无刷直流电机双闭环控制的仿真研究_陈斌.pdf

30|电子制作 2023 年 3 月实验研究0 引言无刷直流电机是指具有串励直流电机起动特性和并励直流电机调速特性的梯形波/方波直流电机，其基本结构由电机本体、功率驱动电路及位置传感 器三者组成1。无刷直流电机英文简称 BLDC，区别于有刷直流电机，无刷直流电机不使用机械的电刷装置换向，采用方波自控式永磁同步电机，以霍尔传感器检测转子位置，取代碳刷换向器，通过准确的换向逻辑使逆变桥电路驱动定子绕组轮流通电，转子磁极与相电流产生的旋转磁场相互作用，驱动永磁转子运转2。1 无刷直流电机换向控制方法无刷直流电机的三个绕组连接方式为星型连接，为了使电机的永磁转子旋转，就需要驱动电路产生旋转磁场，且磁场的位置随永磁转子位置变化而变化。如图 1 所示为基于Matlab 2016b/Simulink 搭建的桥式驱动主电路。驱动换向主回路开关器件采用 IGBT 器件，IGBT 晶体管器件具有功率双极型晶体管和功率 MOSFET 的共同优点3。桥式驱动主电路通过控制上下桥臂 6 个 IGBT 开关管的导通顺序，便可实现直流无刷电机不同的绕组通电，完成六步换向。全桥式驱动电路的导通方式有两种，一种是二二导通，另一种是三三导通，本次采用二二导通方式。图 2 所示为六步循环驱动换向过程各相上施加电势。六个 IGBT 器件控制 A、B、C 相通断，每一瞬间使两个开关同时导通，会有六种组合即 AB、AC、BC、CA、CB。每一次切换状态间隔角度为 60，那么每个 IGBT 器件的开关持续角度为 120。无刷直流电机的三个霍尔位置传感器能够准确地发出 IGBT 器件的换相信号，三个霍尔位置传感器输出信号相位延迟角为 120。转子磁极位置信号被转变成电平信号，控制系统判定霍尔位置电平信号，依次换相使电枢绕组中的电流信号顺序变化，从而控制定子绕组换相。进而通过气隙形成磁场，带动转子旋转。霍尔位置传感器电平信号与全桥IGBT 器件开关的关系如图3 所示。无刷直流电机双闭环控制的仿真研究陈斌（西安航天三沃机电设备有限责任公司，陕西西安，710100）摘要：分析了无刷直流电机的换向原理，搭建全桥式驱动主电路，基于Matlab/Simulink软件平台构建双闭环控制系统，通过仿真分析验证无刷直流电机的双闭环控制系统，仿真结果表明该系统具有较好的动态响应和控制性能。关键词：无刷直流电机；双闭环控制；全桥式驱动Pulse1Pulse3Pulse5图 1 BLDCM 主电路原理图1100/32/34/35/32010ABC霍尔位置传感器霍尔位置信号编码开关状态1011001100100110011.41.63.63.25.25.4正转1100/32/34/35/320101011001100100110013.25.25.41.41.63.6反转图 3 电机各绕组施加电势相序U+U-U+U-U+U-0/32/34/35/32/3图 2 电机各绕组施加电势相序DOI:10.16589/11-3571/|31实验研究以驱动正转换相为例的IGBT器件导通真值如表1所示。表1 IGBT器件导通真值表霍尔位置编码IGBT导通导通相ABCIGBT1IGBT2IGBT3IGBT4IGBT5IGBT6001000110CB101100100AB100100001AC110001001BC010011000BA011010010CA无刷直流电机驱动桥电路一般采用 PWM 调制方式驱动，采用“单斩”方式能够有效减少功率器件的损耗和开关应力，有效提高了系统的可靠性4。2 无刷直流电机双闭环控制系统建模无刷直流电机双闭环控制系统是经速度反馈调节计算和电流反馈调节计算后将结果直接作用于逆变环节，从而达到无刷直流电机电枢电压调节的效果，进而调节了各相的电流。在这个调节过程中，速度反馈调节处于最外环，系统给定转速 n 与电机实际反馈值 n 误差n 为速度环的控制输入，经过第一个 PI 调节算法计算并限幅输出到电流反馈调节环；电流反馈调节环以速度反馈调节环的输出作为输入，与测量到的电机各相绕组电流相减得到电流误差i，经过第二个 PI 调节算法计算并限幅输出给 PWM 脉宽调节器；由 PWM 脉宽调节器驱动全桥逆变电路使直流无刷电机各相绕组获得电压。无刷直流电机双闭环控制系统采用速度反馈调节环和电流反馈调节环控制，使系统达到既调速又稳速的目的，提高系统动静态性能5，总体框图如图 4 所示。3 无刷直流电机系统仿真模型 3.1 全桥逆变模块全桥逆变模块是无刷直流电机控制系统主回路的主要部分，由全桥逆变电路和直流电源组成。本文所采用的 IGBT 全桥逆变模块能够将直流电源转换成电压有效值可控的交流电源，提取路径为 powerlib/Power Electronics/Universal Bridge；直 流 电 源 提 取 路径为 powerlib/Electrical Sources/DC Voltage Source；为了便于观察直流端电流值，我们还需加入电流测量模块和显示器，提取路径分别为 powerlib/Measurements/CurrentMeasurement 和 simulink/Commonly Used Blocks/Scope；全桥逆变模块仿真如图 5 所示。DC Voltage Sourcei+-Current MeasurementgABC+-Universal BridgeI_dc图 5 全桥逆变模块仿真PI调节算法PI调节算法PWM调节器全桥逆变电路电流采集M霍尔传感器霍尔传感器速度计算速度给定+-+-图 4 无刷直流电机控制系统框图Hall_a/b/cmABCTmpermanent MagnetSynchronous MachineStepi_a/b/cspeed and torque图 6 无刷直流电机模块32|电子制作 2023 年 3 月实验研究 3.2 无刷直流电机模块无刷直流电机是永磁式同步电机的一种，本文选用 Simulink 中永磁同步电机模 型，提 取 路 径 为 powerlib/Machines/Permanent Magnet Synchronous Machine;在属性窗口将反电动势波形设置成梯形波（Trapezoidal）；在模型中我们可以直接测得霍尔位置传感器信号、三相绕组电流信号、三相绕组反电动势、转速信号和转矩信号。