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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。
XXXX届毕业设计说明书直流电机模糊控制系统的MATLAB／Simulink仿真研究院、部：电气与信息工程学院学生姓名：XXX指导教师：XXXX职称教授职称专业：XXXXXXXXXXXXX班级：XXXXXXXXX完成时间：20XX.X.X摘要在当今控制技术的发展当中，模糊控制技术的发展走在了前列，成为了当今世界上最先进的控制技术之一。
模糊控制技术很好的将模糊数学理论应用于控制领域当中, 更加真切地模拟出了人脑的思维方式和判断能力, 以及对产品生产的过程进行筛选和对产品质量上的控制, 从而发展出了基于模糊控制技术的智能化的新技术，为当今控制技术的发展提供了广阔空间。
在本文当中，主要介绍了基于模糊控制理论的直流电机模糊控制系统的原理，以及直流电机模糊控制系统的优点和缺点，并通过使用MATLAB语言中SIMULINK 模块和模糊控制工具箱对直流电机模糊控制系统进行仿真，把控制直流电机调速的实际情况转换成模糊控制规则，再使用这些规则，对过程经过模糊推理和模糊决策所得到的控制量，从而实现在MATLAB语言中SIMULINK模块和模糊控制工具箱对直流电机模糊控制系统的建模与仿真。
对仿真结果予以分析，对直流电机模糊控制系统的仿真进行总结。
关键词：MATLAB；SIMULINK；模糊控制；直流电机；电机调速ABSTRACTAmong today’s control technology development, one of the leading enterprises in the development of fuzzy control technology, fuzzy control technology has become one of the most advanced control technology in the world today, it will be a very good fuzzy control technology of fuzzy mathematics theory is applied in control field, the more realistically simulate the human brain’s way of thinking and judgment ability, as well as to the production process of screening and the control on the quality of product, which was developed based on fuzzy intelligent control technology of the new technology, for the development of modern control technology provides a broad expansion of space.in this article, mainly introduced the dc motor based on fuzzy control theory, the principle of fuzzy control system, as well as the advantages and disadvantages of the fuzzy control system for dc motor, and by using the SIMULINK module and the fuzzy control toolbox in MATLAB language for the calculation of the fuzzy control system of dc motor, the control of the actual situation of the dc motor speed control is converted into fuzzy control rules, and then use these rules, the process through fuzzy reasoning and fuzzy decision of control, thus to achieve the SIMULINK module and the fuzzy control toolbox in MATLAB language modeling and simulation of fuzzy control system of a dc motor. And the analysis to the results of