基于PID控制器的无刷直流电机转速控制

R.G.Rajesh¹, C.Balaji²

PG学生[电子与控制]，ICE系，SRM大学，金奈，泰米尔纳德邦，印度
印度泰米尔纳德邦金奈SRM大学ICE系助理教授

摘要

本文提出了一种基于MATLAB / SIMULINK的PID控制无刷直流电机驱动的高效仿真模型。无刷直流(BLDC)电机采用PID控制器进行高效控制。对无刷直流电动机的数学模型进行了验证。建立的无刷直流电动机的动态特性(转速和转矩)以及逆变器元件的电流和电压易于观察和分析。

关键字

无刷直流，速度控制，PID, MATLAB / SIMULINK。

介绍

无刷直流电动机已广泛应用于各种工业和家庭领域。由于该电机的优点过于突出，提出改进控制方案以提高电机性能的趋势仍在继续[1- 2]。转矩平滑是高性能运动控制应用的关键，获得准确且无纹波的瞬时转矩对无刷直流电机非常重要[3-4]。无刷直流电动机由梯形电压冲程与给定转子位置耦合驱动，电压冲程必须在相位之间正确对齐，使定子磁链与转子磁链之间的夹角保持接近120ÃÂ (120ÃÂ)，以获得最大转矩[5-6]。

2文献综述

Sun-kwon lee介绍了用于减小转矩波动的内置永磁(IPM)型无刷直流电机定子和转子的形状设计。介绍了转子不等外径和定子铁芯结构经极鞋改造后的气隙部分增大的情况。通过在最小转矩位置提升转矩值来实现转矩脉动的减小，并比较了两种方法的详细特性。IPM型无刷直流电动机定子和转子的最终形状是由实验设计(DOE)过程决定的。通过二维有限元分析(FEA)对其磁场特性和转矩特性进行了分析，并通过实验结果验证了其性能。

由于在商业、住宅和工业应用中没有电刷，无刷直流(BLDC)驱动器具有高效率、电磁干扰和高机械可靠性，因此受到了极大的关注。在发电模式下，它们非常适合于小型风力发电机和水力发电机的应用，以及混合动力电动汽车的集成启动发电机。本文讨论了无刷直流电动机在电动和发电两种工作模式下的数字脉宽调制控制。这种控制策略简单而鲁棒，不需要电流传感器，并且不需要大量的计算。由于这些特性，该技术可以在低成本的现场可编程门阵列上实现。本文研究了由于这种控制在各种负载扰动条件下的简单性以及由于处理器能力的降低而导致的潜在稳定性问题。利用李雅普诺夫稳定性判据对系统的闭环稳定性进行了分析。建立了近似离散模型，分析了系统在不同负荷、转速和输入电压下闭环运行的稳定性。

C. Sheebajoice-无刷直流(BLDC)电机驱动在工业牵引应用中越来越受欢迎。这使得无刷直流电动机在所有四个象限的控制非常重要。本文研究了三相无刷直流电机的数字控制。电机控制在所有四个象限没有任何损失的权力;事实上，能量在再生期间是守恒的。数字控制器dsPIC30F4011，它结合了数字信号处理器的计算能力和PIC单片机的控制能力，实现了精确的控制，是其他控制器无法比拟的。

3无刷直流电动机数学模型

无刷直流电动机的建模可以以类似于前言同步电机的方式进行。由于转子上安装了永磁体，一些动态特性有所不同。转子的磁链取决于磁体材料。因此，这类电机的典型特点是磁链饱和。与任何典型的三相电机一样，无刷直流电机的一种结构是由三相电压源馈电，电压源不一定是正弦的。只要峰值电压不超过电机的最大电压限制，就可以施加方波或其他波形。同样，无刷直流电动机电枢绕组的模型表示为:

θm -机械转子角[rad]。

总输出扭矩可以表示为各相输出扭矩的总和。下式表示总扭矩输出:

IV.PID控制器

“CONTROLLER_MOD”块有三个子块。这些块中的每一个都是一个有限状态机。每台机器都有维持R、Y或B相绕组所需电流的任务。

在估算块生成参考后，' CONTROLLER_MOD '块接管并触发逆变器的适当门以建立和维持所需的电流。逆变器的结构如图所示，以供参考

任何机器使用的逻辑都非常简单，例如，对于控制U相的机器，它检查相R(IR)中的实际电流是否大于所需电流(IRSTAR)，如果是，那么它将激活晶体管Q4。否则，它将激活晶体管Q1。

无刷直流电机:状态空间模型的核心是计算由方程给出的5个变量。这些变量被进一步处理，得到总共25个可以监控的输出。该块采用压在绕组上的电压值以及负载转矩信息。要输入的值来自通用的Simulink源，而不是sim电源系统块集。输出是通过求解微分方程来计算的，所以只需要数值。我们曾尝试使用sim电源系统块集，但这种方法需要非常强大的处理器和非常大的内存。计算值所需的时间以小时为单位，所以这里肯定有一个权衡，但我已经尽力不在准确性上妥协

无刷直流电机的V.simulink模型

图4为无刷直流电机SIMULINK模型。该模型是在无刷直流电动机转子参考系下建立的。无刷直流电动机控制系统由无刷直流电动机本体、逆变器、控制器等多个部分组成。

六、结果与讨论

根据建立的无刷直流电机控制系统仿真模型，进行了仿真实验，实验参数为:额定电压24V，额定转速8000rpm，极数4。

7结论

本文利用PID控制器对无刷直流驱动系统进行了完整的分析，仿真模型在MATLAB/Simulink环境下以模块化的方式实现，可以有效地考虑电压、转子转速、相电流和机械转矩等多种动态特性。此外，无传感器控制是某些应用的唯一选择，并要求高性能。

参考文献

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