主要研究內(nèi)容:(1)控制策略研究，包括經(jīng)典的雙閉環(huán)調(diào)速和直接轉(zhuǎn)矩控制。(2)建立部分系統(tǒng)模型，學習Simulink電力系統(tǒng)仿真模塊的使用。(3)依據(jù)不同的控制策略，相應的建立無刷直流電動機的調(diào)速模型。(4)根據(jù)實際的電機參數(shù)，模擬控制系統(tǒng)，對比不同控制策略，分析其優(yōu)缺點。1無刷直流電機及其控制系統(tǒng)的核心理論1.1無刷直流電機的工作原理無刷直流電動機的定子由永磁鋼構(gòu)成，其主要的工作功能之一就是在電機的兩個繞組相互通電時，會在氣隙中產(chǎn)生一個固定的反應磁場。由于直流無刷電機印刷齒輪具有換向的作用，在直流無刷電機的齒輪換向系統(tǒng)運行的每一個過程中，兩個印刷齒輪的反應磁場總是相互保持平行或者相互垂直，從而在兩個氣隙中通電時產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動無刷直流電動機繼續(xù)通過印刷齒輪，進行換向運行。為了能夠更好地設計和實現(xiàn)對于無刷直流電動機對齒輪的換向，首先將普通無刷直流電動機的兩個定子電樞和繞組直接置于一個帶動定子上，將永磁磁鋼的定子電樞和繞組直接置于一個固定的轉(zhuǎn)子上。這與目前的傳統(tǒng)直流永磁電機的兩個定子結(jié)構(gòu)完全相反。但是，這種簡單的方法顯然是不夠的，因為普通無刷直流電機的定子電樞和繞組通常都只能在固定的氣隙中，連續(xù)地產(chǎn)生一個固定的轉(zhuǎn)矩和反應磁場。而不能直接通過氣隙來產(chǎn)生一個固定方向的轉(zhuǎn)矩，用來連續(xù)地帶動永磁鋼和繞組的兩個轉(zhuǎn)子，進行連續(xù)的旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生方向和反應磁場，都是由于繞組的轉(zhuǎn)子在連續(xù)運動時的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的。所以，無刷直流電動機除了由定子和轉(zhuǎn)子組成電動機的本體以外，還要有由位置傳感器，控制電路以及功率邏輯開關共同構(gòu)成的換向裝置，使得無刷直流電動機在運行過程中定子繞組所產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)動中的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁磁場，在空間始終保持在π/2(rad)左右的電角度，從而使電機能不停的運轉(zhuǎn)。每一次換向都會有一組繞組處于正向通電；第二組反相通電；第三組不通電。轉(zhuǎn)子永磁體的磁場和定子鋼片產(chǎn)生的磁場相互作用就產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩，理論上，當這兩個磁場夾角為90°時會產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩，當這兩個磁場重合時轉(zhuǎn)矩變?yōu)?，為了使轉(zhuǎn)子不停的轉(zhuǎn)動，那么就需要按順序改變定子的磁場，就像轉(zhuǎn)子的磁場一直在追趕定子的磁場一樣。本次課題中所采用的無刷直流電動機，是被廣泛應用于市面上的，被稱為三相對稱繞組的無刷直流電動機。其中三相的連接方式分為星形連接和角形連接兩種，逆變器可以分為橋式和非橋式兩種，所以無刷直流電機的主電路則可分三種，分別為角形連接三相橋式、星形連接三相橋式、星形連接三相半橋式。本文的主電路采用為星形電路連接三相橋式變壓器，如圖1.1所示。下面具體介紹這種主電路的結(jié)構(gòu)原理。圖1.1星形連接三相橋式主電路VT1VT6導通，A、B相通電(b)VT1、VT2導通，A、C相通電(c)VT3、VT2導通，B、C相通電(d)VT3、VT4導通，B、A相通電圖1.2轉(zhuǎn)子位置如圖1.1所示，就是本次課題所使用的星形連接三相橋式主電路，圖1.2為轉(zhuǎn)子不同位置時的電流導通規(guī)則。如圖所示，當轉(zhuǎn)子到達圖1.2(a)位置時，轉(zhuǎn)子會被電機的位置檢測系統(tǒng)所檢測，并將轉(zhuǎn)子當前位置信號傳給逆變器，控制系統(tǒng)控制A、B兩相所對應的開關導通，即圖1.1中的、，此時電流從電源的正極流出，經(jīng)由、A相繞組、B相繞組、，最后流入電源負極，這個電流的流經(jīng)過程中，電機定子產(chǎn)生的磁場會作用在轉(zhuǎn)子上，使得電機按圖1.2(a)所示的方向旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過一段時間的運轉(zhuǎn)后轉(zhuǎn)子到達了圖1.2(b)所示位置時，轉(zhuǎn)子又會被電機的位置檢測系統(tǒng)所檢測，并將轉(zhuǎn)子當前位置信號傳給逆變器，控制系統(tǒng)則會控制A、C兩相對應的開關導通，即、，電流從電源的正極流出，經(jīng)、A相繞組、C相繞、經(jīng)回到電源的負極，這個電流的流經(jīng)過程中，電機定子產(chǎn)生的磁場會作用在轉(zhuǎn)子上，從而使電機按圖1.2(b)所示的方向旋轉(zhuǎn)。之后會重復這個過程，使得轉(zhuǎn)子可以依次到達圖1.2(c)和圖2.2(d)的位置，最后再回到圖1.2(a)位置。在圖1.1中，當檢測到轉(zhuǎn)子當前位置信號時，有兩種控制功率開關的方法:一是二二導通方式，二是三三導通方式。我們來了解一下這兩種方法。當在同一個時間點內(nèi)，導通的開關是兩個時，就是二二導通方式，也稱為星形三相六狀態(tài)方式，同理可知，當在同一個時間點內(nèi)，導通的關是三個時，就是三三導通方式。如圖2.2(a)所示，為二二導通方式下的的電流方式，此時如增加C為流入電流，Z為流出電流，則就變?yōu)槿龑ǚ绞健睦碚撋蟻砜?，三三導通方式下，電機將獲得更大的轉(zhuǎn)矩，事實上，三三導通方式在換相過程中，由于器件的延遲，極可能造成前一狀態(tài)打開的關沒有關閉，而后一狀態(tài)需要打開的開關打開，導致短路，燒毀元器件，而二二導通方式因為中間有60°的間隔作為換相緩沖，則不存在這樣的問題，所以我們選擇二二導通方式作為電機的換相控制策略。