simulation and simulation of fuzzy control system of dc motor.Keywordsmatlab；Simulink；fuzzy control；dc motor；motor speed control目录1 绪论 (1)1.1 研究的目的与意义 (1)1.2 国内外的发展现状及发展历程 (1)1.2.1 直流调速系统的发展历程 (1)1.2.2 直流调速控制系统的发展现状 (2)1.3 研究的主要内容及章节介绍 (3)2 直流调速系统 (4)2.1 直流调速系统的基本概念 (4)2.1.1 直流他励电动机的调速方法 (4)2.1.2 直流调速系统的供电方式 (6)2.1.3 开环V-M系统的机械特性 (7)2.2 直流调速系统的动态分析 (8)2.2.1 单闭环直流调速系统的动态分析 (8)2.2.2 多环直流调速系统的动态分析 (9)2.3 直流脉宽调速系统概述 (10)3直流电机 (11)3.1 直流电动机的基本结构和工作原理 (11)3.1.1 直流电动机的基本结构 (11)3.1.2 直流电动机的工作原理 (12)3.2 直流电动机的运行特性 (14)3.3直流电动机的起动、调速和制动 (17)3.3.1 直流电动机的起动 (17)3.3.2 直流电动机的调速 (17)3.3.3 直流电动机的制动 (17)4模糊控制 (19)4.1 模糊控制原理 (19)4.2 模糊控制器的一般设计步骤 (20)5直流电机模糊控制系统的MATLAB/Simulink的仿真 (22)5.1 建立直流电机的仿真模型 (22)5.2模糊控制器的设计 (22)5.3 直流电机模糊控制系统的建立与仿真 (24)5.4 仿真结果及分析 (27)6 总结与展望 (28)参考文献 (39)致谢 (31)1绪论1.1研究的目的与意义在工业现代化的发展当中，直流电机的使用非常广泛。
基于MATLAB的模糊控制器的设计与仿真摘要：本文对模糊控制器进行了主要介绍。
提出了一种模糊控制器的设计与仿真的实现方法，该方法利用MA TLB模糊控制工具箱中模糊控制器的控制规则和隶属度函数，建立模型，并进行模糊控制器设计与仿真。
关键词：模糊控制，隶属度函数，仿真，MA TLAB1 引言模糊控制是一种特别适用于模拟专家对数学模型未知的较复杂系统的控制，是一种对模型要求不高但又有良好控制效果的控制新策略。
与经典控制和现代控制相比，模糊控制器的主要优点是它不需要建立精确的数学模型。
因此，对一些无法建立数学模型或难以建立精确数学模型的被控对象，采用模糊控制方法，往往能获得较满意的控制效果。
模糊控制器的设计比一般的经典控制器如PID控制器要复杂，但如果借助MATLAB则系统动态特性良好并有较高的稳态控制精度，可提高模糊控制器的设计效率。
本文在MATLAB环境下针对某个控制环节对模糊控制系统进行了设计与仿真。
2 模糊控制器简介模糊控制器是一种以模糊集合论，模糊语言变量以及模糊推理为数学基础的新型计算机控制方法。
显然，模糊控制的基础是模糊数学，模糊控制的实现手段是计算机。
本章着重介绍模糊控制的基本思想，模糊控制的基本原理，模糊控制器的基本设计原理和模糊控制系统的性能分析。
随着科学技术的飞速发展，在那些复杂的，多因素影响的严重非线性、不确定性、多变性的大系统中，传统的控制理论和控制方法越来越显示出局限性。
长期以来，人们期望以人类思维的控制方案为基础，创造出一种能反映人类经验的控制过程知识，并可以达到控制目的，能够利用某种形式表现出来。
而且这种形式既能够取代那种精密、反复、有错误倾向的模型建造过程，又能避免精密的估计模型方程中各种方程的过程。
同时还很容易被实现的，简单而灵活的控制方式。
于是模糊控制理论极其技术应运而生。
3 模糊控制的特点模糊控制是以模仿人类人工控制特点而提出的，虽然带有一定的模糊性和主观性，但往往是简单易行，而且是行之有效的。
基于MATLAB/SIMULINK 直流电动机调速系统仿真建模张三（陕西 西安 西安科技大学 710054）摘要：论述了一种基于MA TLAB 语言的直流电机调速控制仿真系统，通过MA TLAB 语言中的SIMULINK 模块和模糊控制箱实现模糊控制仿真 关键词 ：MA TLAB. SIMULINK,仿真系统。
0 引言MATLAB 是矩阵实验室（Matrix Laboratory ）的简称，是一种数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB 和Simulink 两大部分。
Simulink 提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。
Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink 。
