基于simulink的永磁无刷直流电机控制新版系统的仿真研究应用.doc

河 北 工 业 大 学毕 业 论 文作 者： 赵孟冉 学 号： 110159 学 院： 机械工程学院 系(专业)： 测控技术与仪器 题 目： 基于simulink永磁无刷直流电机控制系统仿真研究指引者： 杨伟东 专家 (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务)06月01日毕业设计（论文）中文摘要基于simulink永磁无刷直流电机控制系统仿真研究摘要： 永磁无刷直流电动机由于它具备调速以便、构造简朴、易于控制、维护以便、功率密度大等长处,在计算机外围设备、伺服系统、仪器仪表、变频洗衣机、变频空调等家用电器中得到了广泛应用。因而,如果建立永磁无刷直流电动机驱动控制系统和仿真模型,通过度析仿真成果可以有效缩短整个设计系统周期。本文重要研究直接转矩控制方略永磁无刷直流电机模型建立与仿真，并让其成果和双闭环控制系统仿真成果进行对比。依照已知电机参数和实际运营状况,通过MATLAB软件中SIMULINK模块,建立永磁无刷直流电动机控制系统动态模型,并且通过实验验证了成果对的性。核心词：永磁无刷直流电机；Simulink仿真；直接转矩控制；双闭环控制毕业设计（论文）外文摘要Title Model and simulation of permanent magnet brushless DC motor and control system based on SIMULINKAbstractPermanent magnet brushless dc motor due to it is easy to control，simple structure，easy to control，convenient maintenance，the advantages of large power density，in computer peripheral equipment，instruments and meters，servo system，frequency conversion washing machine，frequency conversion air conditioning has been widely used in household appliances. So，if you establish a permanent magnet brushless dc motor drive control system and simulation model，through the analysis of the results of simulation system can effectively shorten the design cycle. This paper mainly research on direct torque control strategy of permanent magnet brushless dc motor model and simulation，and the results were compared with the simulation result of the double closed loop control system. According to the known motor parameters and actual running status，through the SIMULINK module of MATLAB software，set up the dynamic model of the permanent magnet brushless dc motor control system，and the correctness of the results is verified by experiment.Keywords：BLDCM,Simulink simulation，Direct