基于SIMULINK的直流电机驱动控制.docx

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基于SIMULINK的直流电机驱动控制

三明学院

毕业论文（设计）

题目：

直流电机驱动控制

系别：

物理与机电工程系

专业：

电子信息工程技术

姓名:

卢碧华

学号：

20080623126

指导老师:

龚俊锋

摘要

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，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。

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直流电机。

本文将介绍一种基于Matlab/Simulink的直流电机的仿真方法。

基于Matlab/Simulink，本文设计了一个直流电机的控制方案，详细阐述了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直流电机的控制。

关键词：

Simulink直流电机脉冲宽度调制

abstract

Alongwiththerapiddevelopmentofautomobileelectroniccomponents,automotiveelectroniccontrolunit（ECU）everchanging,dcmotorvehicleelectricalequipmentintheapplicationbymoreandmoreattention.Dcmotorhavealonglife,theefficiencyhighcharacteristic,andsuitableformanyhigh-gradecar.Meanwhile,thecomplexenvironmentinsidealotofdifficulties,machineryinstallationshouldsnotbeinstalledintherotorpositionsensor'splace,polesmustbeusedforsensorlessstrategiesdrivendcmotor.ThispaperwillintroduceamethodbasedonMatlab/Simulinkofdcmotorofthesimulationmethod.BasedonMatlab/Simulink,thispaperdesignedadcmotorcontrolplan,thispaperexpoundstheworkingprinciplesofdcmotorwithMatlab/Simulinkcarriesonthesimulation.ExperimentshaveprovedthatMatlab/Simulinkdevelopmentplatformcaneffectivelyachievetheofadcmotorcontrol.

keyword：

SimulinkPulsewidthmodulationmotor

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，MATLAB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MATLAB中找到相应的工具箱。

 同时，MATLAB软件中还提供了新的控制系统模型输入与仿真工具SIMULINK,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SIMULINK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。

 将SIMULINK用于电机系统的仿真研究近几年逐渐成为人们研究的热点。

本文以此为基础，运用PID控制，建立了电机控制系统的仿真模型，并通过了可靠的仿真实验。

直流电动机具有良好的起动、制动性能,易于在大范围内平滑调速,故在电力拖动自动控制系统中得到了广泛应用。

随着计算机技术的发展,该课程的教学实验正朝着虚拟现实的方向发展,虚拟现实技术的多感知、交互性、自主性等特点,将有助于培养学生的学习兴趣,拓宽学生。

PID控制是比例积分微分控制的简称。

第一章直流电机的介绍

无刷直流电机是永磁电机的一种，是伴随微电子器件和电力电子器件的研究而出现。

对它的研究其实可以看做是对电机控制系统的研究。

无刷电机的换向是通过外部的电子电路实现，用于换向的装置也起到调速的作用。

没有了电刷与换向器的接触就减少了电火花的产生，也大大降低了电机损耗和噪音，同时使得电机本体体积缩小，重量变轻。

因此无刷电机被应用在很多对电机性能要求较高的领域。

无刷直流电机的不断研究与其特有的优点正在改变着我们的生活，必将得到更大的发展。

本文主要从无刷直流电机的工作原理与物理模型出发，介绍一些目前比较热门的关于无刷直流电机的控制，同时依据电机的物理模型和双闭环控制思路对无刷电机的控制做了仿真研究。

1.1无刷直流电机的工作原理

无刷直流永磁电机的功率逆变器采用120°导通型半桥逆变电路，电机运行时，永磁转子磁极在定子每相电枢绕组内感应生成梯形波的反电动势，驱动电压是准矩形波形，电枢电流时梯形波，在360°电角度的气隙范围内电枢绕组换向6次，每个导通状态持续60°电角度，从而形成6步跳跃式旋转磁场；对星行连接的三相电枢组而言，在运行过程中任何时刻，只有两相通电，每相反电动势与相电流同相位。

无刷直流电机由于去掉了电刷使得电机的运行必须受到外部电路的控制，通过数字控制方式实现电机的换相，同时也可以用软件的方式实现电机的调速。

无刷直流电机主要的控制原理框图如图1所示。

电机通过位置传感器（霍尔传感器）将转子的位置信号送给控制器，控制器根据位置信号发出PWM脉冲来控制开关电源，最后由开关电源根据给定的脉冲信号驱动电机达到稳定运行。