1.2無刷直流電機的位置檢測市場上比較常見的一種方法用于電機轉(zhuǎn)速表的確定和速度檢測直流電機轉(zhuǎn)子齒輪位置傳動無刷電機沒有傳感器的轉(zhuǎn)子齒輪與直流轉(zhuǎn)子之間位置的傳動轉(zhuǎn)速速度檢測法其方法主要大致分為有兩種:一種就是直流轉(zhuǎn)子齒輪位置轉(zhuǎn)動無沒有傳感器的直流轉(zhuǎn)子齒輪位置速度檢測，二種方法就是直流轉(zhuǎn)子齒輪位置轉(zhuǎn)動速度沒有傳感器的直流轉(zhuǎn)子齒輪位置速度檢測，但因為有位置傳感器的檢測成本相對較高與安裝維護不方便?，F(xiàn)在各種各樣的電子信號處理器的功能完善以及現(xiàn)代化的電子傳感器和電力信號檢測技術的發(fā)展，使得各種利用無位置傳感器進行檢測的方法正迅速的發(fā)展，一步一步發(fā)展成為了主流。1.2.1有位置傳感器永磁光電式無刷位置傳感器對直流電動機的轉(zhuǎn)子位置的自動檢測通常大致可以分為采用通過無刷電磁式、光電式和無刷磁敏式三種確定電動機轉(zhuǎn)子位置的永磁式傳感器。實際上電磁式的轉(zhuǎn)子位置傳感器按開關電路結(jié)構(gòu)可以細分為開式位置變壓器、鐵磁諧振開關電路、接近開關電路等。實際上電磁式的位置傳感器的原理和特點主要有著它是一種能夠很好地利用和適應直流電動機各種復雜多變的實際工作條件和環(huán)境、維護方便、不易使零部件受到嚴重損壞等的特點，能夠有效地提供各種高強度的光信號，多用于潛艇、航空航天等電動機領域。這種光電式位置傳感器的工作原理特點類似于我們常用的一種紅外線光信號接發(fā)器，它主要是根據(jù)光信號接收器自動接收到的各種光信號的不連續(xù)性來自動確定轉(zhuǎn)子的方向和位置。世界上第一臺無刷直流電動機采用的霍爾元件傳感器就是屬于磁敏式傳感器。它同時也是無刷直流電動機傳感器市場上目前已經(jīng)應用最廣泛的傳感器之一，因為霍爾元件性價比高，生產(chǎn)工藝簡單，可以直接進行電動機的大批量生產(chǎn)。由于霍爾元件的電動勢低，在實際的使用中通常需要放大器，所以霍爾集成電路通常由霍爾元件和其他作輔助的集成電路兩個大部分組成?；魻柤呻娐芬话憧梢苑譃榇琶羰骄€性電路和開關電路兩種。前者多廣泛應用于磁敏式的位置霍爾元件的傳感器。在實際的集成電路應用中，霍爾開關一般被認為有兩種比較廣泛使用的粘貼方式:一種就是將霍爾開關直接粘貼在電機繞組端蓋的鐵心定子表面;二種就是直接把霍爾開關直接的粘貼在無刷直流電動機的繞組鐵心定子端部上的距離電動機繞組端蓋鐵心最近一點的幾毫米處或者直接粘貼在電動機鐵心定子上的電動機中樞上裝有鐵芯的繞組端蓋表面，前者在電動機接近霍爾開關的地方安裝著一個同步于轉(zhuǎn)子和電動機中樞轉(zhuǎn)軸的永磁體，而后者則一般是直接利用粘貼在電動機中樞轉(zhuǎn)子上的永磁體傳感器來直接取得電動機轉(zhuǎn)子的信號，以此方式來準確判斷電動機轉(zhuǎn)子的方向和位置。1.2.2無位置傳感器永磁電動機和無刷的直流電動機還是可以通過直接檢測和監(jiān)控反電動勢的極性和反電動勢信號的狀態(tài)變化來直接地代替霍爾傳感器的反電動勢信號，達到了控制傳感器轉(zhuǎn)子開始換向的主要手段和目的。如電路圖1.3所示，我們可以清楚地看到霍爾傳感器和反電動勢之間的相互聯(lián)系。每次當?shù)谝粋€轉(zhuǎn)子傳感器開始換向時，第一個換向繞組的電壓極性改變得到正電，第二個轉(zhuǎn)子換向的繞組極性改變得到一個負電，第三個轉(zhuǎn)子換向繞組保持反電動勢開路的極性和狀態(tài)。從這個電路圖中我們可以清楚地看出，當反電動勢開路電壓的極性由正變負或由負變正時，霍爾傳感器反電動勢信號的極性和信號狀態(tài)發(fā)生變化。理想的情況下，在反電動勢的極性穿過零電阻值時這種延遲的情況就可能會經(jīng)常發(fā)生，但由于換向繞組的特性，在實踐的情況下我們可能會發(fā)現(xiàn)有一個非常小的延遲，這種情況下的延遲由單片機控制器進行了補償。圖1.3霍爾傳感器信號與反電動勢關系另一個問題是在使用電機開環(huán)時需要仔細進行考慮的開環(huán)控制問題是由于使用電機轉(zhuǎn)速特別慢的時候出現(xiàn)開環(huán)無法控制的情況。由于反電動勢與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比，電機從一個非常靜止的開環(huán)狀態(tài)啟動時必須直接采用反電動勢進行開環(huán)的檢測與閉環(huán)控制。只有當開環(huán)的檢測常數(shù)達到反電動勢過零點時，才認為可以直接采用反電動勢的方法進行檢測與對開環(huán)的控制。因此直接利用檢測電動機的反電動勢的控制常數(shù)可以精確地計算得出，可以被檢測的反電動勢的最低轉(zhuǎn)動速度。以這種簡單的方式進行換向不僅僅需要霍爾傳感器，在一些直流電機中甚至霍爾傳感器對電磁體也不那么需要。這種簡化的開環(huán)控制結(jié)構(gòu)為電機節(jié)約了大量的成本，且電動機可以輕松適應很多復雜的環(huán)境，例如在一些需要經(jīng)常用水清洗的環(huán)境中被廣泛使用。1.3直流無刷電機控制系統(tǒng)的選擇直流無刷電機的控制系統(tǒng)主要包括矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。下面我將簡要介紹這兩種控制方法。矢量的控制電動機是一種在無刷直流電機傳動系統(tǒng)中目前應用最廣泛的一種控制電動機方法之一。由于無刷的直流電動機的轉(zhuǎn)差率一般為零，因此矢量控制的效果直接受轉(zhuǎn)子電流參數(shù)的變化影響較小。另一方面，電子的電流對于矢量控制起著重要的控制作用，它被簡單地分解成兩個部分，一個主要用于控制電流產(chǎn)生磁通，另一個主要用于控制電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。然后分別對轉(zhuǎn)子進行了計算和轉(zhuǎn)換，就是可以很好地直接控制了轉(zhuǎn)子電流的大小和轉(zhuǎn)子的相位。