torque control，double closed loop control目 录摘要IAbstractII目 录III1 引言（或绪论）11.1 论文选题背景和意义11.2 国内外研究现状11.3 论文重要研究内容22 无刷直流电动机直接转矩控制理论概述32.1 无刷直流电动机控制理论32.2 无刷直流电动机重要数学模型112.3 无刷直流电动机位置检测143 无刷直流电机直接转矩控制仿真223.1 无刷直流电动机直接转矩控制建模223.2 仿真成果及分析254 仿真成果最后对比29结论32参照文献33道谢361 引言（或绪论）永磁无刷直流电机工作原理：本文选取是三相带传感器永磁刷直流电动机。它有三个霍尔传感器，用来检测转子为值信息，用来换向和计算出转子当前速度信息。每个霍尔传感器相位相差120度、可以均匀 检测到传感器位置。依照不同步刻相绕组通电状况，分为六个工作区间，每个工作区间为60度电角度。在每个工作区间里，都是两相绕组在通电并且哪两个工作绕组是特定。三个霍尔传感器可以得到位置编码，位置编码中每一位为零或者为一，每个编码代表转子所在区间。也就是懂得了转子位置。依照得到传感器位置信息，可以懂得下一步要工作在那个工作区间，也就是让哪两个绕组通电。在程序中每个工作区间可以建立一种表。通过查表来设立通电两个绕组。依照无数直流电机工作基本原理可以懂得，可以通过该该编加在绕组两端电压办法来变化电机转动速度。在实际应用中即变化电机控制芯片发出pwm信号脉宽（或者说占空比）来调节电机速度。如图可以看到导通开关和位置编码。11 论文选题背景和意义随着电子电力技术及新型永磁材料发展讯速成熟逐渐衍生出永磁无刷直流电机（Bru shlessDCMotor，如下简称BLDC）这种新型电动机。它不但保存了普通直流电动机优良机械特性，并且还具备体重量轻、控制精度高、惯性小和体积小这些长处。它逐渐广泛使用在电动交通工具、光驱、智能机器人等范畴。而随着应用范畴不断扩大，成本低廉、控制算法合理、设计简朴、开发周期短也成为了控制系统所需要具备规定。永磁无刷直流电动机控制系统仿真模型建立可以即时验证对系统施加控制算法，观测系统控制输出，有效节约控制系统设计时间。此外还可以充分运用计算机仿真技术优越性，人为地变化系统构造、加入不同扰动和参数变化，以便考察系统在不同构造和不同工况下静态和动态特性。永磁无刷直流电动机具备寿命长、体积小、效率高、重量轻、功率密度大、转动惯量小、调速性能好等特点，已广泛应用在交通、工业、航空航天、军工、伺服控制领域以及家用电器领域。虽然国内和国外在电动机制造技术方面差距不大，但是控制系统研究和开发却需要加大力度。从另一种角度来讲，国内有特别丰富稀土资源，在世界总储量上占75%比例，因而发展永磁无刷直流电动机产业对发展国内经济有特殊意义。1.2 国内外研究现状然而，虽然无刷电机相对于有刷电机而言有诸多无法忽视长处，但是她也同步存在某些自身所固有缺陷，例如说转矩脉动问题， 因而诸多精准控制地点都不能用它。因而国内外诸多对其进行研究。研究方向重要分为两个方面。是对于电动机自身磁体材料问题进行研究。当前国内外在致力于研究找到适当材料使其性能进一步提高。应用传感器作为反馈装置以进行换向，在有些场合例如说腐蚀性场合不太实用。因而近年来诸多专家致力于无传感器控制，她不但可以解决某些场合中，传感器不合用问题。还可以解决转矩脉动问题。此外尚有诸多智能化控制办法也在研究当中。 正式由于有诸多办法可以改进发展潜力巨大，因而近年来无刷直流电机发展非常迅速迅速占领了市场。在非常广泛领域都得到应用，航空航天，计算机CD机，电动交通工具等它发展前程无可限量。固然当前，用位置传感器作为位置反馈开环闭环控制应用非常广泛、技术非常成熟，因而是作为学习研究参照非常好资料。1.3 论文重要研究内容 无刷直流电机以体积小、效率高、构造简朴特点广泛应用于汽车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等领域。本设计采用基于Simulink模型仿真办法，分析并建立出不同控制方略直流无刷电机控制系统，重要研究内容如下：1.