江苏科技大学15 届毕业设计（论文）无刷直流电机的双闭环控制设计系部：自动化专业名称：电气工程及其自动化班级：11403041学号：**********作者: 龚昊指导教师: 王伟然年月日无刷直流电机的双闭环控制设计The design of double closed loop control of the brushless DCmotor江苏科技大学毕业设计（论文）任务书学院名称：电子信息学院专业：电气工程及其自动化学生姓名：龚昊学号： 1140602116 指导教师：王伟然职称：讲师摘要由于电子技术，计算机技术，传感器技术，电力电子技术，现代控制理论和新型永磁材料的发展，永磁无刷直流电动机及其控制技术已有突破性进展。
近20年来，永磁无刷直流电机因其结构简单，调速性能好，控制方法灵活多变，效率较高，起动转矩大，运行寿命长等优点，日趋广泛应用于航空航天，计算机，军事，汽车，工业和家用电器等领域。
本文针对无刷直流电动机选取双闭环控制技术进行调速。
首先，介绍了无刷直流电机的特点及其结构和原理；其次，建立了无刷直流电机的模型，进行数学分析；再次，采用双闭环PI调速，主要针对其PI控制器进行了相关设计与改进，消除无刷直流电机稳态时的静差；最后，基于MATLAB/SIMULINK平台，建立控制系统的仿真模型，对无刷直流电动机速度闭环控制系统进行仿真。
仿真结果显示该模型转矩响应较快，电流脉动较小，电机工作稳定可靠，具有良好的静动态特性。
无刷直流电机的双闭环控制采用电流滞环，结构简单、响应快速，具有一定理论与应用意义。
关键词：无刷直流电动机；双闭环控制；数学模型；MATLAB；AbstractS ince the development of electronic technology, computer technology, sensor technology, power electronics technology, modern control theory and new permanent magnetic material.Permanent magnet brushless dc motor and its control technology has made a breakthrough.During the past 20 years,since its simple structure,good performance of speed adjustment,variable control methods,high efficiency ,large starting torque and long service life and so on.The brushless dc motor is now increasingly used in fields like aerospace,computer,military,cars,industry and household appliance.This passage is based on the speed control of the brushless dc motor.Double closed-loop control technology is used for researching and analysising among numerous control methods.At first,it has introduced the research background of the brushless dc motor.Next,based on the working principle of the brushless dc motor,the model of the brushless dc motor has been established to do mathematical analysis. After that,we take double closed loop speed regulation,and mainly design and improve PI regulator to make the brushless dc motor astatic in steady state.At last in order to make simulation of control system for brushless dc motor speed closed-loop control system,we establish the simulation model of control system which based on MATLAB/SIMULINK platform.The result of simulation shows that the response of torque is quick and the pulsation of current is small.The motor can work reliable and has good static characteristic.We use current