基于SVPWM控制的无刷直流电机的建模与仿真

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第30卷第9期2013年 9月机 电 工 程Journal of Mechanical& Electrical EngineeringV01．3O No．9Sep．2013DOI：10．3969／j．isn．1001—4551．2013．09．017基于 SVPWM 控制的无刷直流电机的建模与仿真张 杰(天津港信息技术发展有限公司，天津 300450)摘要：针对传统无刷直流电机(BLDCM)控制系统方波驱动转矩脉冲大等缺点，采用了基于电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制方法的正弦波驱动永磁无刷直流电机控制系统，建立了两级三相无刷直流电机的数学模型，利用 Matlab／Simulink中的电力系统仿真T具箱 SimPow—erSystems建立了SVPWM控制下的无刷直流电机转速、电流双闭环控制系统的仿真模型。仿真结果表明，电压空间矢量控制下的无刷直流电机控制系统具有较好的静、动态特l生，同时该仿真结果也验证了SVPWM控制无届Ⅱ直流电机的有效性和仿真模型的正确性。

关键词：空间矢量脉宽调制；无刷直流电机；建模 ；SimPowerSystems中图分类号：TH39；TM33 文献标志码：A 文章编号：1001—4551(2013)09一l 106—03M odel and simulation of brushless DC motor based on SVPW M controlZHANG Jie(Tianjin Port Information Technology Development Co．，Ltd．，Tianjin 300450，China)Abstract：Aiming at the square wave drive torque pulses of traditional brushless DC motor(BLDCM)control system is high，the mathemati—eal model of the two—phase brushless DC motor was established based on space vector pulse width modulation f SVPWM)control method of thesine wave drive permanent magnet brushless DC motor control system．Simulation models of speed of brushless DC motor under SVPWM con—trol and control system of current double closed—loop were built by the simulation platform of Matlab／Simulink．The results indicate thatbrushless DC motor control system has good static and dynamic characteristics under the control of the voltage space vector，and the reason—ability and validity of the simulation model are verified.

Key words：space vector pulse width modulation(SVPWM)；brushless DC motor(BLDCM)；modeling；SimPowerSystems0 引 言近些年来，随着永磁材料、计算机技术、智能控制技术以及电子电力技术尤其是功率开关元件技术得到了飞速的发展，为当今永磁无刷直流电机 (BrushlesDC Motor，BLDCM)的研究和制造奠定了重要的基础。

BLDCM以体积小、维护方便、控制精度高等优点，在数控机床、机器人、伺服控制等领域得到了广泛的应用。

传统无刷直流电机控制系统大部分采用方波脉宽调制(PWM)驱动控制?，其结构简单、容易实现，但是PWM经过逆变后相电压、电流均为近似于正弦波的方波，造成无刷直流电机转矩脉动较大；而正弦波驱动永磁无刷直流电机 j，采用 SVPWM控制经过逆变后的相电压、相电流更趋近于正弦波，能很好地克服其缺点 j，但结构复杂，计算量较大。

本研究基于 Matlab／Simulink中的电力系统仿真工具箱 simP0werSystems建立基于 SVPWM控制的速度、电流双闭环无刷直流电机控制系统仿真模型，采用经典 PI控制算法，通过过仿真分析验证采用 SVPWM控制无刷直流电机的有效性和仿真模型的正确性、有效性，并与传统 PWM控制系统的电流波形进行对比。

1 无刷直流电机的数学模型以两极三相无刷直流电机为例，直接利川电动机的相变量来建立数学模型H ，电机定子绕组为星形连接集中整距绕组，转子采用隐极内转子结构，3个霍尔收稿日期：2013—03—26作者简介：张 杰(1964一)，男，天津人，主要从事电机驱动控制方面的研究．E-mial：inaruijin5831###163．CO[1l第9期 张 杰：基于 SVPWM控制的无刷直流电机的建模与仿真 ·1107·[荔]=[詈虽兰][兰]+0 L M 0 i]+[ 10 0 L M i l 一 1日le日l I —JIJIJ
： (2)∞ = +．， 邶 ∞ (3)2 电压空间矢量 (SVPWM)控制一 相上、下桥臂相互导通 180。。霍尔传感器相互 120。正好提供6个转子位置信号，在每旋转 60。电角度霍尔信号总有一相翻转，所以只需在位置信号翻转时刻切换电压空间矢量，就能实现其导通模式自控运行 。

图 1 三相 PWM逆变器原理图图2 三相输出电压变换的电压空间矢量3 无刷直流电机的仿真模型无刷直流电机仿真系统采用速度外环和电流内环双闭环控制，利用经典 PI控制算法，采用 SVPWM控制的无刷直流电机原理框图如图3所示。

图3 无刷直流电机原理框图由于本研究采用电压空间矢量控制无刷直流电机，在电流闭环中，通过无刷直流电机得到各相相电流，利用电机系统分析的坐标转换公式 ，使三相电流转换为系统旋转坐标电流，以得到反馈电流。三相静止坐标为三相定子绕组A、 、C相互互差 120。，当三相绕组同时通以正弦电流时，就产生一个旋转的磁场，为电机 自然坐标系；为简化分析，又定义一个两相静止坐标系 一／3坐标系，Ot轴与A轴重合， 轴逆时针超前 OL轴 120。，该轴系与定子固连；d—q坐标轴系与转子固连为两相旋转坐标系，d轴与转子磁极轴线重合，q轴逆时针超前 d轴9o。。

由坐标转换公式可得到：， 1 1一 一 0 一2 2㈡=cosO?sin O／ i~) (4)=ll-●-， ． .

， ， - ● I - I
、 机 电 工 程 第30卷式中： ， 一 一卢坐标分量；i ，i ，ic-A、 、C坐标电流； ，iq—d—q坐标分量； 转子轴线与定子A相绕组轴线夹角。

据式(4)和如图3所示的无刷直流电机原理框图，可建立系统的仿真模型如图4所示。整个仿真系统中电机转子位置由0确定。本研究通过 SVPWM控制原理和控制算法建立系统逆变模块。无刷直流电机本体采用 imPowerSystems中的电机模块-PermanentMagnet Synchronous Machine，其反电动势选用正弦波形。逆变器选择通用逆变桥、MOSFET器件。

图4 无刷直流电机控制系统的仿真模型4 仿真结果为了验证所设汁仿真系统的可靠性，仿真分析选取电机极对数P=4，R=2．875n，Ld=L。=0．005 25 H，J=6．329e-4 kg·Il ，B =0．182 7 Wb，电源 DC=300 V，给定转数n=1 000 r／rain。仿真时间设定为0．3 S，空载起动，在0．1 S时加负载转矩 ．=3 N·in。运行仿真模型后，得到的仿真结果如图5所示。

0 1 0 l5 0 2 0 25 0 3s电机定子三相电流波形响应速度快，能很快达到稳态，在启动阶段电流大、转矩峰值大。系统在 t=0．1 S时加负载，转速发生突降，但又很快恢复到平衡状态，三相定子电流波形也为较理想的正弦波。仿真结果表明，电压空间矢量控制下的无刷直流电机控制系统具有较好的静、动态特性。

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[编辑：洪炜娜]