控制方略研究，涉及老式双闭环调速和直接转矩控制等方略。2.系统某些模型建立，并学习Simulink电力系统仿真模块使用。3.建立不同方略无刷直流电机调速模型。4.对控制系统进行仿真并分析不同控制方略优缺陷。第1章重要简介国内外永磁无刷直流电动机发呈现状及选题背景和意义,阐述了永磁无刷直流电动机控制原理,着重简介了无刷直流电动机及其控制系统应用和特点。第2章阐述无刷直流电动机直接转矩控制基本,建立无刷直流电动机数学模型,并重点简介永磁无刷直流电动机转子位置检测办法。第3章重要在Matlab/simulink环境下,构建无刷直流电机直接转矩控制模型和双闭环控制模型,得出系统仿真成果,并对成果进行分析,拟定本系统对的性。第4章依照仿真成果得出转矩、转速波形图,分析无刷直流电机转矩脉动因素和抑制办法，并将此两种控制方略得出成果进行比较，分析不同控制方略优缺陷。 最后对论文研究工作进行总结,并指出有待进一步研究工作点。2 无刷直流电动机直接转矩控制理论概述21 控制方案对比要采用何种控制方案是是一方面要解决问题，由教师给出任务书咱们可以很清晰懂得咱们需要做什么，最后需要达到什么效果。但是这个过程如何实现，是需要咱们自己进行好好地规划，整顿出一种可行控制方案。那么问题就来了，这样多方案咱们该选取哪种控制方略呢，下面咱们将对和方略进行对比选取适当控制方案来实现本论文设计规定。2.1.1 双闭环控制方略外环为速度环,速度环使转速跟随给定值变化 ，实现转速稳态无静差 ，并能获得较高调速精度 ，采用积分分离 PI 调节。积分校正往往会使系统产生过大超调量和长时间波动 ，积分分离 PI 算法既保持了积分作用 ，又减少了超调量 ，使控制性能有了很大改进。输出限幅决定于电机容许最大电流。内环为电流环 ，电流环使电流跟随电流给定变化 ，保证起动时电机能获得容许最大电流 ，能提高系统动态性能。电流环采用滞环调节 ，构造简朴 ，电流亦可迅速跟随给定变化 ，切实可行。换相逻辑 H 相称于位置传感器输出调制信号 ，保证电机绕组对的换相。22 总体方案阶段所遇到问题2.2.1 只懂得自己任务却不懂得详细该如何操作查阅CNKI或者论文中与自己任务相似参照文献资料，理解控制方略原理以及方案研究。最佳能找到比较完整实现与你相似功能文献，对她实现环节，以及详细操作过程进行学习。让我对我自己题目工作过程心里有个数。2.2.2 对自己方案可行性与难度控制不理解将自己方案各某些如何做拟定下来后来，先对每一步详细实行过程再次进行分析，拟定哪些某些是重点哪些某些是难点，哪些是重点要攻克问题，对于所需要时间进行一种自己预计。然后拿着自己规划好方案给教师看以拟定方案与否可行。2.2.3 如何学习一种新软件问题在毕设过程中不可避免需要学习新软件，学习软件有诸多办法，例如说可以通过网上视频，图书馆书籍，尚有学长。那么如何学习才干在短短时间内迅速学会一门软件并且可以纯熟运用呢？下面我将简介一下我某些学习过程中心得：第一我觉如果在学习一门新技能时候可以有一种比较懂这个技能人在一边对你进行指引，那此办法固然是最快捷一种方式啦。但是人们也都是很忙不一定每个人学习一项技能都能遇到始终在你身边帮你人，核心时刻还是要靠自己。我学习办法是在网上下了视频教程，尚有电子版书籍。固然这两个办法都比较需要投入大量时间，我并不是同步进行这两种办法，而是两种办法互为补充。一方面看视频，对使用这个软件整体工作流程进行理解，并跟随她所给例子一同练习。这样看下来基本上就可以比较熟悉运用某些简朴功能了，但是你要做工作并不是和例子一模同样特别是当软件中有些东西你不懂得代表什么意义，或者应当如何选取时候，这是电子参照书就会是较好选取，此时你已经懂得你所需要在哪一某些了就可以直接去参照书中相应模块去找。参照书普通都是相应模块进行编写，如果按顺序看下来很耗时且对工作流程不能整体把握，因而我办法是以视频为准。用参照书进行补充和消除疑问。2.1 无刷直流电动机控制理论无刷直流电动机控制系统重要有矢量控制和直接转矩控制。下面我将对这两种控制方式进行简朴简介。(1) 矢量控制 在无刷直流电动机系统中应用比较多控制方式就是矢量控制。