Vol. 15 No. 12
系
统
仿
真
学
报
Dec. 2003 JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION
1745
基于
Matlab
无刷直流电机系统仿真建模的新方法
纪志成
1,2
沈艳霞
1,2
姜建国
1
(
1
中国矿业大学, 江苏徐州 221008
2
江南大学, 江苏无锡 214036)
摘
要
在分析无刷直流电机 BLDC 数学模型的基础上 提出了无刷直流电机系统仿真建模的
新方法 在 Matlab/Simulink中 建立独立的功能模块 如 BLDC 本体模块 电流滞环控制模块
速度控制模块等 再进行功能模块的有机整合 搭建无刷直流电机系统的仿真模型 为保证仿真
快速性和有效性 模型采用分段线性法生成梯形波反电动势 系统采用双闭环控制 速度环采用
PI 控制 电流环采用滞环电流控制 仿真结果证明了该方法的有效性 同时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 BLDC 仿真建模 MATLAB 分段线性法
文章编号
1004-731X (2003) 12-1745-05
中图分类号
TP391
文献标识码
A
A Novel Method for Modeling and Simulation of BLDC System
Based on Matlab
JI Zhi-cheng
1,2
SHEN Yan-xia
1,2
JIANG Jian-guo
1
(
1
China University of Mining Technology, Xuzhou Jiangsu 221008, China;
2
Southern Yangtze University, Wuxi Jiangsu 214036, China)
Abstract: Based on the mathematical model of the Brushless DC motor (BLDC), a novel method for modeling and
simulation of BLDC system in Matlab has been proposed. In Matlab/Simulink, the isolated functional blocks, such as
BLDC block, Hysteresis current controller block, Speed controller block, ect., have been modeled. By the organic
combination of these blocks, the model of BLDC can be established easily. To guarantee the validity and speediness in
simulation, the back EMF is generated using piecewise linear curves. In the double loop of control system, a PI controller is
adopted in the speed loop and a hysteresis current controller is adopted in the current loop. The reasonability and validity
have been testified by the simulation results and this novel method offers a new thoughtway for designing and debugging
actual motors.
Keywords: Brushless DC motor(BLDC); modeling and simulation; Matlab; piecewise linear curves
引
言
1
随着电力电子技术 微电子技术 新型电机控制理论
和稀土永磁材料的快速发展 永磁无刷直流电动机得以迅速
推广 因其体积小 性能好 结构简单 可靠性高 输出转
矩大等特点 永磁无刷直流电动机受到了广泛关注
[1]
随着
永磁无刷直流电机应用领域的不断拓宽 对电机控制系统
设计要求越来越高 既要考虑成本低廉 控制算法合理
又需兼顾控制性能好 开发周期短 因此 如何建立有效
的永磁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 从而 对于建立电
机控制系统仿真模型方法的研究具有十分重要的意义
[2-3]
永磁直流电动机根据永磁体在气隙中产生的磁场波形
不同 可分为正弦波永磁无刷直流电机 PMSM 和方波永
磁无刷直流电机 BLDC
[4-5]
PMSM 的气隙磁密为正弦波
分布 反电动势和相电流波形皆为正弦波
[6]
而 BLDC 的气
隙磁密为方波分布 反电动势波形为梯形波 相电流波形为
方波
[7]
Matlab6.5 针对电气传动控制领域所设计的工具箱
SimPowerSystem Toolbox2.3已提供了 PMSM的电机模型 但
收稿日期
2003-06-26
修回日期
2003-08-02
作者简介 纪志成
(1959-), 男, 浙江杭州人, 教授, 研究方向为电力与电
气传动;
沈艳霞
(1973-), 女, 山东淄博人, 讲师, 博士生, 研究方向为电力
电子与电气传动;
姜建国
(1956-), 男, 江苏盐城人, 教授, 博导, 研究方向
为数控调速系统与电气传动
没有给出 BLDC 的电机模型
[8]
因此 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
在 Matlab/Simulink中建立了 BLDC 控制系统的仿真模型
对于在 Matlab 中进行 BLDC 建模仿真方法的研究已受
到广泛关注 例如 已有提出采用节点电流法对电机控制系
统进行分析 通过列写 m文件 建立 BLDC 仿真模型
[9]-[11]
这种方法实质上是一种整体分析法 因而这一模型基础上修
改控制算法或添加 删除闭环就显得很不方便 为了克服这
一不足 文献[12]提出在 Matlab/Simulink 中构造独立的功能
模块 通过模块组合进行 BLDC 建模 这一方法可观性好
在原有的建模基础上添加 删除闭环或改变控制策略都十分
便捷 但该方法采用快速傅立叶变换 FFT 方法求取反电
动势 使得仿真速度很受限制 本文提出了一种新型的
BLDC 建模方法 将控制单元模块化 在 Matlab/Simulink 建
立独立的功能模块 BLDC 本体模块 电流滞环控制模块
速度控制模块 参考电流模块 转矩计算模块和电压逆变
模块 对这些功能模块进行有机整合 即可搭建出无刷直
流电机系统的仿真模型 在建模过程中 梯形波反电动势
的求取方法一直是较难解决的问题
[13]
本文采用分段线性
法成功地化解了这一难点 克服了文献[12]建模方法存在的
不足 仿真结果证明了该种新型建模方法的快速性和有效
性 采用该方法不仅可以节省控制方案的设计周期 快速
验证所设计的控制算法 更可以充分利用计算机仿真的优