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Ａ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½
½½ ½
½ ½½ Ｓ½½½
½
Ａ ½½ ½ ½½½ ½ ＆ Ｍ ½½½½½
½
½
½½ ½½½
哪
基于 Ｍ ½ ½Ｓ 的
／½ ½½½
½½
½
½ ½
½
无刷直流电机控制仿真研究
■ 英 飞凌 同 济½ ½ 电子 实 验 室 重 蠢
½摘要
厂
½
基于Ｍ ½½ ½½½， 文设计了
½½ Ｓ ½½ 本
½／½ ½
一个无刷直流电机的 方 Ｉ
控制
½案，
详细阐
述了无
刷直流电 运行原理，
机的
并用Ｍ ½½ ½½½ 对 Ｉ
½½Ｓ ½½ 其
½／½ ½
½进行了
仿真。
实验证明，
用Ｍ ½½ ½½½ 开发的
½½ Ｓ ½
½ ／½ ½
½
平台
½够有效地实 ½
：
本 文 采 用 理 想 化 的 无刷 直 流 电
机 模 型 ，它 具 有 如 下 特 点 ：电机 定
子 绕 组 排 列 空 间 对称 ；各 相 电气 参
数 ，如 定 子 每 相 电阻 、每 相 自感 以
及 相 间互 感 均 相 同 ； 电机 永 磁 ½ ½
Ｉ 现对无刷直流电机的控制。
Ｉ度调制
½
½关
键词： ½½ Ｓ ½½仿真工具；
Ｍ ½½ ½ ½½
½ ／½ ½
无刷直流电 仿真
机； 平台；
脉冲½ ½
Ｉ
子 产 生 的磁 场 在 电机 气 隙 中的 空 间
分 布 为 理 想 梯 ½ ，且 平 顶 部 分 维持
的 困难 ，在 不 宜 安 装 ½ 子 磁 极 ½ ½
传 感 器 的地 方 ，必 须 ½ 用 无 ½ ½ 传
感 器 策 略 驱 动 无 刷 直 流 电机 。本 文
将 介 绍 一 种 基 于 Ｍ½½½Ｓ½½½½的
½ ／½ ½
½
½
无刷 直 流 电机 的仿 真 方法 。
１ ０ 电角 度 ；逆 变 器 的 功 率 开 关
２ 。
（
ＭＯＳ Ｅ
Ｆ Ｔ或者 Ｉ
ＧＢＴ 的导 通 电阻为
）
零 ，关 断 电阻无 穷 大 ，导 通 与 关 断
均 不需 要 时 间 。
图 １说 明 了理 想 无 刷 直 流 电动
机 的 运行 原理 。从 图 １ 可 以看 出 ，
中
随 着 ½ ½ 电 子 器 件 的 飞 速 发
展 、½ 用 电控 单元 （
ＥＣＵ） Ｅ新 月
的 ½
异 ，无 刷 直 流 电机 在 ½½ 电器 设 备
中的应用受 到了越来 越多 的重视 。
无 刷 直 流 电机 具 有 寿½ 长 、 效率 高
等 特 点 ，且 适 合 很 多 高 档 ½ ½ 。 同
时 ，½ 内环 境 的 复 杂 很 多 机 械 安 装
无 刷 直 流 电 机 运 行 原 理
½ 永 磁 ½ ½ 子 处 于 图 １½ 中的 ０½
（）
（）
½ 由理想 开关 构成 的 逆 变器
图 ２定 子相 电流 与反 相 电动势 理想 波½ 示意 图
图 ３ 基 于
Ｍ Ｔ ＬＡ ，
Ａ Ｂ
／
½ ＼
。
／
／
／
Ｉ
＼．
½
●
＼
＼．
Ｓ½½ ½ 的永
½ ½½
½
磁 无刷 直 流 电
机的仿真平台
整½ 框 图
＼
。
。
１
０
口
／ ½
。 ½
／
０
３。
６
Ｏ
（） 子 三相 反 电动势 波 ½
½定
图１
Ｃ相上 桥臂 到 Ａ相上桥 臂 的换 相
Ｅ½½ ½Ｄ½½ Ａ½½½½ ½½ ½½Ｅ ½½½ Ｃ½ ½
½½½ ½½ ＆ ½½ ½ Ｗ½－ ½ ½½½½½½ ½ ０３
½½ ½ ½
½ ½ ½Ｎ ½ ½ ½ ½
½
½
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应 用方案 ½ 控与测量
自
（）
½ 电气部 分仿真 模 型
（）
½仿真 结 果
一
…
…
÷ …
…
一
。
０ ：： ：
■ ≥：
（ ） 验结 果
½实
图 ５ 速在 １ ０ ½½ 时相反 电动势波 ½
½
５ ０½
（） 反 电动势 仿真 模型
½相
内的 电流 和反 电动 势 的对 应 关 系 如
图 ２所 示 。
½
½
薯料
．
可见 ，理 想 无 刷直 流 电机 的定
子 相 电流具 有 如 下特 点 ：
