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一种基于Matlab的无刷直流电机控制系统建模仿真方法一、本文概述无刷直流电机（Brushless DC Motor, BLDC）以其高效率、低噪音、长寿命等优点，在航空航天、电动汽车、家用电器等领域得到广泛应用。
为了对无刷直流电机控制系统进行性能分析和优化，需要建立精确的数学模型并进行仿真研究。
Matlab作为一种强大的数学计算和仿真软件，为无刷直流电机控制系统的建模仿真提供了有力支持。
二、无刷直流电机控制系统原理1、无刷直流电机基本结构和工作原理无刷直流电机（Brushless Direct Current Motor，简称BLDCM）是一种基于电子换向技术的直流电机，其特点在于去除了传统直流电机中的机械换向器和电刷，从而提高了电机的运行效率和可靠性。
无刷直流电机主要由电机本体、电子换向器和功率驱动器三部分组成。
电机本体通常采用三相星形或三角形接法，其定子上分布有多个电磁铁（也称为线圈），而转子上则安装有永磁体。
当电机通电时，定子上的电磁铁会产生磁场，与转子上的永磁体产生相互作用力，从而驱动转子旋转。
电子换向器是无刷直流电机的核心部分，通常由霍尔传感器和控制器组成。
霍尔传感器安装在电机本体的定子附近，用于检测转子位置，并将位置信息传递给控制器。
控制器则根据霍尔传感器提供的位置信息，控制功率驱动器对定子上的电磁铁进行通电，从而实现电机的电子换向。
功率驱动器负责将控制器的控制信号转换为实际的电流，驱动定子上的电磁铁工作。
功率驱动器通常采用三相全桥驱动电路，具有输出电流大、驱动能力强等特点。
无刷直流电机的工作原理可以简单概括为：控制器根据霍尔传感器检测到的转子位置信息，控制功率驱动器对定子上的电磁铁进行通电，产生磁场并驱动转子旋转；随着转子的旋转，霍尔传感器不断检测新的转子位置信息，控制器根据这些信息实时调整电磁铁的通电状态，从而保持电机的连续稳定运行。
由于无刷直流电机采用电子换向技术，避免了传统直流电机中机械换向器和电刷的磨损和故障，因此具有更高的运行效率和更长的使用寿命。
摘要：基于Matlab/Simulink，本文设计了一个无刷直流电机的控制方案，详细阐述了无刷直流电机的运行原理，并用Matlab/Simulink对其进行了仿真。
实验证明，用Matlab/Simulink开发的平台能够有效地实现对无刷直流电机的控制。
关键词：Matlab/Simulink仿真工具;无刷直流电机;仿真平台;脉冲宽度调制随着汽车电子器件的飞速发展、车用电控单元(ECU)的日新月异，无刷直流电机在汽车电器设备中的应用受到了越来越多的重视。
无刷直流电机具有寿命长、效率高等特点，且适合很多高档汽车。
同时，车内环境的复杂很多机械安装的困难，在不宜安装转子磁极位置传感器的地方，必须使用无位置传感器策略驱动无刷直流电机。
本文将介绍一种基于Matlab/Simulink的无刷直流电机的仿真方法。
无刷直流电机运行原理本文采用理想化的无刷直流电机模型，它具有如下特点：电机定子绕组排列空间对称;各相电气参数，如定子每相电阻、每相自感以及相间互感均相同;电机永磁体转子产生的磁场在电机气隙中的空间分布为理想梯形，且平顶部分维持120°电角度;逆变器的功率开关(MOSFET或者IGBT)的导通电阻为零，关断电阻无穷大，导通与关断均不需要时间。
图1说明了理想无刷直流电动机的运行原理。
从图1中可以看出，当永磁体转子处于图1(b)中的0位置时，定子C相和B相上感应出的反电动势分别处在正负平顶部分，此时通过触发功率开关S5和S6使得B相绕组反向导通，C相绕组正向导通，直流电源通过逆变器向B相和C相馈入直流电，且此时两相绕组中电流幅值相等、方向相反，ic=-ib。
当永磁体转子又继续旋转了60 缃嵌龋珻相的反电动势波形的平顶部分结束，A相反电动势开始进入平顶部分，因此要进行C相到A相的换相，此时关断逆变器C相上桥臂的功率开关，同时触发A相上桥臂功率开关，如果忽略换相电流的动态过程，逆变器立刻向B相和A 相馈入直流电。
电机控制基于Simulink的仿真电机控制是现代工业中普遍使用的技术应用，其目的是控制电机的转速、转向、转矩等参数，来满足不同的运动要求。
而Simulink则是一种常用的控制系统仿真软件，可用于电机控制的建模和仿真分析。
本文主要介绍电机控制基于Simulink的仿真方法和实现过程。
一、基本原理在电机控制中，要确定电机的转速和电磁转矩，需要对电机的电源输入、电机的运动学和动力学特性进行建模和仿真。