綜上這兩點來看，矢量的控制和對無刷的直流電動機的控制相結(jié)合還是可以很好地達到我們目前所想要能夠得到的比較好的電子電流控制效果。直接轉(zhuǎn)矩的定子磁場控制(directtorquecontrol，dtc)主要是由于采用了對定子磁場定向和電壓空間定向矢量的直接轉(zhuǎn)矩控制的概念，通過定子傳感器直接檢測一個定子的電流、電壓，直接在一個定子磁場的坐標系下進行控制和分析觀測永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈、轉(zhuǎn)矩，并通過傳感器比較此轉(zhuǎn)矩的給定誤差值和計算觀測誤差值，經(jīng)滯環(huán)和轉(zhuǎn)矩控制器的相互作用可以使得經(jīng)滯環(huán)對給定的磁鏈通過誤差值得到了對相應的直接轉(zhuǎn)矩的控制和瞬時觀測的信號，再根據(jù)當前的磁鏈運動的狀態(tài)和情況來進行控制和自動選擇永磁同步電動機及其相應的定向電壓控制空間和轉(zhuǎn)矩矢量，來更好地實現(xiàn)和達到對永磁同步的電動機轉(zhuǎn)矩的直接觀測和瞬時控制。它從電動機的結(jié)構(gòu)和控制功能上來說，我們可以將永磁同步電動機的轉(zhuǎn)矩劃分為2部分:第1部分主要為了對六邊形定子磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩的控制和瞬時觀測，目的主要是為了更好地利用磁鏈選擇合適的定子磁鏈及其控制電壓空間和轉(zhuǎn)矩矢量，以便它在運動時能夠更好地產(chǎn)生一個六邊形的定子磁鏈;第2部分為轉(zhuǎn)矩的直接觀測控制和瞬時觀測，目的主要是為了能夠更好地利用磁鏈實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的瞬時觀測控制。近年來，直接轉(zhuǎn)矩的控制在永磁同步電機中尤其特別是在永磁同步無刷直流電動機轉(zhuǎn)矩控制中的廣泛應用國內(nèi)外已有大量相關文獻的研究和報道，但是，將這種直接轉(zhuǎn)矩控制的方式廣泛應用于永磁同步無刷直流電動機的相關技術研究還不多。由于電動機采用永磁傳感器控制無刷的直流電動機本身必須具有同一個位置的傳感器，并且可以當電動機和無刷的直流電動機連續(xù)運行并保持高速電動機運行時由這個位置的傳感器直接給出的直流電壓和傳感器空間的矢量恰好大到可以在電動機和無刷的直流電動機的定子上直接產(chǎn)生一條六邊形的磁鏈，所以一方面我們完全能看到可以直接在定子上省略或去掉其他六邊形磁鏈的位置和觀測部分，使得其控制電動機系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和操作得到了簡化，另一方面我們完全可以充分利用它的高精度和動態(tài)性，以此方式來觀測和控制無刷直流電動機的轉(zhuǎn)矩波動，使轉(zhuǎn)矩的波動被直接限制在電動機規(guī)定好的轉(zhuǎn)矩波動范圍里，前提是當直接轉(zhuǎn)矩波動策略被廣泛應用于永磁控制無刷直流電動機時。直接轉(zhuǎn)矩的控制和處理與傳統(tǒng)的直接矢量轉(zhuǎn)矩控制的方法相比，不需要控制器進行大量的電流解耦，而是直接的控制了電動機的轉(zhuǎn)矩和控制電磁鏈，因此它本身具有較強的技術優(yōu)勢體現(xiàn)在它的控制系統(tǒng)性能。這種直接轉(zhuǎn)矩控制的方式不但有效的使得計算量消耗大大的減少了，而且有效的提高了控制算法的精度和效率。1.4無刷直流電機的直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩和矢量的控制系統(tǒng)逆變器技術的主要特點之一，就是直接在一個定子的靜止旋轉(zhuǎn)坐標系下直接控制分析一個交流電動機的數(shù)學和運動模型，進而直接用逆變器控制一個交流驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩與磁鏈。所以交流逆變器省略掉了直接轉(zhuǎn)矩矢量控制信號的直接控制中靜止電動機旋轉(zhuǎn)的定子坐標系與直接轉(zhuǎn)矩矢量的控制信號中靜止電動機旋轉(zhuǎn)定子坐標系的復雜的轉(zhuǎn)矩矢量控制信號的變換和轉(zhuǎn)矩矢量計算，內(nèi)部的直接轉(zhuǎn)矩矢量控制信號的采集和計算處理更加的簡單方便，更容易直接用逆變器實現(xiàn)系統(tǒng)的電動機和實時轉(zhuǎn)矩矢量的控制。交流逆變器操作系統(tǒng)采用不同的頻率和階數(shù)的滯環(huán)控制電動機和逆變器滯環(huán)負載的調(diào)節(jié)器、設置不同的頻率階數(shù)電動機和滯環(huán)環(huán)差以及不同的頻率階數(shù)電動機和滯環(huán)負載及其交流驅(qū)動電機的實際旋轉(zhuǎn)頻率和速度等等這些都會直接的影響電動機和交流逆變器實際的電動機開關和工作頻率，控制逆變器的操作系統(tǒng)使用起來比較簡單便捷，并且對逆變器接收到的電動機和逆變器參數(shù)的工作頻率變化幅度影響比較小。逆變器目前采用的電動機控制磁場定向方式是因為需要電動機采用定子磁鏈式的控制電動機進行磁場定向，這樣緊需要先動機測得一個電動機定子的磁鏈作為電阻，而采用定子電感矢量的磁場定向控制則是因為需要電動機測得一個轉(zhuǎn)子的磁鏈直接的作為一個電動機的轉(zhuǎn)子進行磁場定向，所以只有定子的電動機已經(jīng)知道了一個轉(zhuǎn)子的電阻和一個定子的電感才可以能夠直接的進行電動機的觀測，所以也就是說一個定子的磁鏈和一個電動機測得轉(zhuǎn)子磁鏈的磁鏈與一個定子電動機目前觀測的磁場定向模型相比來說還是可以采用電動機定子磁鏈的觀測模型相對簡單一些。直接轉(zhuǎn)矩的電機磁鏈控制這種技術主要的基本含義就是用這樣一句話強調(diào)轉(zhuǎn)矩的直接進行電機磁鏈的控制和轉(zhuǎn)矩可以達到的間接進行磁鏈控制的效果，而這句話主要就是包含了轉(zhuǎn)矩的直接調(diào)節(jié)器進行電機磁鏈的控制和直接通過電機磁鏈間接進行轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動和電機磁鏈控制這兩層的基本含義。