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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摘要：在分析无刷直流电机（BLDC）数学模型的基础上，提出了一种无刷直流电机控制系统仿真建模的新方法。
在Matlab/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。
仿真和试验结果与理论分析一致，验证了该方法的合理性和有效性。
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；Matlab中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2008) 02-293-06A Method for Modeling andSimulation ofBrushless DC Motor Control System based on MatlabYIN Y un-hua, ZHENG Bin, ZHENG Hao-xin(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China)Abstract: Based on the mathematical model of the Brushless DC motor (BLDC), a novel method for modeling and simulation of BLDC control system was proposed. In Matlab/Simulink, by the combination of the isolated functional blocks and S-functions, the model of BLDC could be established. In the double loop of control system, a discrete PID controller was adopted in the speed loop and a current controller was completed in the current loop on the principle of hysteresis current track PWM inverter. The reasonability and validity were testified by the coincidence of the simulation and experimentation results and theory analysis. This novel method is also suitable for verifying the reasonability of other control algorithms and offers a new thinking for designing and debugging actual motors. Key words: BLDC; modeling; simulation; hysteresis current; Matlab引言1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。
《基于DSP的无刷直流电机控制系统设计和仿真研究》篇一一、引言随着现代工业的快速发展，无刷直流电机因其高效、低噪音、长寿命等优点，在许多领域得到了广泛应用。
为了更好地控制无刷直流电机，提高其运行性能和效率，基于DSP（数字信号处理器）的控制系统设计成为了研究的热点。
本文将详细探讨基于DSP的无刷直流电机控制系统的设计和仿真研究。
二、系统设计1. 硬件设计本系统采用DSP作为主控制器，配合功率驱动电路、传感器电路等构成硬件系统。
DSP主控制器负责接收电机运行指令、实时控制电机运行状态；功率驱动电路则负责将DSP主控制器的控制信号转化为电机的驱动信号；传感器电路则用于实时监测电机的运行状态，为DSP主控制器提供反馈信息。
2. 软件设计软件设计主要包括DSP主控制器的程序设计。
程序主要包括初始化程序、电机控制程序、传感器数据处理程序等。
初始化程序用于设置DSP主控制器的初始状态；电机控制程序则根据电机的运行指令和传感器反馈信息，实时调整电机的运行状态；传感器数据处理程序则用于处理传感器采集的数据，为电机控制程序提供准确的反馈信息。
三、控制系统算法研究1. 矢量控制算法矢量控制算法是无刷直流电机控制的核心算法之一。
它通过实时检测电机的电流和电压，计算出电机的转矩和磁通，从而实现电机的精确控制。
在DSP中实现矢量控制算法，可以有效地提高电机的运行性能和效率。
2. 空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术SVPWM技术是一种先进的电机控制技术，它通过优化PWM 波形，提高了电机的电压利用率和转矩输出能力。