其中，电机的运动学特性主要由转速和运动方向决定，动力学特性则由电机的电力、磁力和机械特性共同决定。
在建模时，可以采用模板库中现有的模型进行拼接组合，也可根据实际控制系统特性，自行设计模型进行仿真。
二、建模方法1、电机构建模在建模时，首先要得到电机的运动及动力学参数，并将其录入Simulink中。
一般情况下，电机的运动学参数可直接由编码器获取，而电机的动力学参数则需要通过实验测量得出。
对于直流电机等单一类型电机，可利用MathWorks公司提供的电机模板进行建模；而对于异步电机、同步电机等复杂电机，需要手动建立模型。
2、速度/位置控制模型在模型中，需要建立反馈控制回路，并选定控制器类型。
其中，速度/位置控制器主要分为P、PI、PID、LQR等多种类型，具体选择哪种控制器根据实际需求而定。
在建立速度/位置控制模型时，需要考虑控制系统的闭环稳定性，以保证系统达到预期效果。
3、驱动器模型驱动器是指将控制器的输出信号转换为电机的电力输入信号的电路。
在仿真中，常常使用MOS管等现代电子器件来模拟驱动器的功能。
驱动器模型的建立需要依据实际硬件最大输出电流和电压等参数进行调整。
三、仿真实现在Simulink中，将电机结构、速度/位置控制器和驱动器三者组合成完整的控制系统模型。
仿真时，需要指定电机的输入电压、控制器的PWM输出频率、控制器的增益系数等参数，并在控制器输出之前进行限制，以确保输出不会超过驱动器的最大电压值和电流值。
基于matlab无刷直流电机驱动控制系统的仿真摘要：在分析无刷直流电机(BLDCM)数学模型的基础之上,提出了一种新型的无刷直流电机控制系统建模仿真方法。
在Matlab /Simulink环境之下,利用无刷直流电机的电压方程、电磁转矩方程和运动方程构建了无刷直流电机本体的仿真模型。
系统采用单闭环控制:速度环采用经典PI控制,电流控制采用滞环电流跟踪型PWM。
仿真实验结果表明:系统具有良好的静、动态特性,验证了该方法的有效性,为实际电机控制系统的设计和调速提供了新的思路。
关键词：无刷直流电机；模型；simulink；仿真；霍尔位置传感器；引言电机在人类社会中的应用已有近100 多年的历史，电机的发展是从永磁电机开始的。
诞生于19 世纪20 年代的第一台电机便是一台永磁发电机，但由于材料的制约，在随后的岁月里，永磁电机逐渐被电励磁电机所取代，而交流异步电机的出现并广泛应用，进一步压缩了永磁电机的应用空间。
直至上世纪60 年代稀土永磁材料的出现，影响永磁电机广泛使用的材料问题得以基本解决，永磁电机又开始被广泛关注。
但由于稀土材料昂贵的价格，永磁电机仅应用在对成本要求相对较低的场合。
上世纪80 年代初，新型永磁材料钕铁硼的出现，大大降低了永磁体的成本，永磁电机才在较多的场合得到了应用。
无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的。
现阶段，虽然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位，但无刷直流电动机正受到自20世纪90年代以来，随着人们生活水平的提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都越来越趋向于高效率化、小型化及高智能化，作为执行元件的重要组成部分，电机必须具有精度高、速度快、效率高等特点，无刷直流电机的应用也因此而迅速增长。
随着永磁电机的广泛应用，其本身的缺陷也逐渐体现出来。
传统的永磁电机往往使用电刷这种机械部件作为换向器，在运行过程中，电刷带来了换向火花、电磁干扰等问题；同时，电刷换向器极易磨损，造成了永磁电机维护频率高，维护过程复杂；机械式电刷换向器还限制了电机转速的提高和体积的缩小。
使用Simulink进行无刷直流电机控制仿真无刷直流电机是一种常用于各种工业自动化和机器人应用中的电机类型。
与传统的直流电机相比，无刷直流电机具有较高的效率、较低的噪音和较长的寿命。
Simulink是一种功能强大的工具，用于进行动态系统建模和仿真。
在Simulink中，可以使用Simscape Power Systems工具箱对无刷直流电机进行模拟和控制。
在进行无刷直流电机控制仿真之前，首先需要建立电机的数学模型。
无刷直流电机的数学模型可以由电磁动力学定律得出。
模型包括电机的旋转动力学和电磁动力学部分。
电机的旋转动力学部分描述了转子速度和转矩之间的关系，而电磁动力学部分描述了电机的电流和磁场之间的关系。