轉(zhuǎn)矩所需要采用的控制方法其實就是轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的一種方法來直接通過轉(zhuǎn)矩進行驅(qū)動電機控制轉(zhuǎn)矩。所以對它而言它的直接驅(qū)動和控制操作目的并不是為了通過獲得正弦波的電壓、電流以及頻率來控制一個圓形的電機磁鏈，而只是為了充分追求轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動和電機磁鏈控制的操作快速性和圓形磁鏈控制的操作準確性。這種直接的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動電機控制的方式我們也可以將其稱之為"直接自控式"。這種"直接自控式"的驅(qū)動電機設計基本思想就是以轉(zhuǎn)矩的直接調(diào)節(jié)器為其控制的中心通過轉(zhuǎn)矩來直接的進行轉(zhuǎn)矩、磁鏈的直接驅(qū)動電機控制，然后通過轉(zhuǎn)矩的兩點式直接的調(diào)節(jié)器將轉(zhuǎn)矩的直接調(diào)節(jié)器檢測值和其波動的范圍與給定的電機磁鏈轉(zhuǎn)矩值之間的容差進行直接通過滯環(huán)式的波動進行比較，把轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)器檢測值和其波動的范圍都限制在一定的轉(zhuǎn)矩容差和其波動的范圍內(nèi)，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩和磁鏈通過圓形驅(qū)動電機磁鏈的直接進行驅(qū)動和電機的控制。所以直接轉(zhuǎn)矩的控制只是取決于對轉(zhuǎn)矩驅(qū)動電機控制的實際轉(zhuǎn)矩波動情況，不受轉(zhuǎn)矩驅(qū)動電機實際的控制數(shù)學和模型的影響，這樣既簡單又直接。直接轉(zhuǎn)矩交流調(diào)節(jié)器直接自控制技術主要的優(yōu)勢和特點之一就是通過綜合利用基于空間矢量的直接轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器分析方法，用一個兩點式直接轉(zhuǎn)矩交流調(diào)節(jié)器(bang-bang手動控制)直接轉(zhuǎn)矩自動控制感應開關電壓型交流逆變器六個感應轉(zhuǎn)矩和開關定子電機磁鏈器件的控制根據(jù)感應轉(zhuǎn)矩和開關定子電機磁鏈運動的狀態(tài)，對于感應轉(zhuǎn)矩開關定子電機的轉(zhuǎn)矩和開關定子電機磁鏈的運動狀態(tài)進行直接轉(zhuǎn)矩的控制。這樣不僅對于動態(tài)轉(zhuǎn)矩的響應比較快而且開關損耗也一定會比較小。現(xiàn)在市場上采用的是dtc兩種電機器件直接自控制策略的六個感應定子電機器件磁鏈主要以2種直接自控制的方式運行:一種方式自控制是1985年由一位來自于德國魯爾大學的m.depenbrock教授在其研究中首次提出的直接自控制，直接自控制的解決方案主要的特點就是針對目前廣泛應用于各種大功率電壓型交流逆變器傳動系統(tǒng)的六個感應開關電壓型交流逆變器進行交流驅(qū)動系統(tǒng)的感應開關電機器件提出來的直接轉(zhuǎn)矩控制解決方案。由于當時國際市場上普遍采用了大功率的采用gto半導體的直接開關轉(zhuǎn)矩控制電機的器件，考慮到直接開關控制電機器件本身的電路開通、關斷比較慢，還有開關損耗和電機器件的散熱等實際的穩(wěn)定性問題，gto半導體開關轉(zhuǎn)矩控制器件的直接半導體開關轉(zhuǎn)矩和電機控制的頻率不能太高。當時的交流逆變器非零開關對于頻率的穩(wěn)定性要求通常只能小于1khz，通常逆變器開關的頻率只有500~600hz。而即便一直持續(xù)使用到現(xiàn)在，大功率的非零電壓交流逆變器在交流傳動開關應用的領域和場合中切換開關的速度和頻率也通常都只能達到僅僅有幾khz。在較低的交流開關元器件切換開關的頻率下，直接自控制切換單元作為解決問題的方案被廣泛地采用的一種自控制切換方式。它是一種直接利用兩點式非零開關電壓型的交流開關切換逆變器的六個非零開關電壓的切換矢量，按照預先繪制好的設計圖中給定的對六邊形直接定子磁鏈幅值控制指令順次控制切換六個非零開關的矢量，從而很好地實現(xiàn)了預設的對六邊形直接定子磁鏈的運動速度和軌跡的直接自控制。在六邊形直接定子磁鏈自控制單元的設計理念基礎上通過實時地控制插入零開關電壓的矢量指令來控制和調(diào)節(jié)驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩在合適的開關頻率范圍內(nèi)—這也是轉(zhuǎn)矩自控制單元的主要功能。目前，該自控制方式在一些交流元器件開關對頻率和速度要求不高的應用領域中已經(jīng)應用比較廣泛，但是該自控制方式的缺點主要是由于電流、電壓的開關頻率波形畸變嚴重，在低速開關的情況下轉(zhuǎn)矩的脈動比較大。另一種則最早可能是由一位來自日本的調(diào)節(jié)器學者ltakahasi提出的，也就是這種跟蹤定子開關磁鏈的調(diào)節(jié)器運動跟蹤的軌跡是按照了一個標準圓形的定子開關磁鏈的跟蹤調(diào)節(jié)器軌跡信號來進行控制的跟蹤查詢方式。此種用于跟蹤查詢磁鏈控制定子開關逆變器的跟蹤查詢方案已經(jīng)認為是現(xiàn)今在世界上進行研究最多的一種dtc跟蹤查詢磁鏈控制逆變器的方案，它主要原因是由于采用了一種跟蹤查詢磁鏈的電壓和調(diào)節(jié)器電壓矢量表的方法來對查詢電壓調(diào)節(jié)器的定子磁鏈和相應調(diào)節(jié)器的施加電機轉(zhuǎn)矩幅值同時的進行了調(diào)節(jié):根據(jù)相應的定子磁鏈幅值與相應調(diào)節(jié)器施加電機轉(zhuǎn)矩的滯環(huán)式bang-bang調(diào)節(jié)器、定子開關利用磁鏈的調(diào)節(jié)器矢量表與相應的空間調(diào)節(jié)器所在位置的電機轉(zhuǎn)矩關系信號來計算形成查詢電壓調(diào)節(jié)器矢查表所需的查詢電壓調(diào)節(jié)器矢量表相關信息，從這種跟蹤查詢磁鏈的電壓和調(diào)節(jié)器的電壓矢量表中直接查詢可以準確的查出與磁鏈相應的調(diào)節(jié)器矢量表所施加的跟蹤查詢磁鏈電壓和調(diào)節(jié)器矢量表的信號相對應的查詢電壓調(diào)節(jié)器和定子開關的磁鏈矢量信號，以此查詢方法為基礎來實現(xiàn)運動跟蹤和控制調(diào)節(jié)器相應的查詢電壓逆變器。