无刷直流电机模块如图 6所示。3.3 换相模块换相模块根据无刷直流电机霍尔位置传感器 hall_a、hall_b 和 hall_c 高低电平信号控制全桥逆变电路的六个 IGBT 器件顺序导通。本文采用 Matlab2016b 中的 S 函数并结合表 1 编制换相模块，提取 S 函数路径为 simulink/User-Defined Functions/MATLAB Function，S 函数代码如图 7 所示。3.4 PWM 调节模块PWM 调节模块根据电流环输出的信号调节电压脉冲的占空比，改变了IGBT器件的导通时间，也就是说占空比越小，IGBT 器件的导通时间越小，占空比越大，IGBT 的导通时间越长，进而改变了无刷直流电机电枢有效电压值。PWM模 块 提 取 路 径 为 powerlib_meascontrol/Pulse&Signal Generators/PWM Generator(DC-DC)；需要指出的是 PWM DPPWM Generator(DC-DC)AND1AND2AND6AND5AND3AND4hallahallbhallcout1out2out3out4out5out6MATLAB FunctionDC Voltage Sourcei+-Current MeasurementgABC+-Universal BridgeI_dcHall_a/b/cmABCTmpermanent MagnetSynchronous MachineStepi_a/b/cspeed and torqueswitchabcoutac_dcHall efm_abcemfPID(s)PID ControllerPID(s)PID Controller130Constant图 9 无刷直流电机控制系统仿真DPPWM Generator(DC-DC)AND1AND2AND6AND5AND3AND4hallahallbhallcout1out2out3out4out5out6MATLAB Function图 8 PWM 调节模块图 7 换相函数|33实验研究Generator(DC-DC)模块的输入范围是 0 1，其中 0 脉冲宽度为 0,1 对应脉冲宽度最大。PWM 调节模块输出和换相模块输出进行逻辑“与”运算，仿真结构如图 8 所示；无刷直流电机控制系统仿真如图 9 所示。表2 霍尔位置传感器信号和反电动势信号真值表霍尔位置编码反电动势ABCEMF_AEMF_BEMF_C101+1-10100+10-11100+1-1010-1+10011-10+10010-1+1 3.5 电流采集模块电流采集模块采集无刷直流电机绕组电流，根据霍尔位置传感器信号和反电动势信号选择某时刻导通相的相电流，霍尔位置传感器信号和反电动势信号真值表如表 2 所示；采集上来的电流值作为实际电流值送入电流环参与内环控制。根据 IGBT 器件导通真值表 2 可知有六种阶段电流值，反电动势仿真如图 10 所示，电流采集仿真如图 11 所示。4 无刷直流电机双闭环控制系统根 据 上 述 在 Matlab2016b/Simulink 中建立的无刷直流电机控制系统仿真模型，做转速和电流双闭环仿真分析。直流电压源设定电压为 96V；全桥逆变模块选用默认参数；无刷直流电机模块中相电阻设置为 2.875，相电感设置为 0.0085H，转动惯量设置为 0.09kgcm2。目标转速设置为 n_r=150r/min，仿真时间 T=0.6s，解析算法（Solver）设置为 ode45，类型（Type）设置为 Variable-step，仿真分析控制系统模型的动、静特性，图 12 所示为霍尔信号 hall_a 与反电动势 EMF_a 曲线图形，图 13 所示转矩和速度曲线图形，图14所示为A/B/C三相电流曲线图；从图 12 可知无刷直流电机 A 相反电动势超前 A 相霍尔信号30 度；从图 13 可知无刷直流电机启动时需要大转矩输出，1HallNOTLogicalOperatorCcopeANDAND1AND2AND3AND4ANDConvertConvert1Convert2Convert3Convert4ConvertSubtractSubtract1Subtract21Out1图 10 反电动势仿真图Scope2aProduct-1Gain3b4cf(u)switch1f(u)switch7f(u)switch8f(u)switch9f(u)switch10f(u)switch11Product1Product2Product3Product4Product5-1Gain1-1Gain2idc7idc2idc1idc3idc4idc5idc61idc1图 11 电流采集仿真图34|电子制作 2023 年 3 月实验研究使其快速达到目标转速，之后小转矩输出，使其维持目标转速；从图 14 可知相电流输出的大小与转矩大小相对应，即无刷直流电机启动时需要大的相电流，运行平稳后需要小电流维持目标转速。图 12 hall_a 与 EMF_a 曲线图图 13 转速及转矩曲线图图 14 三相电流曲线图直流无刷电机作为四轮独立驱动/转向电动汽车的驱动电机，需要满足车辆在正常行驶过程中速度不断变化的情况，为了模拟这种状态初始目标速度设置为 1400r/min，在 0.2s时目标转速变为 1500r/min，0.4s 时目标转速降为 1300r/min，仿真速度曲线如图 15 所示，从图中可以看出加速过程速度响应快，减速过程速度存在“斜坡”，“斜坡”是由于减速过程没有制动，无刷直流电机的转