在基于DSP的无刷直流电机控制系统中，采用SVPWM技术可以进一步提高电机的运行性能和效率。
四、仿真研究为了验证系统设计的可行性和控制算法的有效性，我们进行了仿真研究。
仿真结果表明，基于DSP的无刷直流电机控制系统能够实时、准确地控制电机的运行状态，实现了电机的精确控制和高效运行。
同时，矢量控制算法和SVPWM技术的应用，进一步提高了电机的运行性能和效率。
电动汽车五相永磁无刷电机的容错控制策略研究的开题报告一、研究背景与意义当前，电动汽车已成为了推进新能源汽车发展的重要手段之一。
而电动汽车的动力系统核心是驱动电机，而直流无刷电机、交流异步电机、交流同步电机等不同类型的电机均可以用于电动汽车。
其中，五相永磁无刷电机因其具有高效率、高功率密度、高转矩等特点，成为电动汽车动力系统中的主要驱动电机。
但是，五相永磁无刷电机在工作过程中仍然存在一些容错问题，例如电机驱动器的故障、电池电压降低、温度异常等等，均可能导致电机短路、过流、过温等故障，从而对电机的正常运行产生影响。
因此，研究电动汽车五相永磁无刷电机容错控制策略，对保障电机安全、提高电机性能稳定性，具有重要意义。
二、研究内容本文计划从电动汽车五相永磁无刷电机驱动器故障、电池电压降低、温度异常等几个方面出发，研究电动汽车五相永磁无刷电机容错控制策略，主要包括以下几个方面：1. 驱动器故障容错控制策略：研究驱动器故障对电机运行的影响，针对不同类型的故障，设计相应的容错控制策略，以保证电机的安全运行。
2. 电池电压降低容错控制策略：研究电池电压降低对电机性能的影响，设计基于电池电压的容错控制策略，以保证电机在电池电压较低情况下仍然能够正常运行。
3. 温度异常容错控制策略：研究温度异常对电机的影响，设计基于电机温度的容错控制策略，以保证电机在温度异常情况下仍然能够正常运行。
三、研究方法与技术路线本文将采用以下方法进行研究：1. 理论分析法：分析电机系统中的关键问题，为容错控制策略的设计提供理论依据。
2. 数学建模法：建立电机系统的数学模型，分析故障等异常情况对电机性能的影响，以及不同容错控制策略的影响。
3. 数值模拟法：采用数值模拟方法，验证不同容错控制策略的有效性，比较不同策略的优劣。
技术路线如下：1. 翻阅文献资料，掌握五相永磁无刷电机的基本原理、电机特性、电机故障等方面的知识。
2. 建立电机系统的数学模型，分析电机系统中可能存在的异常情况对电机性能的影响。
基于DSP的无刷直流电机控制系统设计和仿真研究一、本文概述随着现代控制理论和电子技术的飞速发展，无刷直流电机（Brushless DC Motor, BLDC）以其高效率、高可靠性以及优良的调速性能，在航空航天、电动汽车、家用电器和工业自动化等众多领域得到了广泛应用。
然而，无刷直流电机的控制涉及复杂的电磁学、电力电子和控制理论，如何实现其高效、稳定的控制成为研究热点。
数字信号处理器（Digital Signal Processor, DSP）作为一种高性能的微处理器，具有强大的数据处理能力和丰富的外设接口，非常适合用于无刷直流电机的控制。
通过DSP，可以实现电机的精确控制，提高电机的运行效率和稳定性。
本文旨在探讨基于DSP的无刷直流电机控制系统的设计和仿真研究。
介绍了无刷直流电机的基本结构和工作原理，分析了其控制难点和关键技术。
详细阐述了基于DSP的电机控制系统的硬件和软件设计，包括功率驱动电路、控制电路、采样电路等硬件设计，以及控制算法、软件架构等软件设计。
通过仿真实验验证了控制系统的可行性和有效性，为无刷直流电机的实际应用提供了理论和技术支持。
本文的研究内容不仅有助于深入理解无刷直流电机的控制原理，也为无刷直流电机的优化设计提供了有益的参考。
本文的研究成果对于推动无刷直流电机控制技术的发展和应用具有一定的理论价值和实际意义。
二、无刷直流电机的基本原理无刷直流电机（Brushless DC Motor, BLDC）是一种采用电子换向技术替代传统机械换向器的直流电机。
其基本原理是利用电子换向器（通常是功率电子开关如MOSFET或IGBT）控制电机的定子电流，从而实现电机的连续旋转，无需机械换向器与电刷之间的物理接触。
这种设计使得无刷直流电机具有更高的效率、更长的寿命以及更低的维护成本。
无刷直流电机通常包含一个永磁体转子和一个带有多个极对的定子。
定子上的极对数量决定了电机的极数，极数越多，电机的旋转越平滑。
基于神经网络的无刷直流电机故障诊断和容错控制方法的研究李争;刘朝英;宋雪玲
【期刊名称】《河北工业科技》
【年(卷),期】2009(026)005
【摘要】提出并设计了一种针对无刷直流电机控制器的故障诊断和容错控制方法.该神经网络状态观测器由实际非线性控制系统进行训练,根据实际系统和神经网络观测器输出残差,容错控制系统能够被确定下来.针对系统控制器、电流和速度传感器的故障条件进行了仿真分析,容错控制通过使用补偿控制器实现,保证系统故障条件下的稳定性和性能.结果表明,所提出的方法能有效地定位错误故障和时间,消除干扰并提高系统的鲁棒性.