（ ） 子 相 电流 为 三 相 对 称 的
１定
（）
½½矩 动力学 部分 仿真 模型
图 ４无刷 直流 电机本½ Ｓ½½½ 仿真 模块
½ ½½
½
½ 时 ，定 子 ½相 和 Ｂ相上 感 应 出 的
反 电动 势 分 别 处 在 正 负 平 顶 部 分 ，
此 时 通 过 触 发功 率 开 关 Ｓ
５和 Ｓ
６½
得 Ｂ相 绕 组 反 向导 通 ， 相 绕组 正 向
½
导 通 ，直 流 电源通 过 逆 变 器 向 Ｂ相
和 ½相 馈 入 直 流 电 ，且 此 时两 相 绕
组 中电流 幅 值相 等 、方 向相 反 ，½ 一
＝
½。½永 磁 ½½ 子 又 继 续 旋½ 了 ６
０
电角 度 ，½ 相 的反 电动 势 波 ½ 的 平
顶 部 分 结 束 ，Ａ 相 反 电 动 势 开 始 进
相 的 换相 ，此 时 关断 逆 变 器 Ｃ相 上
桥 臂 的 功率 开 关 ，同时 触 发 Ａ相 上
１０ 方 波 。
２。
（） 子相 电流 与该 相 反 电动 势
２定
严 格 同相 ½ 。
对 于 无刷 直 流 电机 来 说 ， 电枢
反 应 ½ 用 很小 ，气 隙 磁 场 主要 取 决
桥 臂 功率 开 关 ，如 果 ½ 略换 相 电流
的动 态 过程 ，逆 变器 立 刻 向 Ｂ相 和
Ａ½ 馈 入 直 流 电 。 此 类 推 ， 磁 ½
Ｎ
依
永
½ 子 每 旋 ½ ６ 。 角 度 就 对 定 子 电
０ 电
于 永 磁 ½ ，气 隙磁 通 密度 可 以看 ½
是 恒 定 的 ，这 样 电磁 ½ 矩 和定 子 电
流 成 正 比 ，这 和 它 励 直 流 电机 电 磁
½ 矩 和 电枢 电流 之 间 的 关 系是 一 样
流 进 行换 相 ，½ 得 每一 时刻 只 有 两
相 定 子 绕组 导通 ，定 子 每 相绕 组 导
的 ，通 过控 制 定 子 电流 的 幅值 就 可
以直 接 控 制 电磁 ½ 矩 。所 以理 想 无
刷 直 流 电机 具有 和 它 励 直 流 电机 一
样 优 良的 调 速 性 ½ 。 在 ½ ½½ 电 传 动
系统 应 用 中 ， 常 采 用Ｐ Ｍ方 式对
通
Ｗ
通 时 间对 应 ½ 子 行 程 １ ０ 电角 度 。
２。
很 明 显 ， 种控 制 方 式一 共 有 ６ 换
这
种
相 状 态 （ ×６ ＝ ６ ） 在 一 个 电 周 期
６
０ ３ ０，
入 平 顶部 分 ， 因此 要进 行 ½相 到 Ａ
½ ４２０． 子设
８
０ ０ ３电 计应用 ½ ½½．½½
½，½ ½．
½ ½ ½
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Ａ½ ½ ½ ½ ½ Ｓ ½½ ½ ½
½½ ½ ½ ½ ½
½ ½
½
Ａ ½½
½½ ½½½½ ＆ Ｍ ½½½½½
½
½½ ½½½
无 刷直 流 电机 进 行 调 速 。½ 是 在 对
无 刷直 流 电机 Ｐ Ｍ 调 制 方 式 的分
Ｗ
析 过 程 中 ，不 仅 需 要 考 虑 换 相 时 刻
的 续 流过 程 ， 要 考 虑 Ｐ Ｍ调 制 时
也
Ｗ
的 续 流 过 程 。 定 子 电 流 的 换 相 和
关 频 率 为 １ ½ 。实
０ Ｈ½
验 过 程 中 占 空 比 恒
定 ， 制 模 式 为 上 桥
调
臂 功 率 开 关 恒通 ，
下
桥 臂 功 率 开 关 Ｐ Ｍ
Ｗ
调制。
图 ５ 出 了½ 速
给
稳 定 在 １ ０ ½½时相
５ ０½
反 电 动 势 的 仿 真 波
½。
图 ６½给 出 了 ½
（）
Ｐ Ｍ 调 制 引起 的 续 流 现 象 直 接 ½
Ｗ
响 ½ 矩 的 动态 特 性 以及 包 含 ½ 子 ½
½信 息 的无 ½½ 传感 器 信号 的波 ½ 。
而 续 流 过程 在 无 刷直 流 电机 理 想 化
（）
½仿真结果
模 型 中是 被 ½略 的 ，如 果 完 全 从 理
想 化模 型 出 发进 行 分 析 与 设 计 ，会
带 来 较大 的偏 差 。
½速 达 到稳 态 时定 子
相 电流的仿真波 ½ ，
基 于 Ｈ Ｔ Ａ ，½ Ｉ ½的 无 刷 直
Ａ Ｌ ８Ｓ½½½
½
图６ ½给 出 了相 同条