无刷直流电动机转差为零,因此控制效果受到转子参数影响比较小。而电子电流矢量则担着比较重作用，其分解为两个分量，一种用于产生磁通，一种用于产生转矩，然后各自分别再进行计算转换调节，从而使得电流大小和相位得到较好地控制。综上来看，矢量控制和无刷直流电动机结合还是可以达到咱们想要得到比较好控制效果。(2) 直接转矩控制直接转矩控制(direct torque control，DTC)采用定子磁场定向和空间矢量概念，通过检测定子电流、电压，直接在定子坐标系下观测电机磁链、转矩，并比较此给定值和观测值，经滞环控制器作用使得差值得到相应控制信号，再依照当前磁链状态来选取相应电压空间矢量，来达到对电动机转矩直接控制。它从功能上可以划分为2某些：第1某些为定子磁链控制和观测，目是为了选取适当电压空间矢量，以便它产生六边形磁链；第2某些为转矩控制和观测，目是为了实现转矩瞬时控制。近年来，直接转矩控制在同步电机中特别是在永磁同步电动机中应用国内外已有大量文献报道，但是，将这种控制方式应用于永磁无刷直流电动机研究还不多。由于永磁无刷直流电动机具备位置传感器，并且当电动机持续运营时由位置传感器给出电压空间矢量正好可以在电动机定子上产生六边形磁链，因此一方面咱们可以省略掉其磁链观测某些，使得控制系统构造得到简化，另一方面咱们可以运用它高动态性，以此来控制电动机转矩波动，使转矩波动被限制在规定好范畴里，前提是当直接转矩方略被用于永磁无刷直流电动机时。直接转矩控制和矢量控制相比,不需要电流解耦,而是直接控制电动机转矩和磁链,因而它有较强优势体当前控制性能。这种控制方式不但使计算量大大减少了，并且有效提高了控制算法效率。通过上边对比分析咱们很容易就可以看出直接转矩控制技术与矢量控制技术相比呢具备如下特点:(1) 直接转矩控制技术是直接在定子坐标系下分析交流电动机数学模型,进而控制电机转矩与磁链。因此省略掉了矢量控制中旋转坐标系与静止坐标系复杂变换计算,内部信号解决更加简朴以便,更容易实现系统实时控制。(2) 直接转矩控制技术采用不同阶数滞环调节器、设立不同滞环环差以及不同负载及电机速度都会影响逆变器实际开关频率，控制起来比较简朴便捷，并且收电动机参数影响比较小。直接转矩控制采用是定子磁链式磁场定向,这样紧需测得定子电阻,而矢量控制则需要转子磁链作为磁场定向,因此只有懂得了转子电阻和电感才可以观测,因此说定子磁链和转子磁链磁链观测模型相比还是定子磁链模型相对简朴某些。(3)直接转矩控制技术重要是强调转矩直接控制和达到效果,而这句话包括了转矩直接控制和直接进行转矩控制两层含义。矢量控制重要是通过控制定子电压、电流、磁链等某些物理量来间接控制转矩,而直接转矩控制则采用是转矩闭环控制来直接控制转矩。因此对它而言它目并不是获得正弦波电压、电流以及圆形磁链,而只是为了追求转矩控制迅速性和精确性。(4)直接转矩控制这种直接控制方式咱们称之为“直接自控式”。这种“直接自控式”思想就是以转矩为中心来进行转矩、磁链控制,然后通过转矩两点式调节器将转矩检测值和给定转矩值进行滞环比较,把转矩波动限制在一定容差范畴内,实现对转矩和磁链直接控制。因此直接转矩控制只取决于对转矩控制实际状况,不受电机实际数学模型影响,这样既简朴又直接。(5)直接转矩控制技术重要是运用空间矢量分析办法,用两点式调节器(Bang-Bang控制)直接控制逆变器六个开关器件开关状态,对电机转矩和磁链进行直接控制。这样不但动态响应比较快并且开关损耗也会比较小。当前DTC方略定子磁链重要以2种方式运营:一种是1985年由德国鲁尔大学M.Depenbrock专家提出直接自控制,直接自控制方案是针对大功率交流传动系统电压型逆变器驱动感应电机提出来控制方案。由于当时采用大功率gto半导体开关器件，考虑到器件自身开通、关断比较慢，尚有开关损耗和散热等实际问题，gto器件开关频率不能太高。当时开关频率要不大于1khz，普通只有500600hz。而即便到当前，大功率交流传动应用场合中开关频率也只能有几khz。在较低开关频率下，直接自控制方案采用是运用两点式电压型逆变器六个非零电压矢量，按照预先给定定子磁链幅值指令顺次切换六个矢量，从而实现了预设六边形定子磁链轨迹控制。