這種定子磁鏈跟蹤旋轉(zhuǎn)空間控制的自動化方式主要特點是實時的，它通過跟蹤和檢測開關磁鏈調(diào)節(jié)器和定子開關電機磁鏈與轉(zhuǎn)矩的關系和誤差，結(jié)合起來控制電機的旋轉(zhuǎn)空間定子磁鏈幅值和旋轉(zhuǎn)空間與開關磁鏈調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)矩所在位置的矢量關系來精確地進行計算和選擇控制相應的磁鏈調(diào)節(jié)器和電機開關定子磁鏈的矢量，采用了一個固定的標準圓形控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)軌跡以有效地保證開關磁鏈調(diào)節(jié)器的電機定子磁鏈幅值基本穩(wěn)定并保持不變。2無刷直流電機控制系統(tǒng)的數(shù)學模型分析2.1無刷直流電機的數(shù)學模型在給我們的直流電動機模型，建立一個完全符合系統(tǒng)數(shù)學的直流電動機基本模型前，我們先對這個電動機模型給出了一個如下的基本假設:(1)我們可以這個直流電機發(fā)動機的內(nèi)部鐵心飽和，不計磁滯損耗和渦流損耗;(2)我們要忽略地去統(tǒng)計和計算直流電機發(fā)動機的鐵心中樞磁整流槽飽和效應，電樞導體連續(xù)且均勻的分布于電樞導體表面;(3)忽略梯形波對電路中樞氣隙磁場的反應。氣隙磁場的梯形波分布，可以近似的認為是一個平頂寬度為120導電角度的非線性梯形波;(4)功率管和驅(qū)動系統(tǒng)三相定子逆變整流電路的功率管和驅(qū)動系統(tǒng)三相續(xù)流電路變壓器中的三相整流二極管均應該是具有理想的三相開關電壓的特性;(5)三相續(xù)流電路變壓器與三相定子整流電路變壓器中的二極管繞組互相對稱。這樣經(jīng)過的推導就已經(jīng)證明可以很容易的計算得到永磁無刷直流三相逆變電機的三相開關電壓方程如式2.2所示:（2.2）其中，為每個定子相供電繞組的定子電壓；為每個定子相供電繞組的定子電流；為每個供電定子相繞組各相之間的定子感應電動勢；r為每相供電繞組的定子電阻;l為每相供電繞組的定子自感;m為每相定子繞道各組間的互感。根據(jù)繞組的星形連接的原理，，，所以，所以式2.2轉(zhuǎn)化后如下式2.3所示：（2.3）由此可作出無刷直流電機的等效電路圖如圖2.1所示。圖2.1無刷直流電機的等效電路圖2.2無刷直流電機的反電無刷直流電動機在高速轉(zhuǎn)動的過程中，每一個定子驅(qū)動繞組將會自動產(chǎn)生一個名為反電動勢的勵磁電壓。由楞次定律可知，反電動勢產(chǎn)生電壓的方向和轉(zhuǎn)子繞組的驅(qū)動主齒輪產(chǎn)生電壓方向完全相反。同時它的極性和勵磁產(chǎn)生的電壓也是完全相反的。所以決定反電動勢的因素主要有三個:一為電動機的轉(zhuǎn)子繞組角驅(qū)動速度，二為驅(qū)動轉(zhuǎn)子繞組磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場，三為定子驅(qū)動繞組的匝數(shù)。因此在選定好無刷直流電動機的模型之后，相當于是二和三這兩個重要的因素也就是固定的了，剩下的因素就是轉(zhuǎn)子繞組角驅(qū)動速度(或者說是轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)速)和功率就是唯一的可以用來決定反電動勢的一個重要因素。其隨著轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)速的提高得到了增加。也可以我們通過計算定子電樞驅(qū)動繞組的電磁角速度和功率公式求得無刷直流電動機的轉(zhuǎn)矩公式如下式2.4所示:（2.4）其中，為角速度。如下圖圖2.2(a)所示為無刷直流電機及其發(fā)動機的對于其主磁通反電勢動態(tài)的波形，而它的反電勢動態(tài)波形的模型應該與傳統(tǒng)的無刷直流電動機對于其主磁通的反電勢動態(tài)波形的模型應該非常的的接近，為了更好的能夠幫助我們更好的實現(xiàn)這個簡化的無刷直流電動機的電流測量和計算的操作過程，我們同時也已經(jīng)找到了可以將其與如下圖2.2(b)的反電勢波型的梯形波近似的可以很準確地認為這個波形就是它的反電勢梯型波形。設一根處于磁場中的導線長度為，導線在磁場中的速度為v，那么感應電動勢和電機轉(zhuǎn)速的公式如下式2.5和式2.6所示:（2.5）（2.6）其中，D為電樞直徑；p為電機極對數(shù)；為極距；n為電機轉(zhuǎn)速。（a）BLDC電動機的反電勢波形（b）BLDC電動機的反電勢近似波形圖2.2BLDC電動機的反電勢波形和近似波形2.3空間電壓矢量求取直流無刷電動機一般都采取二二導通的計算方式，二二導通就是說在每一個相同的時間點僅有2個時間點的開關管是導通一個狀態(tài)的，并且開關管是上下橋各自獨占一個，通過這樣的計算我們可以先計算出八中開關管的狀態(tài)并且每一個時間點的開關管都至少需要連續(xù)導通120°電流的角度，這樣我們就至少需要6位以上的二進制數(shù)，下面列出我們所用得到的其中狀態(tài):(000000)、(100001)、(001001)、(011000)、(010010)、(000110)、(100100)，用0和1來分別表示每一個開關管的直接斷開和導通。比如(100001)表示的狀態(tài)是a相直接下橋臂斷，上橋臂通，b相直接上橋斷開，c相則和a相剛好相反而是直接上橋臂斷，下橋直接臂通，7種開關管空間電壓的矢量分別表示對應7種開關管的導通狀態(tài)。，其中，為空間電壓矢量的求取公式。當求取電量時，由等效電路圖和開關狀態(tài)可知：，，。從而可得：。根據(jù)上述的方法我們可以直接求得剩下各空間的電壓矢量。