基于嵌入式DSP的小功率无刷直流电机控制系统的仿真研究

摘要：无刷直流电机（BLDCM）是最近几十年迅速发展起来的一类新型永磁电机，它实现了电子换向取代机械换相。本论文介绍无刷直流电机应用领域以及发展前景，在MATLAB/Simulink的仿真环境下构建了转速电流双闭环控制系统模型，提出系统的控制策略，最后进行了仿真验证。

关键词：无刷直流电机；电子换向；MATLAB

伴随着科学技术的发展，尤其是微集成电路技术、半导体相关技术、数字信号微机处理技术领域蓬勃发展，无刷直流电动机（BLDCM）在多个领域，特别是运动控制领域中占领了一席之地，显示出广阔的应用前景。[1]无刷直流电机的换向是通过电子换向代替了有碳刷的机械换相方式，所以它具有电机结构简单，控制精度高，维修方便，市场应用范围广等优势，正是由于BLDCM的这么多的优点才使得它在军事、注塑机、工业机器人等领域被广泛应用，例如主要应用在计算机的光驱、音响设备等办公自动化领域，机械制造业的机械臂、电梯控制等工业伺服控制领域以及医疗器械领域。[2]

1 无刷直流电动机的建模与仿真

在MATLAB7.6的Simulink环境下，利用Simpowersystems Toolbox提供的丰富模块库，在分析 BLDCM数学模型的基础上，提出了建立BLDCM控制系统仿真模型的方法，系统设计框图如图1所示。BLDCM建模仿真系统采用雙闭环控制方案：转速环由PI调节器构成，电流环由电流滞环调节器构成。[3]

如图1分析得，BLDCM控制系统的内环是电流环，它的输入值是速度调节器ASR的输出值与电流反馈量相比较之后的值，得到的值再送进电流调节器ACR，输出PWM控制信号，三相全桥逆变电路再经调节后的PWM信号驱动，进而调节电枢电流；将参考转速的数值送进速度环的输入端口，再与速度反馈值作比较之后，得到的值再送进速度调节器ASR里面，即可获得电流环输入的目标电流值。[4]

经过BLDCM转速电流双闭环控制系统的详尽阐述之后，为了实现无刷直流电机的快速启动，稳定运行以及精准换向的要求，[5]在Matlab/Simulink仿真环境下，设计了转速电流双闭环控制调节的仿真模型，并且实施了不同的工作状况下相关特性实验和分析。如图2所示。

2 仿真结果

在0.2s时刻设定转速为1000r/min，待系统转速达到稳态运行时，在0.5s时刻给定转速为1300r/min，整个过程中系统的转速变化曲线如图3所示。

3 结论

图3可以看出转速响应曲线快速的跟随着给定转速，表明BLDCM调速系统的跟踪特性良好。可以得出结论，本文所设计的BLDCM控制系统方案各项性能指标达到了预期目标，具有良好的静、动态性能。

参考文献：

[1]包晓明.基于DSP的无刷直流电机模糊PI控制系统研究[D].镇江：江苏大学，2007.

[2]汪亮.基于TMS320F2808的无刷直流电机控制系统的研究[D].合肥：安徽大学，2014.

[3]计晶.基于DSP的无刷直流电机调速系统的设计与实现[D].北京：北京印刷学院，2015.

[4]LIN Y K，LAI Y S.Pulse Width Modulation Technique for BLDCM Drives to Reduce Commutation Torque Ripple without Caculation of Commutation Time[J].IEEE Transactions on Industrial Applications，2011，47（4）：17861793.

[5]管于球.直流无刷电机控制系统的研究与设计[D].长沙：中南大学，2013.

作者简介：李佑虹（1979），男，陕西安康人，硕士，控制工程专业。