在定子磁链自控制单元基本上通过实时地插入零电压矢量来调节电机转矩在适当范畴内这是转矩自控制单元功能。当前,该方式在某些元器件开关频率规定不高领域应用比较广泛,但是该方式缺陷是电流、电压波形畸变严重,在低速状况下转矩脉动比较大。另一种则是由日本学者LTakahasi提出定子磁链运动轨迹按照圆形跟踪控制方式。此控制方案是现今研究最多一种dtc方案，它采用了查询电压矢量表办法来对定子磁链和电机转矩同步进行调节:依照定子磁链幅值与电机转矩滞环式bang-bang调节器、定子磁链矢量空间位置形成查表所需信息，从电压矢量表中直接查出应施加电压矢量相应开关信号，以此来控制逆变器。这种控制方式重要是实时检测电机磁链与转矩误差,结合电机定子磁链空间所在位置来选取相应开关矢量，采用了准圆形定子磁链轨迹以保证定子磁链幅值基本不变。固然这也就使得开关频率有较大增长，同步也减少了电机噪声、损耗和转矩脉动,但是总来说控制方式还是不简朴。2.1.1 无刷直流电动机与其她类型电动机作比较普通直流电动机,将电力电子元器件代替了换相刷,再加上闭环控制系统和转子位置检测系统,就成了无刷直流电动机,无刷直流电动机转矩大小与电流成正比，它即像感应电动机那样不需要电刷,又具备直流电动机优良调速性。咱们惯用无刷直流电动机可以通过磁场形状不同分为:一种是正弦波无刷直流电动机，另一种是方波无刷直流电动机,为了以便分别,普通把第一种称永磁同步电动机,而将第二个称无刷直流电动机。而将无刷直流电动机与有刷直流电机和感应电动机相比，无刷直流电动机有许多长处，固然也有某些缺陷。BLDC需要维护较少，因而和有刷直流电动机相比寿命更长某些，与同大小有刷直流电动机和感应电动机相比，无刷直流电动机可以产生输出功率比有刷直流电动机和感应电动机都要大。由于BLDC电动机转子所用材料和别电动机不太同样而是采用永磁体制成，因此BLDC电动机转子惯性很小。这就使工作周期得到减少，由于转子惯性小使加速和减速特性得到较好改进，因此工作周期减少。对于转速调节预测咱们可以依照线性转速、转矩特性来判断。在检修空间很小地方和维护比较困难应用里，BLDC电动机是很不错选取。由于BLDC电动机不需要检修电阻。无刷直流电动机运营时产生噪音比有刷直流电动机小得多，并且它尚有效减少了电磁干扰（Electromagnetic Interference）。表1对无刷直流电动机与有刷直流电动机之间比较进行了总结。表2比较了B无刷直流电机电机与感应电动机。表1：将无刷直流电动机与有刷直流电动机比较特性BLDC电动机有刷直流电动机换向依照霍尔位置传感器进行电子换向采用电刷换向维护由于无电刷而较少需要需要定期维护寿命较长较短转速/转矩特性平坦-在负载额定条件下，可在所有转速下正常工作中档平坦-转速较高时，电刷摩擦增长，因而减小了有用转矩效率高-没有电刷两端压降中档输出功率/体积高-由于出众散热特性而缩小了体积。由于BLDC电机将绕组放在了连接至电机外壳定子上，因而散热更好。中档/低-电枢产生热量散发到气隙中，这是气隙中温度升高，限制了输出功率/体积规范。转子惯性小，由于转子上有永磁体，这改进了动态响应较大转子惯性限制了动态特性转速范畴较高-无电刷/换向器施加机械限制较低-有点刷机械限制产生电子干扰低电刷中电弧会对附近设备产生电磁干扰制导致本较高-由于其中有永磁体，制导致本较高低控制复杂且昂贵简朴且便宜控制规定要保持电机运转，始终需要控制器，还可使用这一控制器控制转速固定转速不需要控制器，只有需要变化转速时才需要控制器表2：将无刷直流电动机与感应电动机比较特性BLDC电动机交感应电动机转速/转矩特性平坦-在负载额定条件，可在所有转速下正常工作非线性-低转速下转矩也低输出功率/体积高-由于转子采用永磁体，对于给定输出功率可以实现较小体积中档-由于定子和转子均有绕组，输出功率与体积之比低于BLDC转子惯性小-动态特性较佳大-动态特性较差起动电流额定值-无需专门起动电路大概是额定值7倍-应谨慎选取适当起动电路，普通使用星形-三角形起动器控制规定要保持电机运转，始终需要控制器，还可使用这一控制器控制转速固定转速不需要控制器，只有需要变化转速时才需要控制器差额定子和转子磁场频率相等转子运营频率低于定子，差值即为差额，随着电动机负载增长该差额也增长2.1.2 