无刷直流电机控制系统的设计方案

摘要：在

Matlab/Simulink 下，结合 Simulink 基础模块与 S-Function,提出了

无刷直流电机控制系统的设计方案。该系统采用双闭环控制：速度环采用

PI 控

制，电流环由电流滞环比较器构成。仿真结果表明，该方案所设计的无刷直流电
机控制系统具有快速、实用的优点。
　　

1.引言

　　无刷直流电机（

Brushless DC Motor,以下简称 BLDCM）是随着电力电子技

术及新型永磁材料的发展而迅速成熟起来的一种新型电机。以其启动转矩大、调
速性能好、效率高、过载能力强、性能稳定、控制结构简单等优点，同时还保留了
普通直流电机优良的机械特性，广泛应用于伺服控制、数控机床、机器人等领域。
　　随着

BLDCM 应用领域的不断扩大，对控制系统设计提出了更高的要求。为

此，建立

BLDCM 控制系统的可视化仿真模型，可以有效的减少控制系统的设

计时间，同时充分利用

Simulink 仿真的优越性，加入不同的扰动以及变化的参

数，以便考察系统在不同控制条件下的动、静态特性。在分析了

BLDCM 数学模

型的基础上，借助

MATLAB 的 Simulink 工具，建立了 BLDCM 控制系统的仿真

模型，并利用该模型，进行了控制系统的仿真试验，结果表明，通过该仿真模
型验证了数学模型的有效性及控制系统的合理性。
　　

2.无数直流电机的总体设计

BLDCM 由定子三相绕组、永磁转子、逆变器、转子磁极位置检测器等组成，

BLDCM 梯形波反电动势和

方波电流之间的关系，如图

1 所示。

BLDCM

的反电动势波
形是梯形波，
并且定子和转
子间的互感是
非正弦的，在
此，采用感应
电动机

d-q 变

换理论的方法进行分析效果不理想，而直接利用电动机原有的相变量法，根据
转子位置，采用分段线性表示感应电动势。
　　本文以两相导通星形三相六状态方式下，分析

BLDCM 的数学模型及电磁

转矩等特性。为了方便分析，作如下假设：
　　（

1）三相绕组完全对称，气隙磁场分布为梯形波，平顶宽为 120°电角度；

　　（

2）忽略齿槽、换相过程和电枢反应的影响；

　　（

3）磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗；

　　（

4）电枢绕组在定子内表面均匀连续分布。

　　则根据

BLDCM 的特性，可建立其电压平衡方程、电磁转矩方程以及转子运

动方程。
　　

2.1 电压平衡方程