建立无刷直流电机的数学模型后，可以在Simulink中进行仿真。
在Simulink中，可以使用不同的模块来模拟电机的不同部分，如电压源、电流控制器和速度控制器等。
可以使用电压源模块来模拟电机的输入电压，使用电流控制器模块来模拟电机的电流控制，使用速度控制器模块来模拟电机的速度控制。
此外，还可以使用作用在电机上的外部负载模块来模拟电机的负载情况。
在进行无刷直流电机控制仿真时，可以使用控制器来调整电机的输入电压和输出速度，以实现所需的转矩和速度控制。
在Simulink中，可以使用PID控制器模块来实现电机的控制。
PID控制器可以根据电机的输入电压和输出速度之间的误差来调整控制信号，以使电机的输出速度达到预期的目标值。
在完成无刷直流电机控制仿真后，可以使用Simulink中的数据可视化工具来分析仿真结果。
可以绘制电机输入电压、输出速度和负载转矩等变量随时间的变化曲线，以评估电机控制系统的性能。
总之，使用Simulink进行无刷直流电机控制仿真可以帮助工程师更好地了解电机的工作原理和性能。
通过仿真，可以优化电机控制系统的设计参数，提高电机的性能和效率。
同时，仿真还可以减少现场试验的时间和成本。
因此，Simulink是进行无刷直流电机控制仿真的理想工具。
基于MATLAB/simulink的无刷直流电机控制系统的建模和仿真摘要在分析了无刷直流电机（BLDCM）的工作原理及控制系统的组成,推导出了无刷直流电机的数学模型。
并在此数学模型的基础上,提出了一种新型的基于MATLAB的无刷直流电机控制系统仿真建模的新方法，该方法借助MATLAB仿真软件，在Simulink环境下，把独立的功能模块和S函数相结合，构建了无刷直流电机系统的仿真模型。
系统采用双闭环控制：速度环采用离散PID控制，根据滞环电流跟踪型PWM 逆变器原理实现电流控制。
仿真和试验结果表明：波形符合理论分析，系统能平稳运行，电机转矩脉动小，系统过渡时间短，无超掉，稳态性能好，验证了该方法的合理性和有效性。
采用该BLDC仿真模型，可以十分便捷的实现、验证控制算法，改换或改进控制策略也十分简单，只需对部分功能模块进行替换或修改，而Simulink可以给长直接的构造控制系统并观察其结果。
此方法也适用于验证其他控制算法的合理性，为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。
关键词：无刷直流电机，建模，仿真，电流滞环，Matlab1 引言课题研究的背景、目的及意义无刷直流电机(Brushless DC Motor，以下简称BLDC)是随着电力电子技术及新型永磁材料的发展而迅速成熟起来的一种新型电机。
以其体积小、重量轻、效率高、惯量小和控制精度高等优点，同时还保留了普通直流电动机优良的机械特性，广泛应用于伺服控制、数控机床、机器人等领域[1]。
建立无刷直流电机控制系统的仿真模型，可以有效的节省控制系统设计时间，及时验证施加于系统的控制算法，观察系统的控制输出；同时可以充分利用计算机仿真的优越性，人为地改变系统的结构、加入不同的扰动和参数变化，以便考察系统在不同结构和不同工况下的动、静态特性[2]。
因此，如何建立有效的无刷直流电机控制系统的仿真模型成为电机控制算法设计人员迫切需要解决的关键问题。
本文在分析无刷直流电机数学模型的基础上，提出了一种新型的基于Matlab的BLDC控制系统仿真建模的新方法，将该方法在Simulink环境下结合S函数构建了无刷直流电机仿真模型，利用Matlab中的Simulink工具箱建立了BLDC控制系统的计算机仿真模型[3-4]。
鲁东大学信息与电气工程学院2014 －2015 学年第二学期《微特电机与控制》课程论文课程号：220852119任课教师赵玫成绩基于SIMULINK无刷直流电机控制系统的仿真建模韩业林，李勇，吴晓东，居礼，王孝磊，陶显明摘要无刷直流电动机机属于同步电动机的一种，这就意味着它的定子产生的磁场和转子产生的磁场是同频率的，所以无刷直流电机并不会产生普通感应电机的频差现象。
在分析无刷直流电机的基础上，提出了一种基于MATLAB的无刷直流电动机控制系统建模仿真的新方法。
该仿真模型由独立的功能模块整合而成，其中电机本体无刷直流电机及其驱动主电路采用SimPowerSystems中的电力电子器件搭建，可以真实反应中点电压的实际情况。
仿真结果验证了仿真模型的有效性和正确性。