【总页数】5页(P411-414,417)
【作者】李争;刘朝英;宋雪玲
【作者单位】河北科技大学电气信息学院,河北石家庄,050018;河北科技大学电气信息学院,河北石家庄,050018;河北科技大学电气信息学院,河北石家庄,050018【正文语种】中文
【中图分类】TM33
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1.基于神经网络的电动舵回路容错控制方法研究 [J], 黄志毅;章卫国;顾伟;刘小雄
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《基于DSP的无刷直流电机控制系统设计和仿真研究》篇一一、引言随着现代工业的快速发展，无刷直流电机因其高效、低噪音、长寿命等优点，在各个领域得到了广泛应用。
然而，为了实现无刷直流电机的精确控制，需要设计一个高效、稳定的控制系统。
本文将详细介绍基于DSP（数字信号处理器）的无刷直流电机控制系统的设计和仿真研究。
二、无刷直流电机基本原理无刷直流电机（BLDCM）是一种采用电子换向器替代机械换向器的直流电机。
其工作原理是通过电子换向器控制电机内部的磁场，从而实现电机的转动。
无刷直流电机具有高效率、高转矩、低噪音等优点，广泛应用于工业、汽车、家电等领域。
三、DSP控制系统设计1. 系统架构设计基于DSP的无刷直流电机控制系统主要由DSP控制器、功率驱动电路、电机本体等部分组成。
DSP控制器负责接收和处理传感器信号，输出控制信号，实现电机的精确控制。
功率驱动电路负责将DSP控制器的输出信号转换为电机的驱动信号。
2. DSP控制器设计DSP控制器是无刷直流电机控制系统的核心部分，其性能直接影响到电机的控制效果。
DSP控制器应具备高速运算能力、高精度控制能力、强大的抗干扰能力等特点。
在硬件设计上，应选择具有高速处理器、大容量内存、丰富接口的DSP芯片。
在软件设计上，应采用高效的算法和编程语言，实现电机的精确控制。
3. 功率驱动电路设计功率驱动电路负责将DSP控制器的输出信号转换为电机的驱动信号。
其设计应考虑电机的额定电压、额定电流、功率等参数，以及电路的抗干扰能力、散热性能等因素。
常用的功率驱动电路有H桥驱动电路、全桥驱动电路等。
四、仿真研究为了验证基于DSP的无刷直流电机控制系统的设计和性能，我们进行了仿真研究。
仿真软件采用MATLAB/Simulink，仿真模型包括DSP控制器模型、功率驱动电路模型、电机本体模型等。
通过仿真研究，我们可以观察到电机的运行状态、控制效果、抗干扰能力等性能指标。
五、仿真结果分析1. 电机运行状态分析在仿真过程中，我们观察到电机能够平稳启动、加速、减速和停止，表明控制系统具有良好的动态性能。
永磁直流无刷电机改进的单神经元PID自适应控制仿真研究申亮;谢伟东
【期刊名称】《机电工程》
【年(卷),期】2011(028)003
【摘要】电机的控制方法对充分发挥永磁直流无刷电机使用性能起着关键作用,因此将智能控制方法应用到了永磁直流无刷电机的控制中.对永磁直流无刷电机的数学模型进行了分析,在Matlab R2008a+Simulink中建立了永磁直流无刷电机控制系统的仿真模型,为提高系统响应的快速性、稳定性和鲁棒性,提出了将改进的单神经元PID控制方法应用在永磁直流无刷电机的外环控制中.在验证了电机仿真模型正确性的基础上,对采用改进的单神经元PID控制算法的电机控制系统进行仿真研究,并将其仿真结果与普通PID控制算法仿真结果进行比对.研究结果表明,改进的单神经元PID控制方法具有较好的控制效果.
【总页数】5页(P369-373)
【作者】申亮;谢伟东
【作者单位】浙江工业大学车辆工程研究所,浙江,杭州,310014;浙江工业大学车辆工程研究所,浙江,杭州,310014
【正文语种】中文
【中图分类】TM351;TP391.9
【相关文献】
1.电动汽车永磁无刷直流电机的单神经元自适应PID控制 [J], 揭贵生;马伟明
2.基于RBF神经网络在线辨识的永磁无刷直流电机单神经元PID模型参考自适应控制 [J], 夏长亮;李志强;王明超;刘均华
3.无刷直流电动机单神经元自适应PID控制及改进 [J], 彭韬;鱼振民
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D驱动控制rive and control 2020年第48卷第6期温嘉斌等 基于FPGA 的无刷直流电动机容错控制系统56 收稿日期:2018-05-29基于FPGA 的无刷直流电动机容错控制系统温嘉斌,赵红阳,刘子宁(哈尔滨理工大学电气工程学院,哈尔滨150080)摘 要:针对霍尔传感器出现故障导致电机转速不稳定的问题,依据霍尔传感器控制原理,设计了无刷直流电动机容错控制系统,并提出了基于等时计数法的故障检测机制与基于无位置传感器系统的容错控制方法㊂通过仿真与测试平台实验验证,基于可编程门阵列(FPGA)的容错控制系统能够显著降低霍尔传感器故障对电机转速的影响,电机能够在霍尔传感器故障时能够正常稳定运行㊂关键词:霍尔传感器;故障检测;无刷直流电动机;可编程门阵列;容错中图分类号:TM351 文献标志码:A 文章编号:1004-7018(2020)06-0056-05Fault Tolerant Control System of Brushless DC Motor Based on FPGAWEN Jia -bin ,ZHAO Hong -yang ,LIU Zi -ning(School of Electrical Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China)Abstract :Aiming at the problem that the motor speed is unstable due to the failure of the Hall sensor,the fault-toler⁃ant control system of the brushless DC motor was designed according to the control principle of the Hall sensor.The fault detection mechanism based on the isochronous counting method and the fault-tolerant control based on the position sensor⁃less system were proposed.Through simulation and test platform experiments,the fault-tolerant control system based on field programmable gate array (FPGA)can significantly reduce the impact of Hall sensor fault on motor speed,so that themotor can can run stably when the Hall sensor fails.Key words :Hall sensor,fault detection,brushless DC motor,field programmable gate array (FPGA),fault-tolerant0 引 言无刷直流电动机具有结构简单㊁体积小㊁质量轻㊁可靠性高㊁控制精度高等优点[1-2],被广泛应用于工业㊁航空航天等各个领域[3-4]㊂目前,无刷直流电动机主要通过位置传感系统进行控制,位置传感系统的核心器件为霍尔位置传感器㊂霍尔传感器具有灵敏度高㊁体积小㊁安装方便等优点,但在恶劣条件下其具有可靠性低的缺点㊂在无刷直流电动机控制系统中,霍尔传感器的故障将导致无刷电机工作异常㊂因此,霍尔传感器故障诊断及电机的容错运行已经成为电机调速领域的一个研究热点,国内外对此进行了大量相关的研究[5-8]㊂文献[9]提出了基于双绕组结构的无刷直流电动机驱动控制系统和容错控制策略,通过改变电机结构来提高系统稳定性㊂文献[10]研究了霍尔传感器故障对无刷直流电动机的影响,并提出了一种可行的故障特征提取方法,但未对电机的容错控制问题进行研究㊂文献[11]提出了利用正常的霍尔传感器位置信号来估算故障传感器位置信号的方法㊂文献[12]设计了一种基于容错逆变器的无刷直流电动机控制策略㊂该策略通过非容错相的两相电流控制器实现了对故障电机的三相电流控制,但未针对霍尔传感器全部出现故障时的控制问题进行研究㊂本文针对此问题进行研究,提出了一种新型无刷直流电动机控制器,该控制器通过分析霍尔传感器信号波形,提出了基于等时计数法的故障检测机制,在该控制器中具有两个电机控制系统,当检测到霍尔传感器故障时,将切换电机控制系统,实现电机的容错运行,提高了系统的可靠性㊂1 无刷直流电动机控制原理无刷直流电动机是通过电机上的霍尔传感器来进行控制的,如图1所示㊂控制器利用6个功率器件组成的三相全桥来控制线圈的六导通状态,使电枢绕组依次馈电,形成旋转磁场,驱动永磁转子旋图1 无刷直流电动机控制结构图 2020年第48卷第6期 D驱动控制rive and control 温嘉斌等 基于FPGA 的无刷直流电动机容错控制系统57 转㊂电枢绕组通过不断改变通电状态,使导体电流在某一磁极下的方向始终保持不变,无刷直流电动机的换相过程如下㊂图1中无刷直流电动机控制器采用的是三相桥式逆变器,其采用两两导通控制㊂3个霍尔传感器两两之间间距120°且相互独立工作㊂图2为霍尔传感器输出信号与换相区间之间的关系㊂在一个电周期内,电机电流换相6次,霍尔传感器输出宽度为180°的矩形信号,霍尔传感器单相输出信号之间相差宽度为120°,每个信号的上升沿㊁下降沿为换相点㊂图2 霍尔传感器输出信号与换相关系图2 无刷直流电动机控制系统2.1 霍尔容错控制系统结构根据无刷直流电动机霍尔传感器故障检测和容错运补需要,本文提出了如图3所示的无刷直流电动机的控制系统结构㊂根据控制器所要实现的功能,设计划分如下几个模块:有位置传感器系统模块,无位置传感器系统模块,检测模块㊂在电机起动时,由于电机的反电动势过小,难以检测,故在该控制器中,利用有位置传感器系统模块作为系统正常工作时的主控制系统,当检测模块检测到霍尔传感器出现故障时,则利用无位置传感器系统模块作为电机的备用控制系统㊂图3 容错控制系统结构图2.2 霍尔传感器故障诊断本文提出了基于等时计数法的故障检测机制㊂图4给出了霍尔传感器波形与功率导通管之间的关系,H a ㊁H b ㊁H c 分别为三个霍尔传感器的输出信号,根据导通管变换状态将波形图分为12个时域,t 为闸门时间㊂霍尔传感器的输出信号经过采样与AD,将模拟信号转换为数字信号,在故障检测模块中设定一个闸门,此闸门可控制三相计数器的起动与停止,通过控制闸门时间可以控制闸门时间测量的脉冲数㊂闸门开启,起动计数器对三相脉冲数值进行独立计数,当检测到上升沿时,计数器开始计数,当没检测到上升沿时,计时器不计数;t 秒后,闸门关闭,计数器停止对脉冲计数㊂由于在霍尔传感器正常时,其输出信号中含有上升沿信号,霍尔传感器故障时,其输出信号没有上升沿,故两者之间的计数器值不同㊂表1为在不同区域内霍尔传感器正常与发生故障时的数字信号对比㊂闸门关闭后,A 相㊁B 相㊁C 