hysteresis band in the control system since its simple structure and quick response,it is based on reliable theory and is meaningful in application.Keywords:brushless direct current motor;double closed-loop control; mathematical models ;MATLAB;目录第一章绪论 (1)1.1无刷直流电动机 (1)1.1.1无刷直流电机的简介 (1)1.1.2 无刷直流电机的特点 (1)1.1.3 无刷直流电机在工业中的地位及应用 (1)1.1.3.1定速驱动机械 (2)1.1.3.2调速驱动机械 (2)1.1.3.3精密控制 (3)1.2无刷直流电机国内外研究现状 (3)1.3无刷直流电机的发展趋势 (4)1.3.1无刷直流电机的发展前景 (4)1.3.2控制策略的发展 (5)1.4 本课题的研究意义 (6)1.5 章节安排 (6)1.6本章小结 (7)第二章无刷直流电机的工作原理及其数学模型 (8)2.1无刷直流电动机的工作原理 (8)2.1.1无刷直流基本组成 (8)2.1.2无刷直流电机运行原理 (11)2.2无刷直流电机的建模 (12)2.2.1无刷直流电机的电压方程 (13)2.2.3传递函数 (14)2.2.4反电势方程 (15)2.3本章小结 (16)第三章无刷直流电机双闭环控制的原理和设计 (16)3.1无刷直流电机双闭环控制的原理 (16)3.1.1无刷直流电机转速控制系统的组成 (16)3.1.2无刷直流电动机转速、电流控制过程 (18)3.2逆变器及电流转速反馈通道的数学模型 (18)3.3转速电流双闭环的设计 (19)3.3.1设计要求 (19)3.3.2电流环动态结构框图 (20)3.3.3电流调节器设计 (22)3.3.4转速调节器的设计 (24)3.4本章小结 (27)第四章基于MATLAB/SIMULINK无刷直流电机双闭环控制的设计 (28)4.1MATLAB/SIMULINK的简介 (28)4.1.1MATLAB的介绍 (28)4.1.2SIMULINK的功能与特点 (28)4.2参数的给定 (28)4.3SIMULINK模块的搭建 (29)4.3.1无刷直流电机双闭环控制整体控制框图 (30)4.3.2电机本体模块 (31)4.3.2.1转速计算模块 (31)4.3.2.2转矩计算模块 (31)4.3.2.3电压方程模块和反电势模块 (32)4.3.3电流滞环控制模块 (34)4.3.4转速控制模块 (34)4.3.5电流参考模块 (35)4.3.6逆变器模块 (36)4.4仿真结果 (36)4.5结论 (38)4.6本章小结 (39)第五章结论与展望 (40)5.1结论 (40)5.2展望 (40)致谢 (41)第一章绪论1.1无刷直流电动机1.1.1无刷直流电机的简介无刷直流电机发展历史不长，只有几十年。
1962年“固态换相直流电机”专利被提出，标志了现代无刷电动机的真正诞生[1]。
20世纪60年代初以后，无刷直流电动机被运用到实际中去。
因为其可靠性较高，一开始使用在航空航天中。
1964年，[2]美国宇航局用它来控制卫星在太空中的运行。
1978年，一家联邦德国公司研制出无刷直流电动机和它的驱动。
并且将它们在汉诺威展览[3]，这正式表明了由电子换相的无刷直流电机走入了实际运用的时代。
之后国内外的各种研究，以及永磁材料、控制技术和电力电子的发展给无刷直流电机带来新的发展，它越来越多地运用在国防、工业生产、生活中的电气和电子电器当中去，成为很有潜力的电机产品。
1.1.2 无刷直流电机的特点[4]无刷直流电机可替代直流电机调速，不仅放弃使用碳刷、滑环结构；而且可在低速大功率条件下运行，省去使用减速机直接驱动大负载。
此外还具有重量轻、体积小、出力大，其转矩特性优良，有较大的起动转矩。
启动电流小并且能实现无级调速，带动大负载和宽范围内调速。
其起动和制动特性曲线都比较软，而且节能效率高，节电率总体可达20%到60%。
有较高的可靠性，稳定性和适应性，并且保养维修简单。
在使用过程中噪音低，震动小。
抵抗颠簸震动能力强，运转平滑，寿命长[5]。
因为其工作时无火花，所以适合爆炸性场所。
1.1.3 无刷直流电机在工业中的地位及应用近年来，稀土永磁材料和电力电子器件性价比越来越高。
作为伺服电机和中小功率高性能调速电动机的无刷直流电机越来越广泛地应用在工业中，下面就工业中的一些典型应用进行介绍分析。
1.1.3.1定速驱动机械三相或单相同步电机和交流异步大多应用在一般不需要调速的工业场合。
（1）单一方向连续运行的负载大部分使用电容运转型单相或三相交流异步电动机，交流异步感应电机。
而部分不需要调速的电机或者可以接受转速随着负载稍微变化的电机，比如水泵等就需要使用2极或4极异步电动机；（2）对工作时转速高但很轻的负载诸如搅拌机、吸尘器和地毯清扫洗涤机等，大多数负载是由直流电动机或单相串励电动机直接带动的；但如果是高速驱动且要求噪声小，可以选择使用由直流电源供电的无刷直流电动机或由逆变器供电的中频异步电动机。