基于Matlab的永磁无刷直流电机仿真控制系统

魏江鹏，文程祥，涂世军

（长安大学，陕西西安710064）

基于Matlab的永磁无刷直流电机仿真控制系统

魏江鹏，文程祥，涂世军

（长安大学，陕西西安710064）

首先介绍了永磁无刷直流电机的结构原理及控制方式，然后利用Matlab中提供的永磁无刷直流电机模型，并添加逆变器模块、换向逻辑模块、直流无刷电机模块、直流电源模块等，搭建该电机的转速控制系统，通过调节相应的PID参数获得不同转速，利用仿真实验得到电机仿真数据，给出仿真结果并与理论分析一致。

Matlab；永磁无刷直流电机；仿真控制

永磁无刷直流电机的定子和转子主要是由电枢绕组和永磁磁极组成，利用转子位置传感器检测转子位置信号，通过逻辑换相电路来实现三相电枢绕组电子换向使电机正常旋转。永磁无刷直流电机相比于有刷直流电机，由于摒弃了有刷直流电机的机械式换向结构，所以既保留了有刷直流电机优良的调速和起动特性，又具有效率高，可靠性高，稳定性好，适应性强，维修与保养简单等诸多优点，近年来受到人们的广泛关注，并被应用到各个领域[1]。本文首先介绍永磁无刷直流电机的结构和控制方式，然后根据matlab中给出的直流无刷电机模型，搭建控制系统进行仿真，将仿真结果与理论分析进行了比较。

1永磁无刷直流电机的工作原理

永磁无刷直流电机在结构上和永磁同步电机相同，但其工作原理与永磁同步电机有本质的区别，永磁无刷直流电机三相绕组通梯形波电压驱动而永磁同步电机三相绕组通正弦交流电驱动[2]。无刷直流电机的绕组形式主要有星形绕组和封闭式绕组，绕组形式的不同将影响电机的反电动势波形，进而影响到电机的性能[3]。对于永磁无刷电机，随着电机的旋转，霍尔位置传感器检测到转子磁极的变化，产生电机转子的位置信号，经过电子换相逻辑电路处理，产生六路开关信号驱动V1-V6等六个功率开关器件，从而保证了电机向一个方向连续旋转。其原理如图1所示。

图1 直流无刷电机原理图

以永磁无刷直流电机的二相导通星形六状态为研究对象分析其工作原理。所谓的二相导通星形六状态，就是定子绕组接法是星形接法，每个时刻三相逆变桥只有两相导通，比如A相V1导通B相V6导通。通过功率开关两两导通得到可控的电压，来调节电机的转速。定子三相电枢电流合成磁动势，转子磁场从N极流出又回到S极，换相逻辑电路产生的六路信号使其中两个对应的功率管导通，其余功率管关断。电流从电源正极出发，从绕组的一相流入，再从另一相流出，最后流回电源负端形成一个通路。转子位置传感器即霍尔传感器可以根据转子磁极变化，产生相差120°的U、V、W方波，结合正反转信号产生有效的6状态编码信号：101、100、110、010、011、001[4].控制电路可以根据这些编码信号反映转子位置，并控制功率开关的导通顺序，六个功率开关管导通顺序是：V1V6、V1V2、V2V3、V3V4、V4V5、V5V6.在一个完整的运动过程中，电枢磁动势每过60电角度跳跃一次，转子磁极与定子磁势总是在60°～120°变化，保证电机朝着同一个方向不停地转动。

2永磁无刷直流电机的Matlab仿真

2.1 Matlab仿真模型

在Matlab2015中，simulink给出了永磁无刷直流电机的模型（PermanentMagnetSynchronousMachine），可以很方便地调用该模型。永磁无刷直流电机仿真模型回路如图2所示，该模型通过IGBT功率开关与电机模型相连，通过控制IGBT功率开关的导通和关闭可以使电机得到可调的电压，实现对电机转速的控制。电源和IGBT共同组成逆变器模块，逆变器模块兼具电子换向和PWM电流调节作用[5]。最后通过换向逻辑模块和速度控制模块连接，形成转速调节仿真反馈回路。换向逻辑模块可以根据转子的位置控制IGBT功率开关的导通和关闭，PID速度调节模块可以调节PID参数使目标转速与反馈回路反馈的转速的差值转换为速度控制信号，调节电机达到目标转速。

图2 永磁直流无刷电机仿真模型

2.2 仿真结果分析

通过经验法调节PID控制参数，得到KP=0.1，KI=1，KD=0.05，在Matlab中的仿真结果中，电机输出的转速和扭矩信号如图3所示，电机的转速最终稳定在1000 r/min，达到了预先设定的目标转速。通过图3可以看出电机启动时间较短，且超调量小，电机具有理想的启动特性和转速调节特性。电机的扭矩信号显示，电机在启动阶段转矩升高，由于电机空载，因此转速达到1 000 r/min并稳定后，扭矩基本为0，仿真结果与理论分析一致。实际电机控制过程由于外界因素的干扰，PID参数可能与仿真结果有出入，仿真中的PID参数可做参考使用。

图3 电机转速和扭矩信号

3结束语

本文通过matlab搭建永磁无刷直流电机的转速调节模型，并进行仿真，仿真结果与理论分析预期结果一致，并具有启动迅速，超调量小等优点，使用PID控制方法的得到了理想的结果。该仿真结果可以为电机研究人员提供参考。

[1]刘刚，王志强，房建成.永磁无刷直流电机控制技术与应用[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2]谭建成.永磁无刷直流电机技术[M].北京：机械工业出版社，2011.

[3]夏长亮，方红伟.永磁无刷直流电机及其控制[J].电工技术学报，2012，27（3）：25-34.

[4]李刚，黄海桥.基于MATLAB的永磁无刷直流电机仿真研究[J].电网技术，2007，31（S1）：224-226.

[5]王亚茹，宋晓梅，何程，等.基于Matlab无刷直流电机控制系统仿真[J].西安工程大学学报，2015，29（3）：336-340.

Simulation and ControlSystem ofPermanentMagnetBrushless DCMotor Based on MATLAB

WEIJiang-peng，WEN Cheng-xiang，TU Shi-jiun
（Chang’an University，Xian Shaangxi 710064，China）

This paper first introduces the permanentmagnet brushless DC motor structure principle and control mode，and then use the MATLAB provided in the permanent magnet brushless DC motor model，and add the invertermodule，commutation logicmodule，speed control system of themotor，themotor simulation data obtained through simulation experiments.The simulation results are consistentwith the theory analysis.

MATLAB；permanentmagnet brushless DCmotor；simulation control

TP391.9

A

1672-545X（2016）12-0047-02

2016-09-17

魏江鹏（1990-）男，陕西榆林人，硕士研究生，研究方向：机械电子工程。