基于嵌入式DSP的小功率無刷直流電機控制系統(tǒng)的仿真研究

摘要：無刷直流電機（BLDCM）是最近幾十年迅速發(fā)展起來的一類新型永磁電機，它實現(xiàn)了電子換向取代機械換相。本論文介紹無刷直流電機應(yīng)用領(lǐng)域以及發(fā)展前景，在MATLAB/Simulink的仿真環(huán)境下構(gòu)建了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)模型，提出系統(tǒng)的控制策略，最后進行了仿真驗證。

關(guān)鍵詞：無刷直流電機；電子換向；MATLAB

伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是微集成電路技術(shù)、半導(dǎo)體相關(guān)技術(shù)、數(shù)字信號微機處理技術(shù)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，無刷直流電動機（BLDCM）在多個領(lǐng)域，特別是運動控制領(lǐng)域中占領(lǐng)了一席之地，顯示出廣闊的應(yīng)用前景。[1]無刷直流電機的換向是通過電子換向代替了有碳刷的機械換相方式，所以它具有電機結(jié)構(gòu)簡單，控制精度高，維修方便，市場應(yīng)用范圍廣等優(yōu)勢，正是由于BLDCM的這么多的優(yōu)點才使得它在軍事、注塑機、工業(yè)機器人等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，例如主要應(yīng)用在計算機的光驅(qū)、音響設(shè)備等辦公自動化領(lǐng)域，機械制造業(yè)的機械臂、電梯控制等工業(yè)伺服控制領(lǐng)域以及醫(yī)療器械領(lǐng)域。[2]

1 無刷直流電動機的建模與仿真

在MATLAB7.6的Simulink環(huán)境下，利用Simpowersystems Toolbox提供的豐富模塊庫，在分析 BLDCM數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了建立BLDCM控制系統(tǒng)仿真模型的方法，系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。BLDCM建模仿真系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制方案：轉(zhuǎn)速環(huán)由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成，電流環(huán)由電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器構(gòu)成。[3]

如圖1分析得，BLDCM控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，它的輸入值是速度調(diào)節(jié)器ASR的輸出值與電流反饋量相比較之后的值，得到的值再送進電流調(diào)節(jié)器ACR，輸出PWM控制信號，三相全橋逆變電路再經(jīng)調(diào)節(jié)后的PWM信號驅(qū)動，進而調(diào)節(jié)電樞電流；將參考轉(zhuǎn)速的數(shù)值送進速度環(huán)的輸入端口，再與速度反饋值作比較之后，得到的值再送進速度調(diào)節(jié)器ASR里面，即可獲得電流環(huán)輸入的目標電流值。[4]

經(jīng)過BLDCM轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的詳盡闡述之后，為了實現(xiàn)無刷直流電機的快速啟動，穩(wěn)定運行以及精準換向的要求，[5]在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下，設(shè)計了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制調(diào)節(jié)的仿真模型，并且實施了不同的工作狀況下相關(guān)特性實驗和分析。如圖2所示。

2 仿真結(jié)果

在0.2s時刻設(shè)定轉(zhuǎn)速為1000r/min，待系統(tǒng)轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)態(tài)運行時，在0.5s時刻給定轉(zhuǎn)速為1300r/min，整個過程中系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速變化曲線如圖3所示。

3 結(jié)論

圖3可以看出轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線快速的跟隨著給定轉(zhuǎn)速，表明BLDCM調(diào)速系統(tǒng)的跟蹤特性良好。可以得出結(jié)論，本文所設(shè)計的BLDCM控制系統(tǒng)方案各項性能指標達到了預(yù)期目標，具有良好的靜、動態(tài)性能。

參考文獻：

[1]包曉明.基于DSP的無刷直流電機模糊PI控制系統(tǒng)研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2007.

[2]汪亮.基于TMS320F2808的無刷直流電機控制系統(tǒng)的研究[D].合肥：安徽大學(xué)，2014.

[3]計晶.基于DSP的無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京：北京印刷學(xué)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.直流無刷電機控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].長沙：中南大學(xué)，2013.

作者簡介：李佑虹（1979），男，陜西安康人，碩士，控制工程專業(yè)。