如图1-1

　无刷直流电机由控制器产生的PWM信号来控制桥式逆变电路，具体控制时序为任何时刻有两个桥式电路的IGBT管导通，但两管子不在同一桥臂，每个管导通120°，60°换相一次。

图2是无刷电流电机的主要原理图。

图3为电机6个IGBT管的时序图。

图1-2

图1-3

1.2直流电机的控制策略

1.2.1调速控制

调速控制思路是：

给定转速与速度反馈形成偏差，经速度调节后产生电流参考量，它与电流反馈量的偏差经电流调节后形成PWM占空比的空置量，实现电机的速度控制。

电机的调速控制框图如图4所示。

图1-4

1.2.2转速的测量原理

转速是电机的一个最常用参数，电机的转速常以每分钟的转数来表示，其单位为r／min。

转速的测量方法很多，由于转速是以单位时间内的转数来衡量的，因此采用霍尔元器件测量转速是较为常用的一种测量方法。

霍尔器件是有半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为l、b、d。

若在垂直于薄片平面（沿厚度d）方向施加外加磁场B，在沿l方向的两个端面加以外电场，则有一定的电流经过。

由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小为

式中：

fl—洛仑磁力；q—载流子电荷；V—载流子运动速度；B—磁感应强度。

这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面问的电位差称为霍尔电压。

霍尔电压大小为：

式中：

—霍尔常数；d—元件厚度；B—磁感应强度；I—控制电流

设

，则

为霍尔器件的灵敏系数（mV／mA／T），表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。

应注意，当电磁感应强度B反向时，霍尔电动势也反向。

若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化，根据这一原理，可以将一块永久磁钢固定在电动机的转轴上转盘的边沿，转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，转盘随轴旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响，故输出脉冲信号，其频率和转速成正比，测出脉冲的周期或频率即可计算出转速。

1.2.3直流电动机转速控制系统的工作原理

直流电动机的转速与施加于电动机两端的电压大小有关。

本系统用PID模块控制输出到直流电动机的电压的方法来控制电动机的转速。

当电动机转速小于设定值时，PID模块控制的输出电压增大，当大于设定值时则PID模块控制的输出电压减小，从而使电动机以设定的速度恒速旋转。

我们采用比例调节器算法。

控制规律：

式中：

Y—比例调节器输出；Kp—比例系数；K1—积分系数；e（t）—调节器的输人，一般为偏差值。

系统采用了比例积分调节器，简称PI调节器，使系统在扰动的作用下，通过PI调节器的调节器作用使电动机的转速达到静态无差，从而实现了静态无差。

无静差调速系统中，比例积分调节器的比例部分使动态响应比较快（无滞后），积分部分使系统消除静差。

第二章电机及控制系统仿真模型的建立

2.1直流电机的物理模型

图2-1基于MATLAB/Simulink的永磁直流电机的仿真模型

LinearElectricActuator（ImplementationModel）

ThislinearactuatorconsistsofaDCmotordrivingawormgearwhichinturndrivesaleadscrewtoproducelinearmotion.Theactuatoriscontrolledwithaninner-loopcurrentcontroller,andouter-loopspeedcontroller.ThisisadetailedmodelthatincludesquantizationeffectsoftheHall-effectsensorandtheimplementationofthecontrolinanalogelectronics.Optionally,theimplementationdetailofthePWM&H-BridgesubsystemcanbeincludedbyrightclickingontheblockandselectingtheImplementationoptionfromtheBlockChoicemenu.Themodelwillrunslowlyinthiscaseduetothe10KHzPWMwaveformandisintendedforvalidationonly.TheLinearElectricActuator（System-LevelModel）showsanequivalentsystem-levelmodelsuitablefortaskswheresimulationspeedisimportant.