SIMULINK simulation modeling basedbrushless DC motor control systemAbstractBrushless DC motor machine is a synchronous motor, which magnetic field and rotor means that it generated in the stator is generated by the same frequency, so the brushless DC motor and frequency difference does not produce the phenomenon of ordinary induction motor. On the basis of the brushless DC motor analysis, we propose a new method MATLAB brushless DC motor control system based on modeling and simulation. The simulation model is integrated by an independent functional modules from which the motor body brushless DC motor and drives the main circuit of power electronic devices SimPowerSystems structures, it can reflect the true midpoint voltage of the actual situation. The simulation results show the effectiveness and accuracy of the simulation model.1引言无刷直流电机(Brushless DC Motor，以下简称BLDC)是随着电力电子技术及新型永磁材料的发展而迅速成熟起来的一种新型电机。
以其体积小、重量轻、效率高、惯量小和控制精度高等优点，同时还保留了普通直流电动机优良的机械特性，广泛应用于伺服控制、数控机床、机器人等领域Ill，随着无刷直流电机应用领域的不断扩大，要求控制系统设计简易、成本低廉、控制算法合理、开发周期短。
建立无刷直流电机控制系统的仿真模型，可以有效的节省控制系统设计时间，及时验证施加于系统的控制算法，观察系统的控制输出；同时可以充分利用计算机仿真的优越性，人为地改变系统的结构、加入不同的扰动和参数变化，以便考察系统在不同结构和不同工况下的动、静态特性[2J。
因此，如何建立有效的无刷直流电机控制系统的仿真模型成为电机控制算法设计人员迫切需要解决的关键问题。
本文在分析无刷直流电机数学模型的基础上，借助于Matlab强大的仿真建模能力，利用电气模块库中内含的功能元件，对通常的运动控制系统仿真模型进行了改进，提出了一种基于Matlab／Simulink建立无刷直流电机系统仿真模型的新方法。
2无刷直流电机的数学模型以一台三相两极永磁电动机为例，并假设：（1）定子绕组为60°相待整距集中绕组星形联结；（2）忽略磁路饱和，不计涡流和磁滞损耗；（3）不考虑电枢反应气隙磁场分布近似矩形波，其波形平顶宽度为120°点角度；三相绕组的电压平衡方程可表示为：⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡eCeBeAiCiBiALcLcbLcaLbcLbLbaLacLabLapiCiBiARsRsRsuCuBuA,,,,,,,0,00,,00,0,等效电路：2 控制程序框图3无刷直流电机系统模型4主要工作（1）BLDCM 的搭建：根据电压方程,求取BLDC 三相相电流，结构框图如下图所示，由电压方程式(2)可得，要获得三相电流信号ia 、ib 、ic ，必需首先求得三相反电动势信号ea 、eb 、ec 。
而BLDC 建模过程中，梯形波反电动势的求取方法一直是较难解决的问题，反电动势波形不理想会造成转矩脉动增大、相电流波形不理想等问题，严重时会导致换向失败，电机失控。
因此，获得理想的反电动势波形是BLDC 仿真建模的关键问题。
这里使用了分段线性法，将一个运行周期0-360。
分为6个阶段，每60。