然后將各空間的電壓矢量分別表示在一個a-b-c的平面如圖2.3所示，從這個圖中我們可以清楚地看出各空間電壓矢量之間相差的電角度為60°，永磁無刷高速直流電動機的空間電壓矢量之間相差電角度超前了30°和永磁無刷異步電機以及永磁無刷同步電機相比。圖2.3BLDC電動機空間電壓矢量和定子磁鏈軌跡3無刷直流電機控制系統(tǒng)仿真3.1系統(tǒng)模型的搭建常規(guī)dtc的誤差值是根據(jù)減小定子電磁轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)態(tài)閉環(huán)誤差、定子磁鏈的脈動閉環(huán)誤差和減小定子的磁鏈閉環(huán)誤差的所在扇區(qū)這三個誤差值通過查開關脈動矢量表可以得到與其對應轉(zhuǎn)子施加的上述轉(zhuǎn)子位置和相對空間的施加電壓和脈動矢量，使得高速直流電機的定子磁鏈沿著一個類似圓形運動閉環(huán)軌跡的方向均勻地旋轉(zhuǎn)，最終很好地達到了減小定子的電磁轉(zhuǎn)矩和脈動的閉環(huán)控制工作目的。因永磁無刷高速直流電動機基本的是磁鏈閉環(huán)的工作和控制原理，即電動機通過根據(jù)定轉(zhuǎn)子在上述相對的轉(zhuǎn)子位置和空間的對應施加電壓確定轉(zhuǎn)子位置和空間的施加電壓和脈動矢量，定子的磁鏈和脈動閉環(huán)能夠均勻地形成不規(guī)則六邊形，幅值的變化很小，在對于穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩和脈動的閉環(huán)控制要求不是特別高的實際應用和場合，可以盡量合理地節(jié)省掉磁鏈閉環(huán)控制的各個環(huán)節(jié)。從上述永磁無刷高速直流電動機的基本定子磁鏈閉環(huán)原理以及工作控制系統(tǒng)原理的分析結(jié)果可知，逆時針的方向進行高速旋轉(zhuǎn)時，根據(jù)定子磁鏈在給定轉(zhuǎn)子的上述相對位置應施加的給定空間電壓和矢量如下表1所示，不同的位置施加電機的霍爾元件安裝的方式和位置也應盡可能不同，表1是本文電機霍爾元件仿真設計過程中施加電機的ha、hb、hc霍爾信號元件安裝的信號與轉(zhuǎn)子對應位置施加的電機給定轉(zhuǎn)子上述相對空間內(nèi)的電壓和矢量的基本對應函數(shù)關系，s是霍爾信號的形式和幅值用十進制函數(shù)來表示表1逆時針旋轉(zhuǎn)時空間電壓矢量SHAHBHC空間電壓矢量5101(100100)4100(100001)6110(001001)2010(011000)3011(010010)1001(000110)由電機統(tǒng)一理論知電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為：。為轉(zhuǎn)矩的系數(shù)，是一個轉(zhuǎn)矩常數(shù);為定子磁鏈;為轉(zhuǎn)子磁鏈，由兩個固定轉(zhuǎn)子永磁體的轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生，幾乎為轉(zhuǎn)矩的唯一恒值;δ為兩個固定轉(zhuǎn)子磁鏈間的夾角，即磁通角。前面已經(jīng)在文章中提到我們可以得出的結(jié)論是兩個穩(wěn)態(tài)定子磁鏈在根據(jù)兩個定子穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)子磁鏈所在相對應的位置分別施加的電壓和其脈動轉(zhuǎn)矩矢量的情況下，也就是一個不規(guī)則的直角六邊形，幅值的脈動角度變化很小，在對兩個穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩和脈動的穩(wěn)定性要求不是特別高的實際應用和場合，可以完全合理地省去兩個穩(wěn)態(tài)定子磁鏈這個脈動轉(zhuǎn)矩閉環(huán)的關鍵環(huán)節(jié)，為了更好地達到控制兩個穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩的主要手段之一目的，由上式所述可知，只有通過精確地測量和控制定子磁鏈通過閉環(huán)旋轉(zhuǎn)的運動方向和角度來控制其旋轉(zhuǎn)的速度，進而更精確地測量和控制定磁通角的誤差為θ和δ，使得空間定子磁鏈的閉環(huán)才能更精確地走走停停，以更好地控制和維持其空間電磁轉(zhuǎn)矩在一定的磁通角容差和轉(zhuǎn)矩的范圍內(nèi)。這種簡化的定子磁鏈控制框圖dtc就是根據(jù)定子磁鏈控制方向圖表1的霍爾位置夾角對控制方向信號施加一定的空間電壓矢量從而直接使得空間定子磁鏈與控制方向空間的固定轉(zhuǎn)子磁鏈霍爾位置夾角的誤差隨之增大，從而直接地使得空間電磁轉(zhuǎn)矩的誤差增大，施加0電壓的矢量從而直接使得控制方向空間定子磁鏈的閉環(huán)繼續(xù)地運動和靜止，轉(zhuǎn)子磁鏈的閉環(huán)繼續(xù)地靜止轉(zhuǎn)動，磁通角的誤差隨之減小，電磁轉(zhuǎn)矩的誤差也減小?？臻g定子磁鏈的控制閉環(huán)和系統(tǒng)框圖的結(jié)構(gòu)如控制框圖3.1所示，控制框圖在系統(tǒng)的設計時完全省去了復雜的空間定子磁鏈控制系統(tǒng)閉環(huán)的設計和控制環(huán)節(jié)，僅根據(jù)控制空間電磁轉(zhuǎn)矩的誤差與定轉(zhuǎn)子磁鏈相對霍爾位置的誤差來正確選擇合適的空間電壓矢量。圖3.1控制原理圖開關中的電磁轉(zhuǎn)矩方程的矢量估計表的公式如下圖表2所示，τ是根據(jù)施加開關電磁轉(zhuǎn)矩的矢量給定的估計值與施加開關的電磁轉(zhuǎn)矩方程中的矢量估計值之間的一個矢量差值經(jīng)過一個開關電磁轉(zhuǎn)矩滯環(huán)方程通過比較演算法的分析和計算轉(zhuǎn)換得到的，當施加開關的電磁轉(zhuǎn)矩方程中的矢量估計值隨之小于給的電磁轉(zhuǎn)矩設定值時，τ=1，要求肯定施加一個給開關設定點的估計值隨之也增大了一個施加開關的電磁轉(zhuǎn)矩，所以我們要求肯定增大一個施加非0電壓的開關電磁轉(zhuǎn)矩矢量，使得磁通矩在角磁場中的矢量估計值隨之也增大，電磁轉(zhuǎn)矩方程中的矢量估計值隨之也增大;但是當τ=0時，要求肯定估計值減小不了開關電磁轉(zhuǎn)矩，所以我們要求肯定施加0電壓時的矢量，使得磁通矩在角中的估計值隨之減小，電磁轉(zhuǎn)矩中的估計值隨之減小。