相的计数值分别与标准脉冲数值N 进行比较㊂若闸门时间t 内检测的计数值与N 相等,则霍尔传感器无故障;若闸门时间t 内检测的计数值与N 不相等,则可判断霍尔传感器出现故障㊂图4 故障检测原理图表1 不同时域霍尔传感器正常相与故障相信号对比表故障相实时状态霍尔信号所在时域A 相正常运行101100110123发生故障001000010789B 相正常运行110010011345发生故障10000000191011C 相正常运行011001101567发生故障0100001001112 在实际测量过程中,为保证测量精度,闸门时间t 一般选用霍尔信号周期的N 倍,因此,t 值不是一个固定的值,其随着电机的转速实时变化㊂假设利用反电动势检测到的电机转速为n ,相当于霍尔传感器输出信号的周期为60/n ,为了检测到标准脉冲数值N ,闸门时间需满足:t =60Νn(1) 由式(1)可知,电机在不同转速下的闸门时间t不同,电机转速越快,霍尔传感器输出信号频率越高,采样闸门时间t 越短㊂电机转速越慢,采样闸门时间t 越长㊂本文所设计的霍尔传感器故检测模块具有较高的测量精度,能适应于低速㊁高速电机㊂通 D驱动控制rive and control 2020年第48卷第6期 温嘉斌等 基于FPGA 的无刷直流电动机容错控制系统 58 过均衡测量时间与测量精度之间的关系,本文设定标准脉冲值N=4㊂2.3 无刷直流电动机传感器故障容错策略在本文的控制器中,采用了两套控制系统实现对电机的控制,其中备用控制系统采用了无位置传感器系统来对电机进行容错控制㊂无位置传感器系统选择反电动势过零检测法作为其检测方法,反电动势过零检测法是根据相反电动势波形过零点的特点得到准确的换相点㊂由图3可知,三相端电压平衡方程:U A=U a+U n U B=U b+U n U C=U c+U üþýïïïïn (2)式中:U A,U B,U C为端电压;U a,U b,U c分别为电机三相相电压,U n为绕组中性点电压㊂根据电机结构可推导出如下平衡方程:U a=Ri a+L d i ad t+e a+U nU b=Ri b+L d i bd t+e b+U nU c=Ri c+L d i cd t+e c+Uüþýïïïïïïïn(3)式中:e a,e b,e c分别为A,B,C三相反电动势;i a,i b,i c 为三相相电流;R为相绕组电阻;L为单相自感与互感之差㊂故可推导出:U n=13(U A+U B+U C)(4) 假设电机处于电流从A相流入㊁B相流出㊁C相悬空的状态㊂此时C相没有电流流过,因此C相反电动势:e c=U C-U n=U C-13(U A+U B+U C)(5)同理可得电机每一相的反电动势表达式:e a=U A-13(U A+U B+U C) e b=U B-13(U A+U B+U C) e c=U C-13(U A+U B+U C üþýïïïïïï)(6) 由以上分析可得出反电动势波形与导通功率管的关系,具体反电动势波形与导通功率管的关系如图5所示㊂在本文的控制器中,两个控制系统同时并行运行,当霍尔传感器正常时,无位置传感器系统只能空运行,不能实现对电机的控制㊂当检测到霍尔传感器出现故障时,控制器可以通过使用无位置传感器系统对电机进行容错控制㊂故障检测模块检测到故图5 反电动势波形与导通功率管的关系图障时发出切换信号,此时控制器将不再接收霍尔传感器数字信号,接收反电动势信号㊂一直工作的无位置传感器系统将取代霍尔传感器系统对电机进行容错控制,由于起动初期电机的转速较低,相反电动势值为零或者很小,若一直使用无位置传感器系统对电机进行控制会导致整个无位置传感器控制系统无法起动或者无法正常运行㊂因此选择有位置传感器系统作为无刷直流电动机的主控制系统,选择无位置传感器系统作为容错系统㊂霍尔传感器故障运行时数字信号与容错后的反电势信号对比如表2所示㊂表2 霍尔信号与容错后的信号对比表故障相实时状态信号变换A相发生故障001 000010容错纠正e a>0e a>0→e a<0 B相发生故障100 000001容错纠正e b>0e b>0→e b<0 C相发生故障010 000100容错纠正e c>0e c>0→e c<0 以A相霍尔传感器故障为例,控制器切换至无位置传感器控制系统后的三相反电动势与导通功率管的关系如图6所示㊂(a)无故障容错波形(b)有故障容错后波形图6 电机运行故障前后波形对比图 2020年第48卷第6期D驱动控制rive and control 温嘉斌等 基于FPGA的无刷直流电动机容错控制系统59 3 容错控制器的FPGA 实现本文的容错控制器主要由故障检测模块组成,故障检测模块具体由控制模块㊁计数模块和比较模块组成㊂控制模块控制闸门的开启和关断,计数模块实现对三相脉冲进行计数,比较模块完成脉冲值与标准值的比较并发出系统切换信号㊂故障检测模块在FPGA 中实现的原理框图如图7所示㊂图7 FPGA 中检测模块的操作实现流程图在FPGA 开发环境中,编译器不能实现除法运算,因此需要将故障检测模块中的除法运算转换为减法㊁移位与比较等运算进行实现㊂除此之外,根据FPGA 的特性,在FPGA 内部其电路结构是并行运行,则三个计数模块可同时对信号进行计数,计数模块运用加法器,实现脉冲数值的累加㊂比较模块主要运用比较器进行实现,由前文可知,本文选取的标准脉冲数为4,作为比较器的一个输入,比较器的另一个输入为计数器值㊂4 系统仿真及实验分析为验证本文的无刷直流电动机控制器的可行性,本文利用基于无刷直流电动机的数学模型和MATLAB /Simulink 搭建了无刷直流电动机容错控制系统㊂仿真选用的无刷直流电动机参数:R s =1Ω,转动惯量J =0.02kg㊃m 2,磁极对数为4,反电动势系数K