无刷直流电动机主电路及工作方式 永磁无刷直流电动机简化DTC技术，因其基本工作原理，当电动机运营于额定转速如下恒定转矩区时，定子磁链可以形成不规则六边形，在稳态转矩脉动规定不是特别高场合，可以省略掉磁链闭环控制，而是依照转矩闭环和定子转子相对位置来选取合理空间电压矢量来实现迅速动态响应，其控制系统比常规直接转矩控制技术更简朴，能对非抱负反电势引起转矩脉动和换流引起转矩脉动起到较好抑制作用。与交流电动机直接转矩控制技术相比，永磁无刷直流电动机空间电压矢量和电磁转矩求取公式不同。永磁无刷直流电动机采用二二导通方式，因此空间电压矢量和采用三三导通方式交流电动机不同样，与之对比超前30电角度。由于永磁无刷直流电动机气隙磁场是梯形波磁场，这不同于三相异步电动机和永磁同步电动机正弦波磁场，并且由于永磁无刷直流电动机自身特性，转矩计算公式不能采用三相异步电动机和永磁同步电动机直接转矩控制中转矩计算公式。本文对空间电压矢量和电磁转矩求取作了推导。 三相无刷直流电动机是由电励磁式同步电动机发展而来,电励磁被永磁体代替,从而略去励磁线圈、滑环和电刷,而它定子构造则与电磁式同步电动机大体同样。本文中所采用无刷直流电动机电动机在市面上很常用为三相对称绕组无刷直流电动机。而依照三相星形连接和角形连接,以及逆变器桥式和非桥式,无刷直流电机主电路则可分为角形连接三相桥式三种、星形连接三相桥式、星形连接三相半桥式。本文采用星形连接三相桥式主电路,下面详细简介这种主电路构造原理。图2.1星形连接三相桥式主电路(a) VT1 VT6导通,A、B相通电(b) VT1、VT2导通,A、C相通电(c) VT3、VT2导通,B、C相通电(d) VT3、VT4导通,B、A相通电图2.2转子位置如图2.1所示,就是星形连接三相桥式主电路,图2.2为转子不同位置时电流导通规则,当转子到达图2.2(a)位置时,电机位置检测系统就会将转子当前位置信号传给逆变器,控制系统使A、B两相所相应开关导通,即图2.1中、,此时电流从电源正极流出,通过、A相绕组、B相绕组、流入电源负极,这个电流过程中,电机定子产生磁场作用在转子上使电机按图2.2(a)所示方向旋转,通过一段时间后转子到达了图2.2(b)所示位置时,电机位置检测系统就会再将转子当前位置信号传给逆变器,控制系统则会使A、C两相相应开关导通,即、,电流从电源正极流出,经、A相绕组、C相绕、经回到电源负极,这个电流过程中,电机定子产生磁场作用在转子上使电机按图2.2(b)所示方向旋转。依此规律,转子依次到达图2.2(c)和图2.2(d)位置,最后再回到图2.2位置,不断运营下去。图2.1中,当检测到转子当前位置信号时,控制功率 关办法有两种:二二导通方式和三三导通方式。当在同一种时间点内,导通开关是两个时,就是二二导通方式,也称为星形三相六状态方式,同理可知,当在同一种时间点内,导通 关是三个时,就是三三导通方式。如图2.2(a)所示,为二二导通方式下电流方式,此时如增长C为流入电流,Z为流出电流,则就变为三三导通方式。从理论上来看,三三导通方式下,电机将获得更大转矩,事实上,三三导通方式在换相过程中,由于器件延迟,极也许导致前一状态打开 关没关于闭,而后一状态需要打开开关打开,导致短路,烧毁元器件,而二二导通方式由于中间有60间隔作为换相缓冲,则不存在这样问题,因此咱们选取二二导通方式作为电机换相控制方略。2.2 无刷直流电动机重要数学模型 2.2.1 无刷直流电动机数学模型 在建立数学模型前，咱们先假设：(1)忽视电动机铁心饱和，不计磁滞损耗和涡流损耗；(2)忽视磁槽效应，电枢导体持续且均匀分布于电枢表面；(3)不计电枢反映，气隙磁场分布近似以为是平顶宽度为120电角度梯形波；(4)驱动系统逆变电路功率管和续流二极管均具备抱负开关特性；(5)三相定子绕组对称。