表2簡化DTC開關表S12345610根據(jù)圖示如下的框圖3.1的電路仿真模擬控制系統(tǒng)框圖就是我們可以在框圖simulink中直接進行搭建的進入輸出電路仿真模擬控制系統(tǒng)框架圖。如下表的圖3.2、圖3.3所示:分別為直接轉(zhuǎn)矩環(huán)控制策略下的系統(tǒng)仿真控制框架圖和雙閉環(huán)控制策略下的系統(tǒng)仿真框架圖。圖3.2簡化DTC控制策略仿真總體框圖圖3.3雙閉環(huán)控制策略仿真總體框圖3.2仿真結(jié)果及分析3.2.1轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果及分析如圖3.4所示，在電機轉(zhuǎn)動速度t=0時刻，負載=0，從電機轉(zhuǎn)動速度n=orad/s時迅速平穩(wěn)地加速，到最后在轉(zhuǎn)動速度t=0.1s時迅速地到達第一個轉(zhuǎn)速控制策略預期的波形圖在電機轉(zhuǎn)動速度n=2000rad/s，圖3.5為基于簡化的電機dtc轉(zhuǎn)速控制策略的預期電機轉(zhuǎn)速部分的波形，在電機轉(zhuǎn)動速度t=0時刻，負載=0，從轉(zhuǎn)動速度n=0rad/s時平穩(wěn)地加速，到最后在轉(zhuǎn)動速度t=0.005s時迅速地到達第一個轉(zhuǎn)速控制策略預期的電機轉(zhuǎn)動速度n=2000rad/s，圖3.6為基于簡化的dt控制策略預期的電機轉(zhuǎn)速部分放大的波形圖。由此我們可以將其對比結(jié)合如下圖3.4和結(jié)合圖3.6可以明顯地看出基于簡化的dtc控制策略驅(qū)動直流無刷電機的運轉(zhuǎn)速度動態(tài)響應更快。圖3.4雙閉環(huán)控制策略的轉(zhuǎn)速仿真波形圖3.5簡化DTC控制策略的轉(zhuǎn)速波形圖3.6前0.1s簡化DTC控制策略的轉(zhuǎn)速放大波形3.2.2轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果及分析如圖3.7所示，當轉(zhuǎn)矩驅(qū)動電機開始通電后，由于感性負載的存在，電磁場經(jīng)過一小段的時間才可以達到穩(wěn)定的狀態(tài)，因此轉(zhuǎn)矩也應該具有這樣的穩(wěn)定特性，在圖中我們可以很清楚地看到大約在0.01s前轉(zhuǎn)矩由0N·m迅速地增加到14N·m，并且期間驅(qū)動電機經(jīng)過了一個超調(diào)加速過程。當電機的轉(zhuǎn)速進入一個穩(wěn)定加速的狀態(tài)后，轉(zhuǎn)矩趨于穩(wěn)定，到0.1s時，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達到了預期的目標，轉(zhuǎn)矩下降只需繼續(xù)維持當前電感性負載下的當前穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，不再減少了帶有加速部分的電感性負載，因此轉(zhuǎn)矩迅速下降，在0.5s時由于減少了突加速部分的負載，因此轉(zhuǎn)矩迅速增大，并且在比較短的一段時間內(nèi)就可以達到穩(wěn)定[10]。圖3.7雙閉環(huán)控制策略的轉(zhuǎn)矩波形如圖3.8所示，當電機開始通電后，由于電機中有感性負載的存在，電磁場經(jīng)過一小段的時間才使電機達到穩(wěn)定的狀態(tài)，因此轉(zhuǎn)矩也同時具有這樣的作用和特性，在圖中我們可以很清楚地看到大約在0.01s前轉(zhuǎn)矩由0N·m迅速地增加37N·m，并且期間電機經(jīng)過了一個超調(diào)的過程。但是當超調(diào)使電機的轉(zhuǎn)速進入一個穩(wěn)定加速的狀態(tài)后，轉(zhuǎn)矩趨于穩(wěn)定，到0.1s時，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達到了預期的目標，轉(zhuǎn)矩下降只需繼續(xù)維持當前感性負載下的當前穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，不再有加速部分的感性負載，因此轉(zhuǎn)矩迅速地下降，之后一直趨于穩(wěn)定，直到在0.5s時由于突加速部分的負載，因此轉(zhuǎn)矩迅速地增大，并且在很短的一段時間內(nèi)就能使轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)定[10]。圖3.8簡化DTC控制策略的轉(zhuǎn)矩波形通過分析圖3.7和圖3.8的對比，可以明顯地看出在運轉(zhuǎn)過程中，簡化dtc的轉(zhuǎn)矩脈動更小，大約不到0.3N·m，在0.5s時就會出現(xiàn)一個動態(tài)快速負載反饋響應的擾動加大，轉(zhuǎn)速上只有很小的擾動下降，之后轉(zhuǎn)矩又迅速的跟蹤，達到了一個給定的最大轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩在0.5s時就會出現(xiàn)動態(tài)負載響應擾動的減小現(xiàn)象，這種正常情況下一個動態(tài)的負載響應僅有1ms。3.2.3A相電流仿真結(jié)果及分析如圖3.9，圖3.10所示為整個電機仿真運行過程中的啟動電流再次加速變化的波形，可以比較清楚的讓我們看到，在仿真中電機的啟動和再次加速運行階段中經(jīng)常都會發(fā)現(xiàn)有較大的電機啟動和加速電流，經(jīng)過0.01s左右的時間后電流再次加速下降并且保持穩(wěn)定，電機又再次加速進入正常的電機啟動和再次加速運行的狀態(tài)，一直到0.3s電機都一直啟動并且處于正常的啟動和再次加速的運行狀態(tài)中，而由于電機啟動到0.3s時轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，這時啟動電流再次加速下降并且穩(wěn)定。