为一个换向阶段，每一相的每一个运行阶段都可用一段直线进行表Stepn_refnIsSpeed ControlorScope4Scope3Scope2Scope1Scope system S-Function1cemfS-FunctionPulse GeneratorpulseAB C+-IGBT InverterK Gain2KGain1KGainI_ar I_a I_brI_b I_crI_cPulseCurrent controllerUaUbUc posTLIaIbIc eaeb ecTeThetawBLDCMAdd5Add4Add3Add2Add1AddDC220V状态，通过直线方程即可求得反电动势波形。
分段线性法简单易行，且精度较高，能够较好的满足建模仿真的设计要求。
理想情况下，二相导通星形三相六状态的BLDC定子三相反电动势的波形为梯形波。
根据转子位置将运行周期分为6个阶段：0～pi／3，pi／3～2pi／3，2pi／3～3pi／3，pi～4pi／3，4pi／3～5pi／3，5pi／3～2pi。
（2）反电动势的求取问题。
S函数（部分）：function sys=mdlOutputs(t,x,u) global k;global Pos;global w;k=0.0024;w=u(1);Pos=u(2);if Pos>=0& Pos<=pi/3 sys = [k*w,-k*w,k*w*((-Pos)/(pi/6)+1),1,1,0];elseif Pos>=pi/3& Pos<=2*pi/3sys = [k*w,k*w*((Pos-pi/3)/(pi/6)-1),-k*w,1,0,1];elseif Pos>=2*pi/3& Pos<=pisys = [k*w*((2*pi/3-Pos)/(pi/6)+1),k*w,-k*w,0,1,1];elseif Pos>=pi& Pos<=4*pi/3sys = [-k*w,k*w,k*w*((Pos-pi)/(pi/6)-1),1,1,0];elseif Pos>=4*pi/3& Pos<=5*pi/3sys = [-k*w,k*w*((4*pi/3-Pos)/(pi/6)+1),k*w,1,0,1];elseif Pos>=5*pi/3& Pos<=2*pisys = [k*w*((Pos-5*pi/3)/(pi/6)-1),-k*w,k*w,0,1,1];end(3) 转矩计算根据BLDC数学模型中的电磁转矩方程式()ω/c cbbaai ei ei eTe++=，可以建立图所示的转矩计算模块，模块输入为三相相电流与三相反电动势，通过加、乘模块即可得电磁转矩信号Te。
（4）参考电流模块参考电流模块的作用是根据电流幅值信号Is和位置信号给出三相参考电流，输出的三相参考电流直接输入电流滞环控制模块，用于与实际电流比较进行电流滞环控制一转子位置和三相参考电流之间的对应关系如表2所示，参考电流模块的这一功能可通过s函数编程实现。
S函数(部分)：function x=current_dq(angle,current) pos=mod(angle,2*pi);x(1)=current;x(2)=-current;x(3)=0;if 0<=pos && pos<pi/3x(1)=current;x(2)=-current;x(3)=0;endif pi/3<=pos && pos<2*pi/3x(1)=current;x(2)=0;x(3)=-current;endif 2*pi/3<=pos && pos<pix(1)=0;x(2)=current;x(3)=-current;endif pi<=pos && pos<4*pi/3x(1)=-current;x(2)=current;x(3)=0;endif 4*pi/3<=pos && pos<5*pi/3 x(1)=-current;x(2)=0;x(3)=current;endif 5*pi/3<=pos && pos<2*pi x(1)=0;x(2)=-current;x(3)=current;end参考输出波形（输入斜坡函数和阶跃函数）：（5）电压逆变器模块1.电压型三相逆变电路三相逆变电路，是将直流电转换为频率相同、振幅相等、相位依次互差为120°交流电的一种逆变网络。
在一些条件苛刻的环境下，电力的储能形式可能只有直流电，如若在这样的环境下使用三相交流电设备，就要求将直流电转变为特定要求的三相交流电以供使用。
这就催生了三相逆变器的产生。
电压型逆变电路是指直流侧采用电压源的逆变电路，直流侧的电源能够提供幅值稳定不变的直流电。
右是一个电压型逆变电路原理图。
Ud 为直流侧电压源，两侧各加一个电容用来稳定电压.Ta,Tb,Tc分别为ABC 三相的控制开关。
通过对三个开关的控制，便可以实现DC-AC的转换。
