摘要： 基于Matlab/Simulink，本文設計了一個無刷直流電機的控制方案，詳細闡述了無刷直流電機的運行原理，并用Matlab/Simulink對其進行了仿真。實驗證明，用Matlab/Simulink開發的平臺能夠有效地實現對無刷直流電機的控制。

隨著汽車電子器件的飛速發展、車用電控單元(ECU)的日新月異，無刷直流電機在汽車電器設備中的應用受到了越來越多的重視。無刷直流電機具有

壽命長、效率高等特點，且適合很多高檔汽車。同時，車內環境的復雜很多機械安裝的困難，在不宜安裝轉子磁極位置傳感器的地方，必須使用無位置傳感器策略驅

動無刷直流電機。本文將介紹一種基于Matlab/Simulink的無刷直流電機的仿真方法。

無刷直流電機運行原理

本文采用理想化的無刷直流電機模型，它具有如下特點：電機定子繞組排列空間對稱;各相電氣參數，如定子每相電阻、每相自感以及相間互感均相同;

電機永磁體轉子產生的磁場在電機氣隙中的空間分布為理想梯形，且平頂部分維持120°電角度;逆變器的功率開關(MOSFET或者IGBT)的導通電阻為

零，關斷電阻無窮大，導通與關斷均不需要時間。

圖1說明了理想無刷直流電動機的運行原理。從圖1中可以看出，當永磁體轉子處于圖1(b)中的0位置時，定子C相和B相上感應出的反電動勢分別

處在正負平頂部分，此時通過觸發功率開關S5和S6使得B相繞組反向導通，C相繞組正向導通，直流電源通過逆變器向B相和C相饋入直流電，且此時兩相繞組

中電流幅值相等、方向相反，ic=-ib。當永磁體轉子又繼續旋轉了60緗嵌齲珻相的反電動勢波形的平頂部分結束，A相反電動勢開始進入平頂部分，因此

要進行C相到A相的換相，此時關斷逆變器C相上橋臂的功率開關，同時觸發A相上橋臂功率開關，如果忽略換相電流的動態過程，逆變器立刻向B相和A相饋入直

流電。依此類推，永磁體轉子每旋轉60緗嵌染投遠ㄗ擁緦鶻謝幌啵溝妹懇皇笨討揮辛較嘍ㄗ尤譜櫚紀ǎㄗ用肯噯譜櫚紀ㄊ奔潿雜ψ有諧?20緗嵌

取：苊饗裕庵摯刂品絞揭還燦?種換相狀態(6×60=360)，在一個電周期內的電流和反電動勢的對應關系如圖2所示。

a)由理想開關構成的逆變器

a)由理想開關構成的逆變器

圖2 定子相電流與反相電動勢理想波形示意圖

可見，理想無刷直流電機的定子相電流具有如下特點：

(1)定子相電流為三相對稱的120講ā?(2)定子相電流與該相反電動勢嚴格同相位。

對于無刷直流電機來說，電樞反應作用很小，氣隙磁場主要取決于永磁體，氣隙磁通密度可以看作是恒定的，這樣電磁轉矩和定子電流成正比，這和它勵

直流電機電磁轉矩和電樞電流之間的關系是一樣的，通過控制定子電流的幅值就可以直接控制電磁轉矩。所以理想無刷直流電機具有和它勵直流電機一樣優良的調速

性能。在車載電傳動系統應用中，通常采用PWM方式對無刷直流電機進行調速。但是在對無刷直流電機PWM調制方式的分析過程中，不僅需要考慮換相時刻的續

流過程，也要考慮PWM調制時的續流過程。定子電流的換相和PWM調制引起的續流現象直接影響轉矩的動態特性以及包含轉子位置信息的無位置傳感器信號的波

形。而續流過程在無刷直流電機理想化模型中是被忽略的，如果完全從理想化模型出發進行分析與設計，會帶來較大的偏差。

基于MATLAB/Simulink的無刷直流電機仿真平臺的開發

無刷直流電機本體的仿真模型

圖3給出了基于MATLAB/Simulink的無刷直流電機仿真平臺整體框圖。

圖3基于MATLAB/Simulink的永磁無刷直流電機的仿真平臺整體框圖

根據永磁無刷直流電機本體的相電壓數學模型，采用MATLAB/Simulink中自帶的常規仿真模塊構造系統仿真模型，如圖4所示，它將電機

的電氣模型和運動學模型全部包含其中，其輸入量為電機各相的相電壓和負載轉矩，輸出為電機各相電流、反電動勢、電機輸出轉矩和轉速。運動學模型另外搭建機

電方程子系統模塊來描述。

(a)電氣部分仿真模型

(b)相反電動勢仿真模型

(c)轉矩動力學部分仿真模型

圖4 無刷直流電機本體Simulink仿真模塊

數值仿真平臺的運行結果

為了驗證永磁無刷直流電機數值仿真平臺的有效性，這里對逆變器、霍爾位置檢測裝置和永磁電機本體組成的轉速開環無刷直流電機控制系統在穩態情況下進行數值仿真并與實驗結果比較。

電壓型逆變器直流母線采用一臺輸出電壓24V，額定輸出電流為60A的開關電源供電，逆變器功率開關采用恒定占空比PWM調制，開關頻率為10kHz。實驗過程中占空比恒定，調制模式為上橋臂功率開關恒通，下橋臂功率開關PWM調制。

圖5給出了轉速穩定在1500rpm時相反電動勢的仿真波形。

(a)仿真結果

(b)實驗結果

圖5 轉速在1500rpm時相反電動勢波形

圖6(a)給出了當轉速達到穩態時定子相電流的仿真波形，圖6(b)給出了相同條件下的實測波形，當前電機轉速為1100rpm，負載為0.5Nm。

(a)仿真結果

(b)實驗結果

圖6 負載為0.5Nm時的定子相電流波形

圖7給出了電機在恒定占空比(20%)控制下從啟動到轉速穩定的動態過程中相電流的波形，以及相應的電磁轉矩和轉速的仿真波形。

圖7 恒定占空比起動時相電流、電磁轉矩和轉速的動態相應的仿真結果

結語

本文對由三相逆變器-永磁電機本體組成的無刷直流電機系統進行了合理假設，在此基礎上開發了基于MATLAB/Simulink的無刷直流電機

調速系統仿真平臺。通過仿真結果和實驗結果的比較可以看出，用S函數編寫的基于多變量開關函數的逆變器模型能夠正確反映120嫉縋J較碌緦骰幌嗪蚉WM

續流過程對逆變器輸出端電壓的影響。數值仿真結果和實驗結果基本吻合，無刷直流電機仿真平臺的有效性得到了驗證。■

參考文獻

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3. 張相軍. 無刷直流電機無位置傳感器控制技術研究：[博士學位論文]. 上海：上海大學

控制理論與控制工程專業，2001

總結

以上是生活随笔為你收集整理的matlab仿真直流电机,[转载]基于Matlab/Simulink的无刷直流电机控制仿真研究的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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