这样通过推导就可以得到永磁无刷直流电机电压方程如式2.2所示: （2.2）其中，为定子相绕组电压；为定子相绕组电流；为定子相绕组各相感应电动势；r为每相绕组电阻；L为每相绕组自感；M为每相绕组间互感。依照绕组星形连接原理，因此，因此式2.2转化后如下式2.3所示： （2.3） 由此可作出无刷直流电机等效电路图如图2.4所示。 图2.4无刷直流电机等效电路图2.2.2 无刷直流电动机反电势无刷直流电动机转动过程中，每一种绕组将会产生名为反电动势电压。由楞次定律可知，反电动势电压方向和绕组主电压相反。同步它极性和励磁电压也是相反。决定反电动势因素有三个：一为转子角速度，二为转子磁体产生磁场，三为定子绕组匝数。当选定好电动机模型之后，相称于是二和三这两个因素就是固定了，剩余转子角速度（或转子转速）就是唯一可决定反电动势因素。其随着转子转速提高得到增长。可通过电枢绕组电磁功率求得电动机转矩公式如下式2.7所示: （2.7）其中，为角速度。如图2.5(a)所示为BLDC电动机主磁通波形,而它反电势波形应当与主磁通波形接近,为了简化计算过程，咱们可以将图2.5（b）梯形波近似以为是它反电势波形。设一根处在磁场中导线长度为,导线在磁场中速度为v,那么感应电动势和电机转速公式如下式2.4和式2.5所示: （2.4） （2.5）其中，D为电枢直径；p为电机极对数；为极距；n为电机转速。（a）BLDC电动机反电势波形（b）BLDC电动机反电势近似波形图2.5BLDC电动机反电势波形和近似波形2.2.3 空间电压矢量求取BLDC电动机普通采用二二导通方式，二二导通就是说在每一种时间点仅有2个开关管是导通状态，并且是上下桥各占一种，通过计算咱们可以算出八中开关状态并且每一种开关管都要持续导通120电角度，这样咱们就需要6位二进制数，下面列出咱们所用到其中状态：(000000)、(100001)、(001001)、(011000)、(010010)、(000110)、(100100)，用0和1来表达开关管断开和导通。例如(100001)表达是A相下桥臂断，上桥臂通，B相直接断开，C相则和A相刚好相反而是上桥臂断，下桥臂通，7种空间电压矢量分别相应7种开关状态。，其中，为空间电压矢量求取公式。当求取电量时，由等效电路图和开关状态可知：，。从而可得：。依照上述办法可求得剩余各空间电压矢量。然后将各空间电压矢量表达在A-B-C平面如图2.6所示，从图中咱们可以看出各电压矢量之间相差电角度为60，永磁无刷直流电动机空间电压矢量电角度超前了30和异步电机以及永磁同步电机相比。图 2.6 BLDC电动机空间电压矢量和定子磁链轨迹2.3 无刷直流电动机位置检测 市面上常用用来检测BLDC电动机转子位置办法呢大体有两种：一是无位置传感器检测，二是有位置传感器检测，但是当前有位置传感器维护不以便并且成本较高，尚有就是近来各种信号解决器功能完善以及电子电力技术发展，使得无位置传感器检测办法得到较好地发展并且正一步一步成为主流。2.3.1 有位置传感器检测 电磁式、光电式和磁敏式位置传感器常惯用于永磁无刷直流电动机位置检测中。电磁式位置传感器又可分为开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关电路等,电磁式位置传感器具备可以适应复杂多变环境、检修以便且不易损坏,可以提供信号强度高等特点,多用于潜艇、航天等领域。世界上第一台无刷直流电机使用霍尔元件传感器属于磁敏式位置传感器。它也是市面上使用最广泛一种位置传感器,由于霍尔元件性价比较高,生产工艺简朴,可以大规模生产。由于霍尔元件电动势很低,在使用时都需要接放大器。普通霍尔集成电路由霍尔元件和辅助电路封装而成。霍尔集成电路提成线性型和开关型两种。前者在位置传感器里应用比较多。而实际中霍尔开关使用方式可分为两种:第一种是将霍尔开关粘贴在电动机端盖表面;而第二种是直接把霍尔开关粘贴在绕组端部距离铁心近来处或者贴在定子电枢铁芯表面,前者在接近霍尔开关地方安装着同步于电动机轴永磁体,而后者则是运用电动机转子上永磁体来获得转子信号,以此来判断转子位置。光电式位置传感器原理接近咱们常用红外线接发器,依照光信号接受器收到信号间断来判断转子位置。