在0.4s時由于電機突加負載，在電機轉(zhuǎn)速不變的情況下，轉(zhuǎn)矩也有明顯的增加，因此啟動電流也有明顯的加速增大，在電機仿真的流程示意圖中我們也可以比較清楚的看到這段持續(xù)時間內(nèi)的電流變化速度有明顯的加速增大，在0.5s時由于提升電機的控制啟動信號n通過了提升電機轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)變而成為電機的控制啟動信號n=400md/s，此時由于電機進入正常的加速運行狀態(tài)，因此啟動電流明顯的增大，到0.6s時電流變化的速度已經(jīng)完全達到了仿真所預定的電流變化目標，進入穩(wěn)定的再次加速運行，電流又再次的加速并且下降經(jīng)過極短的持續(xù)時間后再次穩(wěn)定，電流變化規(guī)律與仿真理論的電流變化分析相符合。圖3.9雙閉環(huán)控制策略的電流波形圖3.10簡化DTC控制策略的電流波形3.2.4三相反電勢仿真結(jié)果及分析圖3.11，圖3.12為整個設計過程仿真直流驅(qū)動電機高速運行的過程所示圖中的三個a和a相反電勢的轉(zhuǎn)速波形。圖中無刷直流驅(qū)動電機三個a和b相反電勢的轉(zhuǎn)速和波形正比于無刷直流驅(qū)動電機的b相反轉(zhuǎn)速。從設計圖18可以明顯地看到在三速電機加速的時間段0.1s到0.3s內(nèi)轉(zhuǎn)速從零于穩(wěn)加速，0.3s后直流電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，在0.5s時又再次地接受到了新的直流電機轉(zhuǎn)速控制信號轉(zhuǎn)速再次平穩(wěn)地逐漸增大，到0.6s時再次穩(wěn)定。仿真所得的計算結(jié)果得到的反電勢轉(zhuǎn)速變化規(guī)律大小，正比于一臺無線有刷直流傳動電機的額定轉(zhuǎn)速，符合實際當中使用的無刷直流傳動電機的反電勢變化規(guī)律。圖3.11雙閉環(huán)控制策略的反電動勢波形圖3.12簡化DTC控制策略的反電動勢波形圖3.4、圖3.5、圖3.6為電機轉(zhuǎn)速和感應脈動的波形，從圖中我們看到電機可以清楚地看出電機的轉(zhuǎn)速和波形并無任何的超調(diào)，調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速持續(xù)時間很短，僅電機轉(zhuǎn)速為0.01s，說明經(jīng)過積分分離的pi電機轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)和電動機微控制器的感應類型設計合理;其中圖3.7、圖3.8為對電機的自動感應電磁轉(zhuǎn)矩和感應脈動勢的波形，如圖所示，電磁轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定時基本的類型仍然是額定轉(zhuǎn)矩，雖換相時仍然可能存在感應電磁轉(zhuǎn)矩脈動，但是感應脈動較小，符合了電動機系統(tǒng)的穩(wěn)定性設計要求;其中圖3.9、圖3.10為電動機的感應第一相繞組的電流和感應脈動勢的波形，基本的類型分別為120°方波;其中圖3.11、圖3.12為對電動機的感應電動勢的感應波形，為梯形波，與目前用電動機感應理論分析的感應脈動波形基本類型完全相符。4仿真結(jié)果的最終對比采用上述的模型，利用先進的matlab/simulink仿真軟件，對一臺永磁無刷直流電機系統(tǒng)進行了針對性的仿真和深度的研究。永磁無刷直流電機的參數(shù)為額定輸出電壓=300v，相電阻=4.765ω，有效電感=1.4mh，轉(zhuǎn)動慣量j=0.008kg·，極對數(shù)p=2，勵磁磁通=0.1848wb。仿真模型如下圖5、圖6給出了系統(tǒng)負載給定的轉(zhuǎn)速為2000r/min，負載轉(zhuǎn)矩由輕載0.2N·m開始起動，并在0.05s時轉(zhuǎn)速變?yōu)?.5N·m的情況下，輸出轉(zhuǎn)矩、速度的仿真波形。其中圖4.1是系統(tǒng)采用雙閉環(huán)直流電機的控制策略，圖4.2是采用簡化的直接轉(zhuǎn)矩控制控制。圖4.1雙閉環(huán)控制策略的控制速度與電磁轉(zhuǎn)矩圖4.2簡化的DTC控制速度與電磁轉(zhuǎn)矩對比圖4.1與對比圖4.2可以明顯的從對比圖看出基于簡化的dtc的設計永磁無刷直流驅(qū)動電機的運轉(zhuǎn)速度動態(tài)的響應更快，轉(zhuǎn)矩和負載的脈動更小，大約轉(zhuǎn)速相差不到0.3nm，在0.05s時轉(zhuǎn)矩和負載的脈動響應加大，轉(zhuǎn)速有很小的下降又迅速的跟蹤轉(zhuǎn)矩達到了給定的電機轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩在0.5s時驅(qū)動電機在出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和負載擾動的正常工作情況下轉(zhuǎn)矩負載動態(tài)的響應僅有1ms。由此我們可以明顯看出永磁無刷直流電機在此過程中采用直接轉(zhuǎn)矩仿真控制策略時達到的動態(tài)仿真控制效果比較好。結(jié)論無刷直流電機相對于有刷直流電機而言，具有無可比擬的性能等優(yōu)點，因此在電子工業(yè)上已經(jīng)獲得了廣泛的研究和應用。本文介紹了無刷直流電動機目前的發(fā)展狀況以及應用前景;闡述了無刷直流電動機的基礎理論和工作原理;論述了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)相對于矢量控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點;并利用matlab軟件中的simulink模塊，建立動態(tài)模型，驗證了直接轉(zhuǎn)矩控制的長處。本文主要研究設計的這種系統(tǒng)用于簡化直流轉(zhuǎn)矩的仿真閉環(huán)控制，是充分地體現(xiàn)系統(tǒng)利用直流轉(zhuǎn)矩對電機本身的閉環(huán)控制的特性，省掉了傳統(tǒng)的定子磁鏈閉環(huán)控制，控制的過程比系統(tǒng)簡單;通過實時的反電勢計算