模糊pid直流电机调速系统仿真研究毕业设计

模糊pid直流电机调速系统仿真研究毕业设计内容摘要：

通有刷直流电动机定子磁极，用具有多相绕组的定子来取代电枢，用电子换向器取代机械换向器和电刷。 无刷直流电机主要是由电动机本体、位置传感器和电子开关三部分组成，如图 2． 1 所示 n。 它具有效率高、调速范围宽、启动迅速、机械特性和调节特性好、寿命长、维护 方便、可靠性高、无换向火花等诸多优点。 图 2． I 无刷直流电动机结构原理图 2． 1． 1电机本体 电机本体在结构上与永磁同步电机类似，也是由定子和转子两大部件组成，但没有鼠笼型绕组和其它启动装置。 定子是由硅钢冲片与分布在它们槽内的绕组以及机壳、端盖、轴承等部件组成，定子绕组采用整距集中式绕组，二 _般制成多相 (三相、四相、五相不等 )，但应用最多的是三相。 转子是由永磁材料制成，具有一定磁极对数 (2p=2， 4， ⋯)的永磁体，通常由 转轴、永久磁钢、磁轭等部件构成。 图 2． 1所示的电动机本体为三相两极，三相定子绕组 (A相、 B相、 C相 )分别与河南城建学院本科毕业设计（论文） 自适应模糊 PID 控制器设计 8 功率开关器件 (Vl、 V V3)连接。 电机转子的永久磁钢与永磁有刷电机中的永久磁钢的作用类似，均是在电动机气隙中建立足够的磁场，不同点在于：无刷直流电机的永久磁钢安装在转子上，而有刷直流电机的永久磁钢安装在定子上。 无刷直流电机转子的结构可分为两种：一种是将瓦片状的永磁体贴在转子表面上，称为凸极式；另～种是将永磁体嵌入到转子的铁心中，称为嵌入式。 为了能产生梯形波反电动势，无刷直流电动机的转子磁钢的形状成弧 形瓦片形，气隙磁场成梯形分布。 当定子绕组某一相通电时，该电流与转子永磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转。 同时，位置传感器将转子磁钢位置信号变换为电信号，来控制电子开关导通与关断，从而使定子各相绕组按照一定的顺序导通，定子相电流也随转子位置变化按照一定的规律换相。 由于电子开关的导通顺序与转子转角同步，因而起到了机械换向器的换向作用。 无刷直流电机就结构而言，相当于由永磁同步电机、转子位置传感器和电子开关组成的电动机系统，无刷直流电机原理框图如图 2． 2所示。 图 2． 2无刷直流电 机原理框图 无刷直流电机电子开关是用来控制电机定子各相绕组通电顺序和时间的，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器位置信号处理单元两个部分组成。 功率逻辑开关单元将电源的功率按照一定的逻辑关系分配到无刷直流电机定子各相绕组，从而使电机产生持续的转矩，带动电机旋转。 功率逻辑开关单元是无刷直流电机控制电路的核心部分。 位置传感器输出的位置信号则决定了各相绕组导通顺序和导通时间的长短，不过位置传感器所产生的位置信号一般不能直接用于控制功率逻辑开关单元，而是需要经过一定的逻辑处理后才可以去控制逻辑开 关单元 ⋯。 电子开关相当于逆变器的作用，根据霍尔位置传感器输出的位置信号来判断要触发河南城建学院本科毕业设计（论文） 自适应模糊 PID 控制器设计 9 功率开关管，正确换相，只是电子开关的输出频率是不可调节的，它的频率受控于转子位置信号。 电子开关通常采用全控式功率开关管，并且采用桥式电路联接方式。 电子开关与电枢绕组有多种联接形式，但应用最广泛的是三相星形联结。 驱动电路的作用是将控制电路输出信号进行功率放大，同时向各开关管输出能使 其饱和导通及可靠关断的驱动信号。 2． 1． 3转子位置传感器 位置传感器在无刷直流电机中起着测定转子磁极位置的作用，为电子开关提供信息，确保定子绕 组正确换相。 