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【摘 要】本文仿真研究的无刷直流电机转速单闭环可逆调速系统主要由无刷直流电机模型、逆变桥、转子位置译码器、ASR、控制电平转换装置及PWM波形发生器等部分构成。其基本工作原理为给定转速与实际转速比较后经转速调节器调节得到控制信号，并通过电平转换装置产生PWM发生器的给定信号，最后PWM波输入到译码器中与霍尔信号和转速偏差信号进行逻辑运算生成逆变桥的开关器件控制信号以实现无刷直流电机的可逆调速。从仿真结果来看，系统成功实现了无刷电机正反转并基本达到了无静差。
【关键词】无刷直流电机；单闭环；可逆调速；仿真
1.引言
由于有刷直流电机机械电刷和换向器之间存在着相对的机械摩擦，所以控制系统寿命短、可靠性差、噪声大并且易产生火花，加上制造成本高及维修困难等缺点，也导致有刷直流电机的调速精度和性能受到了一定的制约。近年来，无刷直流电机在空调器、电冰箱、洗衣机、电动自行车及微型风机等方面均得到了应用，它们大多是输出功率不大的微型与特种无刷直流电动机，而像纺织、印染、机械、轻工等行业所需的与小型交流异步电动机功率等级对应的永磁无刷直流电动机应用才慢慢展开。随着制造业和服务业的进一步发展，无刷直流电动机产业发展空间也会越来越大，且要求其自由正反转的场合也越来越多。因此，本文以无刷直流电机转速单闭环可逆调速系统为对象，进行了仿真研究，得到了正确的仿真结果，这为实际系统的设计提供了很好的理论依据。
2.无刷直流电机转速单闭环可逆调速系统结构
无刷直流电机转速单闭环可逆调速系统结构如图1所示，系统由转速给定、转速调节器、PWM变换、驱动电路及测速反馈等环节构成。
3.无刷直流电机转速单闭环可逆调速系统仿真
Matlab是以矩阵为基本编程单元的一种程序设计语言，它提供了各种矩阵的运算与操作， 并有较强的绘图功能， 是目前国际上最流行的控制系统计算机辅助设计软件。其SIMULINK中增加了功率系统环节库（Power System Blockset），从而可以使其便地实现对电力电子系统的仿真分析。本文就是基于此对无刷直流电机控制系统的控制器进行的仿真分析研究，着重于无刷直流电动机的换相过程及其逻辑控制，最后用Matlab/Simulink对其进行仿真实验。
3.1 电源、逆变桥和无刷直流电机模型
电源直接采用了Simulink＼SimPower System中的直流电源模块，电压为450V。
逆变器采用了Uinversal Bridage（通用逆变桥），此模块即可以用于整流也可以用于逆变，具体跟电流的流通方向有关。显然本设计要用于逆变，具体设置为三桥臂，电力电子器件采用功率MOSFET。模块的g端子的功能为接收6个功率器件的导通信号。内部结构如下图2所示。
在Matlab中，无刷直流电机的模型可以用Simulink中提供的电感、电容等电路元件根据其数学模型建立仿真模型，也可以用S-function编程建立模型。
3.2 换相逻辑控制模块
此模块的功能为将3霍尔传感器信号与结合PWM信号和转速偏差信号译码产生逆变桥开关器件的控制信号，从而实现对逆变桥的受限式单极性控制和无刷直流电机的可逆调速。此模块结构如下图3：
无刷电机采用两两通电方式时，每一次换向都会有一组绕组处于正向通电；第二组反相通电；第三组不通电。转子永磁体的磁场和定子钢片产生的磁场相互作用就产生了转矩，理论上，当这两个磁场夹角为 90°时会产生最大的转矩，当这两个磁场重合时转矩变为 0，为了使转子不停的转动，那么就需要按顺序改变定子的磁场，就像转子的磁场一直在追赶定子的磁场一样。
这里我们研究的是当霍尔元件呈 120°排列时的驱动。表1和表2表示的是电机基于霍尔输入时在A、B、C绕组上的通电时序。表1是转子顺时针转动的时序，表2是转子逆时针转动的时序。
根据上面的换相表用Matlab就可以设计译码器。
3.3 控制器和控制电平转换及PWM发生环节设计
本设计采用了转速单闭环的控制方法，转速调节器采用PI调节器，PI调节器的传递函数可以直接调用simulink中的传递函数或零极点模块，这些模块是线性的，为了充分反映在饱和和限幅非线性影响下调速系统的工作情况，需要构建考虑饱和和输出限幅的PI调节器，线性PI调节器的传递函数如式（1）：