纵观实验研究发展历程，仿真起着重要的作用，其经历了物理模型仿真，模似计算机仿真和数字计算机仿真，仿真给我们研究系统带来巨大方便，但在进行程序设计时．尤其是在计算矩阵运算或画图时，利用FORTRAN 、c 语言编程调试工作效率较低，很不方便。
在1984年，MATLAB 的推出，为研究者打开了一个新局面。
在系统仿真应用中很快得到了发展。
一台直流并励电动机，铭牌额定参数为kW 17=N P ，V 220=N U ，A 9.88=NI ，r/min 3000=N n ，电枢回路总电阻Ω=087.0a R ，励磁回路总电阻Ω=5.181f R ，电动机转动惯量2m K 76.0⋅=g J 。
要求仿真该电动机的直接起动的过程。
1计算电动机参数励磁电流为 I=220/181.5=1.21A 励磁电感在恒定磁场控制时可取零点数电阻R a =0.087Ω，电枢电感估算L=0.0032H式中，p 为极对数；C 为计算系数，对于无补偿电机C=0.1，补偿电机C=0.4。
基于MATLAB的无刷直流电机模糊控制仿真研究发表时间：2008-12-10T10:10:32.153Z 来源：《黑龙江科技信息》供稿作者：杨新军[导读] 摘要：无传感无刷直流电机（SLBLDCM）是一个多变量、非线性系统，PID控制在其调速系统中得到广泛应用。
本文将模糊PID控制应用到SLBLDCM控制系统中，首先建立了无刷直流电机的数学模型，然后利用MATLAB中的Fuzzy Toolbox和Simulink完成了该电机模糊PID双闭环调速系统的仿真设计。
仿真结果表明：控制系统运行平稳，速度跟踪快速准确，同时又具有较高的控制精度。
关键词：无刷直流电机；MATLAB；模糊控制摘要：无传感无刷直流电机（SLBLDCM）是一个多变量、非线性系统，PID控制在其调速系统中得到广泛应用。
本文将模糊PID控制应用到SLBLDCM控制系统中，首先建立了无刷直流电机的数学模型，然后利用MATLAB中的Fuzzy Toolbox和Simulink完成了该电机模糊PID双闭环调速系统的仿真设计。
仿真结果表明：控制系统运行平稳，速度跟踪快速准确，同时又具有较高的控制精度。
关键词：无刷直流电机；MATLAB；模糊控制引言无刷直流电机（BRUSHLESS DC MOTOR，以下简称BLDCM）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]。
在分析无刷直流电机数学模型的基础上，建立控制系统的计算机仿真模型，将模糊PID控制应用于BLDCM。
1 无刷直流电机的数学模型无刷直流电机控制系统采用电子换向器（逆变器）替代直流电动机的机械换向器，实现直流到交流的逆变，采用位置传感器控制绕组电流的切换控制[2]，图1为通常采用的无刷直流电机的等效电路图。
为简化分析，假设：1.1定子绕组为60°相带整距绕组，星形连接。
1.2不考虑齿槽效应。
收稿日期:2002-02-21图2 直流电机模糊控制动态结构图基于M AT LAB SI M UL INK 直流电机调速系统模糊控制的建模与仿真M AT LAB SI M UL INK -Based M odeli n g and Si m ulation for Fuzzy Con trol Systemof D c M otor张 晶 曾宪云Zhang J ing Zeng X ianyun(广东工业大学自动化学院 广州 510090)(Faculty of A utom ati on ,Guangdong U niversity of Techno l ogy ,Guangzhou ,510090)摘 要 论述了一种基于M A TLAB 语言的直流电机模糊控制仿真系统,通过M A TLAB 语言中S I M UL I N K 模块和模糊控制工具箱实现模糊控制仿真。
关键词 S I M UL I N K 电机 模糊控制1 引 言计算机仿真技术是应用电子计算机对研究对象的数学模型进行计算和分析的方法。
对于从事控制系统研究与设计的技术人员而言,M A TLAB 是目前控制系统计算机辅助设计实用且有效的工具。
这不仅是因为它能解决控制论中大量存在的矩阵运算问题,更因为它提供了强有力的工具箱支持。
与控制系统直接相关的工具箱有控制系统、系统辨识、信息处理、优化等。
还有一些先进和流行的控制策略工具箱,如鲁棒控制、u -分析与综合、神经网络、模糊预测控制、非线性控制设计、模糊逻辑等。
可以说目前理论界和工业界广泛应用和研究的控制算法,几乎都可以在M A TLAB 中找到相应的工具箱。
同时,M A TLAB 软件中还提供了新的控制系统模型输入与仿真工具S I M U L I N K ,它具有构造模型简单、动态修改参数实现系统控制容易、界面友好、功能强大等优点,成为动态建模与仿真方面应用最广泛的软件包之一。
它可以利用鼠标器在模型窗口上“画”出所需的控制系统模型,然后利用S I M U LI N K 提供的功能来对系统进行仿真或分析,从而使得一个复杂系统的输入变得相当容易且直观。