位置传感器的原理是将转子磁钢磁极的位置信号转换为电信号，然后去控制定子绕组换相，位置传感器安装在电机转子的转轴上。 位置传感器种类较多，常用于无刷直流电机控制系统的位置传感器有电磁式位置传感器、光电式位置传感器和磁敏式位置传感器。 本系统中，无刷直流电机自身带有霍尔位置传感器，它与电机同轴安装，并且多只按照空间均匀分布。 霍尔位置传感器是磁敏式位置传感器中的一种，它是用于测量铁类物体的位置或对转速进行测量，分类有模拟型霍尔传感器、内置磁铁霍尔传感器。 霍尔位置传感器广泛应用于无刷直流电机、齿轮位置、齿轮 转速、阀门位置、磁盘速度、流速感应、速度感应等领域。 2． 2无刷直流电机工作原理 无刷直流电机将电枢安装在定子上，而把转子做成永磁体，这样的结构恰好与有刷直流电机相反。 同时，为了使电机的转子旋转，必须使定子电枢各相绕组按照一定的规律不断地换相通电，这样才能使定子磁场随着转子的位置不断变化，使定子磁场与转子磁场始终保持 90。 空间角度，产生转矩来推动转子旋转。 无刷直流电动机永磁转子磁场分布、气隙磁场感应反电动势和定子绕组相电流如图。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 自适应模糊 PID 控制器设计 10 图 2． 3转子磁场分布、感应反电动势和相电流 转子以恒定转速 旋转，转子主磁场切割定子绕组，每相定子绕组感应电势波形与主磁场基本一致，如图 2． 3所示。 为了方便起见，将其视为梯形波，平顶宽度为 120。 电角度。 为了输出恒定的电磁功率和转矩，在三相定子绕组中加入方波电流，导通时间为 120。 电角度。 某一相定子绕组感应反动电势和电流波形图 2． 3已经给出。 图 2． 4三相星形连接全桥驱动电路 为了清晰地阐述无刷直流电动机的工作原理和特点，下面以三相星形绕组全桥河南城建学院本科毕业设计（论文） 自适应模糊 PID 控制器设计 11 驱动为例，来加以说明。 图 2． 4为三相无刷直流电动机星形连接全桥驱动方式电路图，六只功率开关管 VTlVT6构成功率逆变 器，六只功率逆变器为 120 导电方式。 120 导电方式就是在每一个瞬间有两支功率管导通，每隔 1／ 6周期 (60 电角度 )换相一次，每次换相一个功率管，每个功率管导通 120。 电角度。 各功率管的导通顺序为： VTlVT6VTlVT2VT2VT3VT3VT4VT4VT5VT5VT6VTlVT⋯，当功率管VTlVT6导通时，电流从 VTl管流入 A相绕组，再从 B相绕组流出，经 VT6管流回电源负极。 无刷直流电动机运行原理简述如下：当转子处于图 2． 5(a)所示位置时，功率开关 VTl、 VT6导通，电流从 A相绕组流入， 从 B相绕组流出。 此时 A、 B两相绕组电流产生的合成电枢磁场 nbF 与转子磁场辟之间的夹角为 120 ，两者相互作用产生电磁转矩，该转矩使转子沿逆时针方向旋转。 随着转子转动，转子磁场屏与定子磁动势 abF 间的夹角逐渐减小。 当转子磁极旋转到定子磁场 abF 与转子磁场 rB 之间的夹角为 60 时，定子绕组开始换流。 此时， VTl、 VT2导通，定子磁场 acF 比 abF 跳跃前进 60 ，变成图 2． 5(b)所示位置，而定子磁场 acF 与转子磁场 rB 之间的夹角又变成 120 ，转子 继续沿逆时针旋转，依此类推。 由图 2． 5可知，在一个周期内，定子三相绕组在空间上共产生六个定子合成磁势，分别是 a b a c b c b a ca cbF F F F F F、 、 、 、 和。 转子每转过 60 电角度，功率开关管切换一次，定子绕组就换流一次，相应的定子合成磁势也跳变一次。 每个定子合成磁势在作用时间上持续 1／ 6周期 (60 电角度 )。 在这六个连续跳变的定子合成磁势作用下，转子磁势随转子旋转，由于定子合成磁势呈步进运动，所以产生的 电磁转矩将呈现波动。 