当遮光盘上开口对着某个光敏接受元件时,该光敏元件因接受到对面发光二极管发出光而产生光电流输出;而其她光敏接受元件时,该光敏元件因未接受到对面发光二极管发出光而不产生光电流输出。这样,随着转子转动,遮光板使光敏元件轮流输出“亮电流”和“暗电流”信号,以此来判断转子磁极位置。2.3.2 无位置传感器位置检测办法简介 当前通过前边学习咱们已经大概懂得了通过霍尔传感器给出转子位置进行换向过程。永磁无刷直流电动机还可依照监视反电动势信号代替霍尔传感器信号以此达到换向目。由图2.7咱们可以看出霍尔传感器与反电动势之间联系。每次换向时都会是第一种绕组得到正电，第二个绕组得到负电，第三个绕组保持开路状态。由图2.8可以看出，霍尔传感器信号变化状态是在反电动势电压极性从正变为负或从负变为正时。在抱负状况下，这种状况应在反电动势穿过零值时发生，但实际情下由于绕组特性因此会有延时。此延时补偿由单片机补偿。图2.7展示了无刷直流电动机无传感器控制框图。图 2.7 霍尔传感器信号、反电动势、输出转矩和相电流图 2.8 BLDC电动机无传感器下控制框图要考虑另一种方面就是电动机转速特别慢状况。由于反电动势和转子转速成正比，因此当电动机从静止状态起动时必要采用开环控制，待有足以检测到过零点反电动势时，才转而采用反电动势检测控制。可检测到反电动势最低转速可通过该电动机反电动势常数算出。 采用此种办法换向无需霍尔传感器，在某些电动机中就算霍尔传感器磁体也不要这个了。此种简化构造大大节约了成本。使用无传感器电动机有诸多优势，例如电动机在多灰多油环境中运营时，需要时常清洁状况下还是很适合使用这种无位置传感器。电动机安装在很难检修位置也还是很适合用此传感器。2.3.3 电磁转矩预计DTC控制核心就是电磁转矩求取精确度。永磁无刷直流电动机磁密是梯形波分布，因此采用异步电动机和永磁同步电动机直接转矩控制中转矩计算公式已不再实用。虽然可以用公式(2)求取电磁转矩，但是反电势是一种难以测取量。有文献研究依照转子位置、转子速度与反电势关系来求取反电势，即以为在反电势平顶波是120电角度，幅值是反电势系数与速度乘积。如图2所示A相反电势，以分段函数形式可以写出转子在不同位置时A相绕组反电势，同样得到互差120B相、C相反电势，再将各相反电势代入公式(2)求取电磁转矩。但是这种求取办法规定反电势是抱负梯形波，平顶波宽度为120电角度，斜边斜率恒定，忽视电磁因素、电枢反映、制造工艺、齿槽因素对平顶宽度及平度影响。电磁转矩精确度是直接转矩控制核心。本文通过实时测取永磁无刷直流电机相电压、电流来求得电磁转矩。由于是实时测量值，精确度高。在忽视直轴、交轴耦合状况下，永磁无刷直流电机电磁转矩可以表达到同步旋转d-q坐标系上公式： （3）P是极对数，是定子等效电感在两相似步旋转坐标系d-q上分量，是转子磁链在两相似步旋转坐标系d-q上分量，是定子磁链在两相似步旋转坐标系d-q上分量，是定子电流在两相似步旋转坐标系 d - q 上分量，是转子位置。对于面贴式隐极永磁无刷直流电机，将此式代入式(3)。定子磁链与转子磁链关系式如下： （4）将此式代入式(3)，最后得到电磁转矩公式(5)： （5）将上式转换到两相静止坐标系下得电磁转矩公式(6)： （6）本文就是用公式(6)求电磁转矩，其中是转子磁链在两相静止坐标系-上分量，需要用公式求取；是定子电流在两相静止坐标系-上分量，通过测量得到；转子位置也是测量得到。公式(6)中转子磁链求取公式为： （7）其中是定子每相绕组自感，是定子磁链在两相静止坐标系-上分量，依照测得定子电压、电流求得，公式为： （8）是定子电压在两相静止坐标系-上分量，R是每相绕组电阻。3 无刷直流电机直接转矩控制仿真3.1 无刷直流电动机直接转矩控制建模常规DTC是依照电磁转矩误差、定子磁链误差和定子磁链所在扇区这三个值通过查开关表得到应施加上述空间电压矢量，使得定子磁链沿着圆形轨迹旋转，最后达到减小电磁转矩脉动目。因永磁无刷直流电动机基本工作原理，即依照定转子相对位置施加空间电压矢量，定子磁链能形成如图2.6所示不规则六边形，幅值变化很小，在稳态转矩脉动规定不是特别高