理论与设计基于MATLAB/SIMULINK的直流电机模糊控制的仿真周小波 王群京 陈 伟 周嗣理安徽大学（230039）Fuzzy Control Simulation for Dc Motor Based on MATLAB/SIMULINKZhou Xiaobo Wang Qunjing Chen Wei Zhou SiliAnhui University双闭环调速系统[2]。
摘 要：介绍了直流电机的双闭环调速原理，并用M A T L A B构建了直流电机转速、电流双闭环调速系统的模型。
转速环采用模糊控制器，与传统的P I调节器进行比较，模糊控制器具有更好的控制性能。
关键词：双闭环 模糊控制 直流电机SIMULINKAbstract: The principle of double-closed-loop speedregulation system for dc motors was introduced and modelof it was established by means of MATLAB. The speed loop employed the fuzzy logical control. Compared with the traditional PI control, the fuzzy logical controller had better performance.Keywords:Dual-closed-loop Fussy logical controller DC motor由于直流电机系统本身的非线性，当被控对象特性发生变化时，P I调节器难以保持良好的控制性能。
因此本文设计了基于模糊自调节的P I控制器，根据专家的在线调整，以M A T L A B/ S I M U L I N K为工具箱，建立直流电机的常规控制和模糊控制的仿真模型。
1 双闭环调速系统1.1 双闭环调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中分别设置两个调节器以调节转速和电流。
从闭环结构上看，电流环在里面，称为内环，转速环在外面，称为外环，形成了转速、电流1.2 双闭环调速系统的仿真转速、电流双闭环直流调速系统仿真模型如图2，由给定信号、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器和直流电机等组成。
给定转速为100r a d/s，电流反馈系数为0.15，速度反馈系数为1，平波电抗器的电感值为5m H。
转速调节器采用P I调节器，按照典型Ⅱ系统[2]设计，其参数为：K S P=12，K S I=1，输出限幅值为[40 -40]。
电流环作用是限制电流，因此一般将电流环校正为典型Ⅰ系统，电流调节器采用PI调节器，其参数为：K C P=20，K C I=1.5，输出限幅值为[130 -130]。
仿真结果如图3和图4。
图1 双闭环调速系统框图图2双闭环调速系统仿真8 2010年第1期 《电机技术》2010 年第 1 期 9《电机技术》理论与设计2 模糊控制系统简介2.1 模糊控制器的结构和模糊化模糊自整定PI控制器由参数可调整的PI控制器和模糊控制器组成，其控制原理框图如图5。
2.2 模糊控制规则及其语言描述参数模糊自调整P I D控制器就是找出在不同时刻P I的两个参数与e和e c间的模糊关系，在运行中不断检测e和e c，根据模糊控制原理对K P 和K I 在线修改。
由前人的经验得知被控过程对参数K P 、K I 的自整定要求如下[3]：（1）当偏差较大时，为加快系统的响应速度，应取较大的K P ，同时为了防止系统响应出现较大的超调，产生积分饱和，应限制积分作用，即取较小的K I 。
（2）当e和e c为中等大小时，为使系统响应有较小的超调，K P 应取小一些，K 1取值要适当。
（3）当e较小，接近于设定值时，为使系统有良好的稳态性能，应增加K P 和K 1的取值。
（4）e c的大小表明偏差变化的速率，e c值越大，K P 取值越小，K 1取值越大。
根据K P 、K I 对系统输出特性的影响，归纳出在不同的e和e c时，被控参数K p 、K I 的自整定要求，模糊控制规则见表1和表2。
表1 K P 的控制规则eec NBNM NS ZO PS PM PB NB PB PB PM PM PS ZO ZO NM PB PB PM PS PS ZO NS NS PM PM PM PS ZO NS NS ZOPM PM PS ZO NS NM NM PS PS PS ZO NS NS NM NM PMPS ZO NS NM NM NM NB PBZOZONMNMNMNBNB表2 K I 的控制规则eecNBNM NS ZO PS PM PB NBNB NB NM NM NS ZO ZO NM NB NB NM NS NS ZO ZO NSNB NM NS NS ZO PS PS ZO NM NM NS ZO PS PM PM PS NM NS ZO PS PS PM PB PM ZO ZO PS PS PM PB PB PBZOZOPSPMPMPBPB根据模糊规则表，在M A T L A B的模糊编辑器中编写模糊控制规则的语言。