尽管定子合成磁势是跳变的，但它的平均转速却与转子转速保持同步。 在平均意义上，定子合成磁势 F与转子磁势 rB 相对静止，转子转速为同步转速。 定子合成磁势 F的跳变的原因是功率开关器件的切换，而开关器件的切换是根据转子位置检测信号来控制的。 我们知道，只有当转子的磁势屏的轴线与定子合成磁势，的轴线相互垂直时，电动机才能产生最大的电磁转矩。 转子连续旋转，因此它的磁势轴线是连续变化的，但定子合成磁势却是每隔 60 电角度跳变一次，两者不可能一直保持垂直。 不过我们可以使定子合成磁势尸与转子磁势最之间的夹角在 60 ～120 范围内变化。 这样，无论是在功率开关器件导通过程中还是换流瞬间， F与 rB之间的夹角在平均意义上接近 90 ，亦即在平均意义上互相垂直，这样也就获得了最大的电磁转矩 图 2。 5三相全控桥的六种通电情况示意图 根据图 2． 5所示的 ； fB全控桥的六种通电情况，总结出三相星形连接全 桥驱动的通电规律如表 2． 1所示。 表 2． 1 三相星形连接全桥驱动通电规律 河南城建学院本科毕业设计（论文） 自适应模糊 PID 控制器设计 12 2． 3无刷直流电机数学模型 电机常用的建立数学模型方法有 dqO坐标变换法、频域傅立叶分解法和时域状态方程法。 无刷直流电机转子磁场、反电动势为梯形波，其中包含有较多的高次谐波，都考虑将会非常繁琐，但只考虑基波又会带来较大误差，因而不适合采用dqO坐标变换法和傅立叶分解法来建立模型。 不过，直接建立电机时域状态方程和电机数学模型则非常方便，并且可以获彳导比较准确的结果。 以三相永磁无刷直流电机为例，为了简化分析，在允许范围内作如下假定： (1)定子绕组星形连接，并且完全对称； (2)不考虑电枢反应，气隙磁场近似为梯形波，平顶宽度为 120电角 度 (3)忽略齿槽效应，电枢导体连续均匀分布在电枢表面上； (4)忽略磁路饱和，不计涡流和磁滞损耗； (5)电机参数恒定； (6)电机稳态运行，转速稳定。 电压方程 根据电机原理，利用基尔霍夫定律，写出定子三相绕组电压方程式； 000000aa ab b bcccuir L M M edu r i M L M edtr M M L eui                                         （ 21） 式中： a b cu u u、 、 定子相绕组电压， V 河南城建学院本科毕业设计（论文） 自适应模糊 PID 控制器设计 13 a b ce e e、 、 定子相绕组反电动势， V a b ci i i、 、 定子相绕组电流， A r 电机相电阻，  L 每相绕 组自感， H M 每两相绕组间互感， H 由于转子磁阻、定子绕组自感和互感都是常数，而电动机绕组为星形连接， 且没有中线，于是有三相对称电机中： 00a b ca b ci i iM i M i M i      (22) 电压方程可化简为： 0 0 0 00 0 0 00 0 0 0a a a ab b b bcc c cu i ir L M edu r i L M i edtr L M eu i i                                                      （ 23） 2． 3． 2 转矩方程 无刷电流电机定子三相绕组输入功 率与所产生的电磁转矩之间的关系为： a a b b c c ee i e i e i T    （ 24） 式中：  电机角速度， rads 所以无刷直流电机转矩方程为： a a b b c ce e i e i e iT  （ 25） 2． 3． 3 运动方程 无刷直流电机动力学方程为： eLdJ T T Bdt    (26) 式中： eT 电磁转矩， Nm。