考虑饱和和输出限幅的PI调节器中比例和积分调节分为两个通道，其中积分调节器integrate的限幅表示调节器的饱和限幅值，而调节器的输出限幅值由饱和模块saturation设定。当调节器用作转速调节器ASR时，在起动中由于开始转速偏差大，调节器输出很快达到输出限幅值，在转速超调后首先积分器退飽和，然后转速调节器输出才从限幅值开始下降。由于转速给定直接选取的是转速的实际值，而且仿真时间又较为短暂，所以积分系数太小的话根本无法显示出积分环节的效果。基于此原因PI调节器选取了图4所示的系数。
4.无刷直流电机转速单闭环可逆调速系统仿真结果
4.1起动，阶跃负载仿真
仿真算法采用ode45，仿真参数系统默认，仿真时间0.1秒，给定转速2000，在0.03秒处加载一个大小为4的阶跃负载。转速响应仿真波形如下图6。
5.结论
综合各波形可以看出此系统基本达到了无静差调速调速，从仿真结果可以看出系统较好的实现了可逆调速。注意到当反转时，定子电流的峰值明显大于正转时的峰值，这是因为电机正向制动采用的是电枢反接制动的缘故。
参考文献：
[1]夏长亮.无刷直流电机控制系统.北京：科学出版社，2009.
[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社，2006.
[3]韦敏，贾惠芹.一种小功率无刷直流电动机的数字化控制系统设计.西安石油大学学报，2011：76-78
[4]夏长亮，愈卫，李志强.永磁无刷直流电机转矩波动的自抗扰控制.中国电机工程学报，2006，26（24）：137-142.
[5]Figueroa. J.Simplified simulation methods for polyphase brushless DC motors.Fluid Power Pump and Motor Manufacturing.2003， 63（3）：209.
[6]周凤争，沈建新，王凯，林瑞光.带正反转功能的通用型无刷直流电机控制器设计.微型机 2010，43-44
[7]周渊深.交直流调速系统与MATLAB仿真.北京：中国电力出版社，2007.
作者简介：
雷丹（1981-），女，湖北松滋人，讲师，华中科技大学控制工程硕士，华中科技大学武昌分校电气工程及其自动化教研室副主任。现主持《电力拖动自动控制系统》精品课程建设，在《微电机》、《电子技术应用》、《电气应用》等重要核心期刊上发表论文10余篇。
【关键词】无刷直流电机；单闭环；可逆调速；仿真
1.引言
由于有刷直流电机机械电刷和换向器之间存在着相对的机械摩擦，所以控制系统寿命短、可靠性差、噪声大并且易产生火花，加上制造成本高及维修困难等缺点，也导致有刷直流电机的调速精度和性能受到了一定的制约。近年来，无刷直流电机在空调器、电冰箱、洗衣机、电动自行车及微型风机等方面均得到了应用，它们大多是输出功率不大的微型与特种无刷直流电动机，而像纺织、印染、机械、轻工等行业所需的与小型交流异步电动机功率等级对应的永磁无刷直流电动机应用才慢慢展开。随着制造业和服务业的进一步发展，无刷直流电动机产业发展空间也会越来越大，且要求其自由正反转的场合也越来越多。因此，本文以无刷直流电机转速单闭环可逆调速系统为对象，进行了仿真研究，得到了正确的仿真结果，这为实际系统的设计提供了很好的理论依据。
2.无刷直流电机转速单闭环可逆调速系统结构
无刷直流电机转速单闭环可逆调速系统结构如图1所示，系统由转速给定、转速调节器、PWM变换、驱动电路及测速反馈等环节构成。
3.无刷直流电机转速单闭环可逆调速系统仿真
Matlab是以矩阵为基本编程单元的一种程序设计语言，它提供了各种矩阵的运算与操作， 并有较强的绘图功能， 是目前国际上最流行的控制系统计算机辅助设计软件。其SIMULINK中增加了功率系统环节库（Power System Blockset），从而可以使其便地实现对电力电子系统的仿真分析。本文就是基于此对无刷直流电机控制系统的控制器进行的仿真分析研究，着重于无刷直流电动机的换相过程及其逻辑控制，最后用Matlab/Simulink对其进行仿真实验。
3.1 电源、逆变桥和无刷直流电机模型
电源直接采用了Simulink＼SimPower System中的直流电源模块，电压为450V。
