无刷直流电机控制研究+Matlab仿真模型(11)
电力电子器件的耐压限制着最高泵升电压，因此电容量就不可能很小，一般几千瓦的调速系统所需的电容量达到数千微法。在大容量或负载有较大惯量的系统中，不可能只靠电容器来限制泵升电压，这时，可以采用图4-4中的镇流电阻 来消耗掉部分动能。分流电路靠开关器件 在泵升电压达到允许数值时接通。
图3-4泵升电压限制电路原理图
本设计由于采用MATLAB/Simulink仿真平台进行电路仿真，Simulink模型库中的电力系统模型库(Power System Blockset)里提供了直流、交流电源模块，因此在仿真电路设计中，可直接用直流电源代替三相不控整流直流电源。
3.2逆变电路的选择
脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。脉宽调制变换器是采用脉冲宽度调制的一种直流斩波器。PWM变换器有不可逆和可逆两类：可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等几种电路。
本设计采用受限单极式控制方式。如下图所示，当在两两通电的一个通电区间内逆变桥有两个属于不同桥臂的一上一下开关器件导通，其中上边的器件处于始终导通的状态，而下边的器件受PWM控制处于周期性导通状态。这种控制方式可以减小开关损耗但是当电机电流较小时会出现电流断续的现象。
图3-5 逆变电路3.3控制器的设计
控制器的设计：由于本设计的重点在于无刷直流电机的驱动方法以及仿真上，所以控制器的设计方案将在下一章结合Matlab仿真一并叙述。
4. 无刷直流电机调速系统的MATLAB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。1992年Math Works公司推出了交互式模型输入仿真环境SIMULINK， 它可对采用方框图或微分方程描述的系统进行仿真。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。在本章中将对无刷直流电机控制系统的控制器进行分析研究，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。
BLDC建模仿真系统采用双闭环控制方案,转速环由PID调节器构成,电流环由电流滞环调节器构成。根据模块化建模的思想将控制系统分割为各个功能独立的子模块。把这些功能模块和S函数相结合搭建出BLDC控制系统的仿真模型并实现双闭环的控制算法。
4.1 电机本体仿真模型的建立
根据直流无刷电机的方程式（2-2）建立无刷直流电机的仿真模型如图4-2所示。电机的输入为逆变模块的三端输出电压，输出是其对应的三相电流。电机定子绕组反电势波形为梯形波。其形状与电机电角度有关，其幅值的大小与电机设定转速成正比，因此电机反电势可用函数 表示。根据此原理将三相反电势波形一个运行周期分为6个阶段每一个运行阶段都可用一段直线进行表示根据某一时刻转子位置和转速信号通过直线方程即可求得反电动势波形 从而得到直流无刷电机本体模块如图4-2所示
表4-1为转子位置、转速与电机反电动势之间的函数关系，K为反电动势系数，POS为转子电角度，w为电机转速，根据电机电角度和转速可以反求出电机三相反电动势，仿真模型中可用emf函数可以求出。
由电压方程式(2)可得，要获得三相电流信号ia、ib、ic，必需首先求得三相反电动势信号ea、eb、ec。而BLDC建模过程中，梯形波反电动势的求取方法一直是较难解决的问题，反电动势波形不理想会造成转矩脉动增大、相电流波形不理想等问题，严重时会导致换向失败，电机失控。因此，获得理想的反电动势波形是BLDC仿真建模的关键问题之一。目前求取反电动势较常用的三种方法为：(1)有限元法，应用有限元法求得的反电动势脉动小，精度高，但方法复杂、专业性强、不易推广。(2)傅立叶变换(FFT)法[9]，FFT