图3 双闭环仿真系统电流仿真波形20015010050000.511.522.53图4 双闭环仿真系统转速仿真波形20015010050000.511.522.53模糊控制器以偏差e和偏差变化率e c为输入量，通过模糊规则对P I参数进行在线修改以满足不同时刻e和e c对P I参数自调整的要求。
其中e和e c的论域为均定义为（-10 10），划分为七个等级，其模糊集子集为{N B，N M，N S，Z O，P S，P M，P B}，其含义依次为：负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。
同样，设定输出量K p、K I的模糊子集也为{N B，N M，N S，Z O，P S，P M，P B}，K P的论域为（05），K I的论域为（03）。
输入输出变量的隶属函数曲线如图6~图8。
图5 模糊PI控制结构框图reK pK Iy图6 输入e、ec隶属函数曲线10.5NBNMNSZOPSPMPB12345910678图7 输出KP隶属函数曲线10.5NB NMNSZOPSPMPB0.511.522.54.5533.54图8 输出KI隶属函数曲线10.500NB NMNSZOPSPMPB0.511.522.53理论与设计2.3 模糊控制器的MATLAB实现在M A T L A B命令窗口运行F u z z y函数进入模糊逻辑编辑器，并建立F I S文件，选择控制器M a m d a i n型，再输入e、e c、K P、K I的隶属函数和量化区间，可得隶属函数图形。
打开Ruler Editor 窗口，以If…then的形式输入模糊控制规则：与方式（And method）为min；或方式（Or method）为max；推理（Implieation）为min；合成（Aggregation）为max；去模糊（Defuzzification）为centroid，从而建立了FIS文件，取名为m hpi.fis。
点击file 菜单选择Export的to workspace，即完成了模糊工具箱与S I M U L I N K连接。
须注意每次运行S I M U L I N K仿真模型之前，应将m h p i.f i s导入workspace。
2.4 模糊双闭环仿真系统模糊双闭环仿真模型如图9，从图中可看出，电流环采用的是传统的P I调节器，转速环采用模糊PI控制器，因转速环是决定控制系统的根本因素。
图10为利用S I M U L I N K搭建的P I调节器模型，其输入即为模糊控制器的输出和偏差e。
转速环输入很大，其输出很快达到限幅值，电流也很快上升，接近其最大值。
第二阶段，转速环饱和，相当于开路状态，系统表现为恒值电流给定下的电流调节系统，电流基本不变，系统恒加速，转速线性增长。
第三阶段，当转速达给定值后，转速调节器的给点值与反馈值相等，输入偏差等于零，但由于积分作用，其输出还是很大，出现超调，此时转速环输入端出现负偏电压，使它退出饱和状态，进入线性调节阶段，使速度保持恒定。
从图中可看出，与常规双闭环控制系统相比，采用模糊双闭环控制系统的电流和转速波形的超调量明显减小，过渡时间短。
20015010050000.51 1.52 2.53图11 模糊双闭环仿真系统电流仿真波形20015010050000.51 1.52 2.53图12 模糊双闭环仿真系统转速仿真波形图10 子系统PI调节器模型Product1++kp2in1out1Gain21Productki3仿真结果如图11和图12。
直流电机的启动过程可分为三个阶段，第一阶段是电流上升阶段，3 结束语通过S I M U L I N K建立直流电机的双闭环和模糊双闭环系统的仿真模型，通过仿真比较，可看出模糊控制系统的性能优越、调节精度高，稳态性能好，超调明显小，具有较强的鲁棒性，是常规PI控制难以实现的。
参 考 文 献1 李媛媛．模糊P I D控制方法在矿井水处理自动投药系统中的应用研究[J]．太原理工大学2008.5．2 陈伯时，阮 毅，陈维钧等．电力拖动自动控制系统[M]．第三版.北京：机械工业出版社，2003.7．3 王 果，朱大鹏．直流电机双闭环调速系统的工程设计方法仿真[J]．电机技术，2005年第3期．4 赵永娟，孙华东．基于M A T L A B的模糊P I D控制器的设计和仿真[J]．微计算机信息，2009年第25期．（收稿日期：2009-11-09）图9 直流电机模糊双闭环控制系统仿真模型10 2010年第1期《电机技术》。