逆变器采用了Uinversal Bridage（通用逆变桥），此模块即可以用于整流也可以用于逆变，具体跟电流的流通方向有关。显然本设计要用于逆变，具体设置为三桥臂，电力电子器件采用功率MOSFET。模块的g端子的功能为接收6个功率器件的导通信号。内部结构如下图2所示。
在Matlab中，无刷直流电机的模型可以用Simulink中提供的电感、电容等电路元件根据其数学模型建立仿真模型，也可以用S-function编程建立模型。
3.2 换相逻辑控制模块
此模块的功能为将3霍尔传感器信号与结合PWM信号和转速偏差信号译码产生逆变桥开关器件的控制信号，从而实现对逆变桥的受限式单极性控制和无刷直流电机的可逆调速。此模块结构如下图3：
无刷电机采用两两通电方式时，每一次换向都会有一组绕组处于正向通电；第二组反相通电；第三组不通电。转子永磁体的磁场和定子钢片产生的磁场相互作用就产生了转矩，理论上，当这两个磁场夹角为 90°时会产生最大的转矩，当这两个磁场重合时转矩变为 0，为了使转子不停的转动，那么就需要按顺序改变定子的磁场，就像转子的磁场一直在追赶定子的磁场一样。
这里我们研究的是当霍尔元件呈 120°排列时的驱动。表1和表2表示的是电机基于霍尔输入时在A、B、C绕组上的通电时序。表1是转子顺时针转动的时序，表2是转子逆时针转动的时序。
根据上面的换相表用Matlab就可以设计译码器。
3.3 控制器和控制电平转换及PWM发生环节设计
本设计采用了转速单闭环的控制方法，转速调节器采用PI调节器，PI调节器的传递函数可以直接调用simulink中的传递函数或零极点模块，这些模块是线性的，为了充分反映在饱和和限幅非线性影响下调速系统的工作情况，需要构建考虑饱和和输出限幅的PI调节器，线性PI调节器的传递函数如式（1）：
考虑饱和和输出限幅的PI调节器中比例和积分调节分为两个通道，其中积分调节器integrate的限幅表示调节器的饱和限幅值，而调节器的输出限幅值由饱和模块saturation设定。当调节器用作转速调节器ASR时，在起动中由于开始转速偏差大，调节器输出很快达到输出限幅值，在转速超调后首先积分器退飽和，然后转速调节器输出才从限幅值开始下降。由于转速给定直接选取的是转速的实际值，而且仿真时间又较为短暂，所以积分系数太小的话根本无法显示出积分环节的效果。基于此原因PI调节器选取了图4所示的系数。
4.无刷直流电机转速单闭环可逆调速系统仿真结果
4.1起动，阶跃负载仿真
仿真算法采用ode45，仿真参数系统默认，仿真时间0.1秒，给定转速2000，在0.03秒处加载一个大小为4的阶跃负载。转速响应仿真波形如下图6。
5.结论
综合各波形可以看出此系统基本达到了无静差调速调速，从仿真结果可以看出系统较好的实现了可逆调速。注意到当反转时，定子电流的峰值明显大于正转时的峰值，这是因为电机正向制动采用的是电枢反接制动的缘故。
参考文献：
[1]夏长亮.无刷直流电机控制系统.北京：科学出版社，2009.
[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社，2006.
[3]韦敏，贾惠芹.一种小功率无刷直流电动机的数字化控制系统设计.西安石油大学学报，2011：76-78
[4]夏长亮，愈卫，李志强.永磁无刷直流电机转矩波动的自抗扰控制.中国电机工程学报，2006，26（24）：137-142.
[5]Figueroa. J.Simplified simulation methods for polyphase brushless DC motors.Fluid Power Pump and Motor Manufacturing.2003， 63（3）：209.
[6]周凤争，沈建新，王凯，林瑞光.带正反转功能的通用型无刷直流电机控制器设计.微型机 2010，43-44
[7]周渊深.交直流调速系统与MATLAB仿真.北京：中国电力出版社，2007.
作者简介：
雷丹（1981-），女，湖北松滋人，讲师，华中科技大学控制工程硕士，华中科技大学武昌分校电气工程及其自动化教研室副主任。现主持《电力拖动自动控制系统》精品课程建设，在《微电机》、《电子技术应用》、《电气应用》等重要核心期刊上发表论文10余篇。