（）
件 下 的 实 测波 ½ ，
½
流 电 机 仿 真平 台 的 开 发
无 刷 直 流 电 机 本½ 的仿 真 模 型
图 ３ 给 出 了 基 于 Ｍ ＡＴＬＡ Ｂ／
Ｉ
—■
前 电 机 ½ 速 为
１ ½ ， 负 ½½ 为
００ ½½
１
０． ½ 。
５Ｎ
（）
½实验结果
图 ６负½½为 ０５ ½时的定子相电流波½
．Ｎ
Ｓ½½½½的无 刷 直 流 电机 仿 真 平 台
½ ½
½
整 ½框 图 。
图 ７给 出 了 电 机
根 据 永磁 无 刷直 流 电机 本 ½ 的
相 电压 数 学 模 型 ， 采用 ＭＡＴ ＡＢ／
Ｌ
在 恒 定 占空 Ｉ （ ½
￣ ２ ％）
Ｅ
控 制 下 从 启 动 到 ½ 速
稳 定 的 动 态 过 程 中相
电流 的波 ½ ， 以及 相
Ｓ½½½½中 自带 的常 规 仿 真 模 块 构
½ ½
½
造 系 统仿 真 模 型 ， 图４ 示 ， 将
如
所
它
电机 的 电 气模 型 和 运 动 学 模 型 全 部
包 含其 中 ，其 输 入 量 为 电机 各 相 的
相 电压 和 负 ½½½ 矩 ，输 出为 电机 各
相 电 流 、 反 电动 势 、 电机 输 出½ 矩
和 ½速 。运 动 学 模 型 另 外搭 建 机 电
方程 子 系统 模 块 来 描述 。
＾ ½
½
½
½
应 的 电磁 ½ 矩 和 ½ 速
的仿真波½。
’
…
主 三 ．½
…
数 值 仿 真 平 台 的运 行 结 果
为 了验 证 永 磁 无 刷 直 流 电机 数
值 仿 真平 台 的有 效 性 ，这 里 对 逆 变
器 、霍 尔 ½ ½ 检 测 装 ½ 和 永 磁 电机
本 ½ 组成 的 ½速 开 环 无 刷 直 流 电机
了 基 于 Ｍ ＡＴ ＡＢ Ｓ½½ ½½的 无 刷
Ｌ ／½ ½
½
吻合 ，无 刷 直 流 电机 仿 真 平 台 的有
效 性 得 到 了验 证 。一
直 流 电机 调 速 系 统 仿 真 平 台 。通 过
仿 真 结 果 和 实 验 结 果 的 比较 可 以 看
出， ½
用 ½数 编 写 的基 于 多 变 量 开 关
½ 数 的 逆 变 器 模 型 ½ 够 正 确 反 映
１ ０ 导 电模 式 下 电流 换 相 和 Ｐ Ｍ
２。
Ｗ
续 流 过 程 对 逆 变 器 输 出端 电压 的 ½
控 制 系统 在 稳 态 情 况 下 进 行 数 值 仿
真 并 与实 验 结 果 比较 。
电压 型逆 变 器 直 流 母 线采 用 一
台 输 出 电压 ２ Ｖ，额 定 输 出 电流 为
４
６ Ａ 的开 关 电源 供 电 ，逆 变 器 功 率
０
开 关 采用 恒 定 占空 比Ｐ Ｍ调 制 ，
½
开
参考 文 献
１ Ｓ ½ ½ ½ ½ Ｄ ． ½ ½½½ ½ Ａ ½ ½½ ½ ２ ２ ½
． ½ ½ ½ ½ Ｅ½ ½ ½½ ½
½½½ ． ½
½ ½Ｓ ½½ ½
½ ½ ½ ½ ½Ｖ½ ½ ½ １ ９ ． ０ ½ １ ２
½½ ． ９ ５ １ ５
１
２ Ｒ½ ½ ½ ½ ½ Ｇ½ ½ ． ½½ ½½ ½ ½ ￣ ½ ½
． ½ ½
Ｂ½ ½
Ｈ Ａ ½ ½½ ½ ½ Ｓ ½
½
½ ½ Ｋ½½ ½ ½ ½ ½ Ｂ½ ½ ½ ½ ½ ½
½
½ ½ ½ ½． ½ ½½ ½
½ ：Ｖ ½½ ½ ＆
½
½
Ｓ½ ½ Ｖ ½ ½½ ２ ０ ５
½ ½½ ． ０ ２ ３ ８½ ３
８１
响 。数 值 仿 真 结 果 和 实 验 结 果基 本
３ 张 相 军 ． 刷 直 流 电 机 无 ½ ½ 传 感 器控
．
无
制 技 术 研 究 ：博 士 学 ½ 论 文 ½
【
．上 海 ： 上 海 大
学 控 制 理论 与控 制 工 程 专业 ，２ ０
０１
Ｅ ½½½ ½ ½ Ａ½ ½ ½ ½ －½½ ½½½½ ½ ½ ½ Ｓ
½½½ Ｄ½ ＆ ½½ ½ Ｗ½ Ｎ ½ Ｅ ½ ½ Ｃ½ ０
½½ ½ ½
½
￣½
½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½
½
½
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