e =0.048V /(r ㊃min -1),阻尼系数B =0.0002N㊃m㊃s /rad ㊂当设定转速为2000r /min 时,电机空载运行时的仿真转速曲线如图9所示㊂图9 设定转速2000r /min 电机空载时的仿真转速曲线在后续仿真实验时,设定在0.8s 时不接收A 相脉冲信号,模拟霍尔传感器故障㊂图10为霍尔传感器单相出现故障时的信号曲线㊂可观察到霍尔传感器信号曲线在0.8s 时无信号传出㊂此时仿真控制器中无容错处理,图11为霍尔故障时的电机转速仿真曲线,从仿真波形可知,0.8s时A 相加入故障,电机运行产生波动,电机不能平稳运行㊂图10 A相霍尔传感器出现故障信号曲线图11 模拟霍尔故障的电机转速曲线利用无位置传感器系统对电机进行容错处理,矫正后的转速波形如图12所示㊂从仿真结果可看出,采用容错控制的电机几乎无波动,与正常运行的电机性能基本相似,电机能够正常运行㊂图12 采用容错后的电机转速曲线仿真验证系统的可行性后,本文搭建了基于FPGA 的无刷直流电动机容错控制系统,并在此平台上实现了对霍尔传感器故障检测及容错处理的验证㊂实验所用电机参数:额定功率60W,额定转速2000r /min,额定电压24V,极对数为4㊂图13为基于FPGA 的无刷直流电动机容错系统平台㊂图13 基于FPGA 的无刷直流电动机容错控制系统平台为模拟传感器故障,在FPGA 中加入算法,使0.8s 后FPGA 接收到的A 相传感器信号恒为0,模拟A 相霍尔传感器无脉冲输出㊂本文利用QuartusII 软件编写FPGA 中的算法并记录转速数据㊂测试完成后,将记录的数据文件导入到MATLAB 软件中,MATLAB 运行Quartus II 的tbl 文件后读取数据,利用描点绘图可以看到实测波形㊂图14为电机转速2000r /min 空载运行时的实测转速曲线㊂图15为电机在0.8s 加入故障后的实测转速D驱动控制rive and control 2020年第48卷第6期温嘉斌等 基于FPGA 的无刷直流电动机容错控制系统60 曲线㊂其实测结果与仿真分析结果相似,当检测到故障后,电机的转速开始波动,电机不能正常运行㊂图14 电机空载设定转速2000r /min时的实测转速曲线图15 电机0.8s 加入故障的实测转速曲线 图16为电机经过容错处理后的实测转速曲线,经过容错处理后,电机基本实现无波动平稳运行㊂图16 电机经过容错处理后的转速曲线通过仿真和实验验证可知:1)电机在霍尔传感器系统控制下能实现平稳运行,具有响应快,超调量小等优点㊂2)当不使用容错技术,单相传感器出现故障时,电机转速出现波动,不能平稳运行㊂3)在检测电机故障后,控制系统切换至无位置传感器系统实现容错处理,对电机的转速波动有明显的纠正,电机能够实现平稳运行㊂5 结 语本文针对霍尔传感器出现故障导致电机转速出现不稳定的问题进行了讨论,提出了一种新型无刷直流电动机控制器㊂针对霍尔传感器故障,提出了基于等时计数法的故障检测机制,并通过切换控制系统的方法实现了无刷直流电动机的容错控制㊂通过仿真及实验结果可知,霍尔传感器出现故障时,本文的控制系统可以保证无刷直流电动机正常换相,电机运行较平稳,实现了从霍尔故障检测到容错控制的机电一体化控制㊂参考文献[1] 雷丹,赵金,李睿.一种小功率无刷直流电机控制系统的设计[J].微电机,2012(4):36-40.[2] ALECSA B,Onea A.Design,Validation and FPGA implementa⁃tion of a nrushless DC motor dpeed vontroller[C]//17th IEEE In⁃ternational Conference on Electronics,Circuits,and Systems.Ath⁃ens,Greece,2010:1112-1115.[3] 罗宏浩,吴峻,赵宏涛,等.永磁无刷直流电机换相控制研究[J].中国电机工程学报,2008(24):108-112.[4] 群涛,孙立志,刘超,等.无刷直流电机的磁链自控直接转矩控制[J].中国电机工程学报,2010(12):86-92.[5] 黄海.永磁无刷直流电机霍尔位置传感器的安装[J].船电技术,2009,29(9):33-35.[6] 李争,刘朝英,宋雪玲.基于神经网络的无刷直流电机故障诊断和容错控制方法的研究[J].河北工业科技,2009,26(5):411-414,417.[7] 傅安琪,吴忠,吕昊暾.无刷直流电动机开关式霍尔位置传感器故障检测与信号矫正[J].微电机,2013,46(9):62-67.[8] 马长山,周波.双凸极电机位置信号的故障诊断与容错控制[J].中国电机工程学报,2008(18):73-78.[9] 倪风雷,朱映远,顾义坤,等.双绕组无刷直流电机容错控制系统的实现[J].电机与控制学报,2010,14(11):69-75.[10] 王德成,林辉.无刷直流电动机驱动系统故障分析[J].微电机,2009,42(3):73-75.[11] 林海,严卫生,李宏.无刷直流电机驱动控制容错方案研究[J].西安交通大学学报,2009,43(2):53-57.[12] 李自成,刘新芝,曾丽,等.无刷直流电机转子位置传感器故障诊断及容错策略[J].微电机,2014,47(4):59-61.作者简介:温嘉斌(1961 ),男,博士,教授,研究方向为电机冷却技术及电机控制㊂(上接第55页)磁轴承的位移未超出偏移范围,磁轴承绕组控制电流未出现异常㊂4 结 语本文介绍了多电发动机磁轴承控制系统架构㊁原理,开展了建模与仿真,设计了PID 算法,实现了模拟发动机转子的五自由度控制,最高运行转速30000r /min;实现了多电发动机在实验台架稳定运行㊂在整个多电发动机运转过程中磁轴承稳定运行,磁轴承控制系统工作性能达到了预期效果,验证了多电发动机技术磁轴承控制的可行性,本文对多电发动机磁轴承控制研究具有较好的借鉴价值㊂参考文献[1] 方昌德.