无刷直流电机控制研究+Matlab仿真模型(13)
图4-7 转矩计算模块仿真模型
4.6转速计算模块
根据运动方程（2-8），由负载转矩、电磁转矩以及摩擦转矩，通过加法、乘法和积分环节，即可得到转速信号，求得的转速信号经过积分就可得到电机的位置信号，仿真模型如图4-8所示。
图4-7 转速计算模块仿真模型
4.7电压逆变模块
逆变单元对直流无刷电机来说，是一种功率变换装置，也就是直流电机对应的电子换向器，每一个桥臂上的一个开关器件对应于直流电动机所必需的一个机械换向器，而且还同时兼有PWM类型的电流调节器功能。对逆变单元的建模，本论文采用Simulink的SimPowerSystem工具箱为我们提供的三相全桥IGBT模块。由于在Matlab中（如Matlab2008a）中SimPowerSystem工具箱和Simulink工具箱里的元器件不是随便可以相连的，在两者之间必须加上受控电压源（或者受控电压源、电压表、电流表）。本文给IGBT的A、B、C三相加三个电压表，输出的Simulink信号可以与直流无刷电机直接连接，仿真模型如图4-8所示。逆变单元根据电流滞环跟踪控制模块所产生的PWM控制信号，顺序导通和关断开关器件，逆变单元产生方波电压输出。
图4-8 转速计算模块仿真模型及其封装
4.8 系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析
本论文基于Matlab/Simulink建立了直流无刷电机控制系统的仿真模型，并对该模型进行了直流无刷电机的双闭环控制系统的仿真。仿真中，直流无刷电机的仿真参数设置为：定子相绕组电阻R＝1Ω，转动惯量J＝0.005kg.m2，定子相绕组自感L＝0.02L，互感M＝-0.061H，额定转速n＝500r/min，阻尼系数B=0.0002N•m•s/rad，极对数p＝1，100V直流电源供电。离散PID控制器三个参数Kp=5，Ki=0.01，Kd=0.001，饱和限幅模块幅值限定在±35内，采样周期T=0.001s。为了验证所设计的直流无刷电机控制系统仿真模型的静、动态性能，转矩设为负载TL＝1N•m。
转速响应曲线如图4-9所示，电机带载启动，电机转速能够很快达到给定值。由于转速闭环采用了PID控制，所以电机启动具有很好的动态性能。转矩变化曲线如图4-10所示，定子三相电流如图4-11所示，三相反电动势如图4-12所示。 对于转矩开始电磁转矩大于负载转矩，电机加速，当电机转速稳定在给定值时，电磁转矩等于负载转矩。三相反电动势曲线为梯形波。
图4-9 转速响应曲线图4-10 转矩变化曲线图4-11 三相电流曲线图4-12 三相反电动势曲线
总结
本文在分析无刷直流电机数学模型的基础上，提出了一种新型的基于Matlab的BLDC控制系统仿真建模的方法，将该方法在Simulink环境下结合S函数构建了无刷直流电机仿真模型，采用经典的速度、电流双闭环控制方法对该建模方法进行了测试，仿真和试验结果表明：波形符合理论分析，系统能平稳运行，具有较好的静、动态特性。采用该BLDC仿真模型，可以十分便捷地实现、验证控制算法，改换或改进控制策略也十分简单，只需对部分功能模块进行替换或修改，而Simulink可以非常直接地构造控制系统并观察其结果，同时，该模型提供的各仿真模块具有通用性。因此，它为分析和设计无刷直流电机控制系统提供了有效手段和工具，也为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。
从仿真结果可以看出无刷直流电机的转矩波动非常明显，这不但会产生噪声和振动问题，而且影响这个系统的性能，从而降低电机的使用寿命和驱动系统的可靠性，制约其在高精度、高稳定性场合的应用。抑制无刷直流电机的转矩波动是本领域研究的重点和难点。