电子直线加速器（实现模型）

这个线性驱动器由一个组成直流电动机驱动一个蜗轮——反过来驱动器一个导螺杆生产直线运动。

促动机被控制同一个inner-loop电流控制器，outer-loop速度控制器。

这是一个精细模型，包括量化的影响霍尔效应传感器，履行的控制模拟电子技术。

可选择地，履行的细节脉宽灯履行期权从块精选的的菜单。

模型会跑慢慢地在这种情况下由于10khz脉宽灯波形和被打算为确认只要。

线性电力传动装置（系统层次模型）节目一个当量系统层次modelsuitable为任务，模拟速度重要。

2.2电机模型的构成与建立

整个系统建模的关键在于电机模型的建立，为简化模型的建立和分析，现作如下一些假设：

①忽略磁路饱和，不计涡流和磁滞损耗；②忽略齿槽效应，绕组均匀分布于光滑定子的内表面；③不考虑电枢反应，气隙磁场分布近似梯形波，平顶宽度近似120度电角度；④转子上没有阻尼绕组，永磁体不起阻尼作用。

通过SIMULINK中的加、减、乘、除、比例、积分等模块和自编函数搭建电机的仿真模型。

2.3驱动控制模块

对于本文所采用的带有位置传感器的电机控制系统，逆变器的可靠换相是根据位置传感器的转子位置信号进行控制的。

永磁无刷直流电机调速系统一般采用双闭环控制，其中外环是速度环，内环是电流环。

速度给定信号与速度反馈信号比较后，送人速度调节器，速度调节器的输出与电流反馈信号比较后，送人电流滞环比较器或通过电流调节器，电流滞环比较器具有控制简单、性能良好的特点，所以是目前采用得较多的电流控制器。

再根据位置传感器的换相逻辑信号，输出相应的触发脉冲，控制功率器件的导通与关断。

本文主要从验证所建电机模型的正确性和得到电机的原始特性考虑，利用开环控制再加限流的控制方法。

2.4工作过程

如图2-4-1一个输入信号Vi_1加载到R1上，通过反相比例放大器后，输出信号一部分通过RC低通滤波回路反馈到比例反相放大器的反相输入端;一部分输出信号与输入信号Vi_r混合加载到Summingamplifier（总反相比较放大器）。

然后，输出信号V1通过PI控制电路后得到的信号，一部分送给计算绝对返回指定对象的原始值电压需求的回路；另一部分加到反相比较放大器Op-Amp5的反相端，如果各变量V<0，REV=+5V。

最后，输出信号Vr。

如图2-4-2一个输入信号Y加载到R1上，通过反相比例放大器后，输出信号一部分通过RC低通滤波回路反馈到比例反相放大器的反相输入端;一部分输出信号与输入信号Vi_r混合加载到Summingamplifier（总反相比较放大器）。

然后，输出信号V1通过PI控制电路后得到的信号再通过一个积分控制器后得到输出信号Vi_r。

图2-4-1控制器（CurrentController）的系统电路图

图2-4-2速度控制器（SpeedController）的系统电路图

2.5加法【求和】放大器（summingamplifie）

加法器：

加法器的输出量反映出多个模拟输入量相加的结果。

用运算放大器实现加法运算时，可以采用反相输入方式，也可以采用同相输入方式。

如图所示的反相输入加法器，是将两个电压和加在集成运算放大器的反相输入端，显然，它属于多端输入的电压并联负反馈电路。

在理想情况下，利用虚地的概念，可得到输出电压与输入电压之间的关系为：

由图2-3得：

式中负号是由于反相输入所引起的。

若，则上式可变为：

图2-3放大器电路图

2.3.1PI控制

所谓PI指的是Proportion-Integral。

翻译成中文是比例-积分。

比例跟偏差成正比，决定响应速度；积分的作用是使系统稳定后没有静差（如：

你要得到输出是10，积分就能使最后结果是10，静差为0也即没有静差）。

（1）比例积分（PI）调节

■积分调节可以消除静差,但有滞后现象，比例调节没有滞后现象，但存在静差。

■PI调节就是综合P、I两种调节的优点，利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差。

■PI调节规律为：

式中δ——比例带（可视情况取正值或负值）;TI——积分时间;δ和T1是PI调节器的两个重要参数。

PI调节器的传递函数为:

■在施加阶跃输入的瞬间，调节器立即输出一个幅值为Δe／δ的阶跃，然后以固定速度Δe／δTI变化。

当t=T1时，调节器的总输出为2Δe／δ。

输出的积分部分正好等于比例部分。

TI可以衡量积分部分在总输出中所占的比重：

TI愈小，积分部分所占的比重愈大。

（2）比例积分调节过程

■残差的消除是PI调节器积分动作的结果。

■积分部分的阀位输出使调节阀开度最终得以到达抵消扰动所需的位置。

■比例部分的阀位输出Up在调节过程的初始阶段起较大作用，但调节过程结束后又返回到扰动发生前的数值。

1）负荷变化前（t

图2-3-1调节器对过程负荷变化的响应

2）t=t0时刻，系统负荷发生阶跃变化,P调节立即响应偏差变化，产生正的跃变，I调节则从零开始累计偏差。

此后，在PI的共同作用下，调节的总输出持续增加。

图2-3-2PI调节器对过程负荷变化的响应

3）在t=t1时刻，系统开始响应，控制偏差开始减小，P调节紧跟着减小，I调节因偏差仍存在且方向不变，所以继续增加。

I调节的综合结果Δu也仍持续增大使控制偏差进一步减小。

图2-3-3PI调节器对过程负荷变化的响应

4）t=t2时刻，偏差减小至零,P调节作用彻底消失，I调节也停止增长。

果积分时间足够小，此时调节器的输出将大于所要求的值，致使系统产生反向偏差，也即超调。

图2-3-4PI调节器对过程负荷变化的响应

5）t2~t3阶段，偏差反向，P调节作用反向，I调节作用也由增加变为减小，PI调节的整体作用表现为减小，直至从超调位置下降到系统要求的作用点，即图中的t=t3点处，此时偏差从超调处回落到零，系统达到新的平衡。

图2-3-5PI调节器对过程负荷变化的响应

由上分析：

PI调节引入积分动作消除了系统余差，却降低了原有系统的稳定性。

调节过程中的超调趋势随比例增益的增大和积分时间的减小而增大，因此PI调节的比例增益要设置得比纯P调节小，对积分时间的设置也应有一定。

PI调节在比例带不变的情况下，减小积分时间T1将使控制系统稳定性降低、振荡加剧、调节过程加快、振荡频率升高。

图积分时间的响应过程

2.3.2PWM脉冲的生产

脉冲宽度调制（PWM）是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制。

它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。

一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。

脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。

通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。

PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。

电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。

通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。

只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

多数负载（无论是电感性负载还是电容性负载）需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。

如图2-3-2所示：

图2-3-2PWM脉冲生成的系统框图

第三章软件介绍

3.1simulink简介

Simulink是matlab最重要的组件之一，它提供一个动态建模、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处理系统的复杂仿真和设计。

同时有大量的软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。

功能：

imulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。

Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。

为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

Simulink®：

是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。

对各种系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图片处理，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。

.构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。

Simulink与MATLAB®紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。

3.2特点

丰富的可扩充的预定义模块库交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理通过ModelExplorer导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成使用EmbeddedMATLAB™模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式（Normal,Accelerator,RapidAccelerator）来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为

可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据

模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误

第四章　数值仿真平台的运行结果

4.1仿真结果与分析

为了验证永磁直流电机数值仿真平台的有效性，这里对电流控制器、PWM调制控制器和永磁电机本体组成的转速开环直流电机控制系统在稳态情况下进行数值仿真并与实验结果比较。

实验过程中占空比恒定，调制模式为上桥臂功率开关恒通，下桥臂功率开关PWM调制。

图4-1给出了转速稳定在2000rpm时的仿真波形

图4-1仿真结果

图4-2给出了当转速达到稳态时定子相电流的仿真波形

图4-2仿真结果

图4-3给出了电机在恒定占空比控制下从启动到转速稳定的动态过程中的仿真波形

图4-3仿真结果

4.2总结与展望

本文对由电流控制器、PWM调制控制器和永磁电机本体组成的直流电机系统进行了合理假设，在此基础上开发了基于MATLAB/Simulink的直流电机调速系统仿真平台。

通过仿真结果可以看出，在时间t＜1时，转速随着时间的增大而急剧上升直到大于2000rpm；当时间t＞1时，转速随着时间的增大而稳定在2000rpm。

电流在时间t＜1时，随着时间的增大而下降到0；当t＞1时，电流一直保持在0状态。

但对应的脉宽调制而言，t＜1时，增大到3；当t＞1时，稳定在3。

所以，永磁直流电机驱动控制得到了验证。

致谢词

弹指一