多(全)电发动机[J].机械科学与技术,2002,15(2),54-58.[2] 景敏卿,刘祖军,虞烈.电磁轴承数字控制系统设计及实现[J].机械科学与技术,2003,21(2):199-200.[3] 胡业发.磁力轴承的基础理论与应用[M].北京:机械工业出版社,2006.[4] Gerhard Schweitzer.磁悬浮磁轴承 理论㊁设计及旋转机械应用[M].北京:机械工业出版社,2012.[5] 姜宏伟,谢振宇.基于TMS320F28335DSP 的磁悬浮系统数字控制器研究[J].机械与电子,2010(11):29-32.作者简介:王严伟(1986 ),男,工程师,主要从事航空发动机控制技术研究㊁磁轴承控制技术开发等㊂。
书目1 前言............................................................................................................... - 0 -1.1 无刷直流电机的发展......................................................................... - 0 -1.2 无刷直流电机的优越性..................................................................... - 0 -1.3 无刷直流电机的应用......................................................................... - 1 -1.4 无刷直流电机调速系统的探讨现状和将来发展............................. - 1 -2 无刷直流电机的原理................................................................................... -3 -2.1 三相无刷直流电动机的基本组成..................................................... - 3 -2.2 无刷直流电机的基本工作过程......................................................... - 5 -2.3 无刷直流电动机本体......................................................................... - 6 -2.3.1 电动机定子............................................................................... - 6 -2.3.2 电动机转子............................................................................... - 7 -2.3.3 有关电机本体设计的问题....................................................... - 7 -3 转子位置检测............................................................................................... - 8 -3.1 位置传感器检测法............................................................................. - 8 -3.2 无位置传感器检测法....................................................................... - 10 -4 系统方案设计............................................................................................. - 12 -4.1 系统设计要求................................................................................... - 12 -4.1.1 系统总体框架......................................................................... - 12 -4.2 主电路供电方案选择....................................................................... - 13 -4.3 无刷直流电机电子换相器............................................................... - 14 -4.3.1 三相半控电路......................................................................... - 15 -4.3.2 三相全控电路......................................................................... - 15 -4.4 无刷直流电机的基本方程............................................................... - 16 -4.5 逆变电路的选择............................................................................... - 19 -4.6 基于MC33035的无刷直流电动机调速系统................................... - 20 -4.6.1 MC33035无刷直流电动机限制芯片...................................... - 20 -4.6.2 基于MC33035的无刷直流电动机调速系统设计 ................ - 21 -5 无刷直流电机调速系统的MATLAB仿真................................................... - 23 -5.1 电源、逆变桥和无刷直流电机模型............................................... - 24 -5.2 换相逻辑限制模块........................................................................... - 26 -5.3 PWM调制技术.................................................................................... - 31 -5.3.1 等脉宽PWM法......................................................................... - 33 -5.3.2 SPWM(Sinusoidal PWM)法..................................................... - 33 -5.4 限制器和限制电平转换及PWM发生环节设计............................... - 33 -5.5 系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析................................... - 35 -5.5.1 起动，阶跃负载仿真............................................................. - 35 -5.5.2 可逆调速仿真......................................................................... - 37 -6 总结和体会................................................................................................. - 39 -无刷直流电机调速限制系统设计1前言直流无刷电机，无机械刷和换向器的直流电机，也被称为无换向器直流电动机。
一种抑制无刷直流电机转矩脉动的新方法谢少华;瞿遂春【摘要】对无刷直流电机转矩脉动产生的原因进行全面分析，提出增加前级直流变换器抑制转矩脉动的新方法，使用buck直流变换器，通过调整逆变器的母线电压来抑制转矩脉动，在MATLAB/Simulink环境下基于该方法搭建无刷直流电机仿真模型，并对系统进行仿真分析。
仿真结果表明，该方法能够有效抑制无刷直流电机转矩脉动。
%Analyzes comprehensively the torque ripple causes of brushless DC motor, and proposes a new method of adding the first stage DC converter to control torque ripple. By using buck DC converter and adjusting bus voltage of the inverter to suppress the torque ripple, on the basis establishes brushless DC motor model in MATLAB/Simulink and simulates the system. The result indicates that the method suppresses the torque ripple of brushless DC motor effectively.【期刊名称】《湖南工业大学学报》【年(卷),期】2015(000)005【总页数】5页(P51-55)【关键词】无刷直流电机;buck;转矩脉动;系统仿真【作者】谢少华;瞿遂春【作者单位】湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲 412007;湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲 412007【正文语种】中文【中图分类】TM351无刷直流电机（brushless direct current motor，BLDC）一般采用高性能的永磁体励磁，具有转高的功率重量比、结构简单和调速性能优越等特点，伴随着永磁新材料与电力电子技术特别是大功率开关器件的不断发展，无刷直流电机的应用领域不断拓展。
