直流无刷电机matlab模型（无刷直流电机simulink模型）

前言

本系列文章将更新STM32开发板和驱动板的工作原理、仿真控制和应用，完成无刷直流电机的实际控制。

1.无刷直流电机简介

无刷直流电机（BLDC）不具备无刷直流电机的电刷、换向器等结构。线圈绕组不参与旋转，而是作为定子，永磁体作为转子。通过控制线圈电流的方向来改变线圈电流的方向。磁场的方向使转子继续旋转。与有刷直流电机相比，无刷直流电机使用寿命更长、噪音更低、转速更快，但价格更高、控制更复杂。下图是有刷直流电机和无刷直流电机的结构图对比。

2、直流无刷电机工作原理

通电导体会产生磁场，磁场的方向由安培定律决定。磁场具有同性相吸、异性相斥的特性。 BLDC利用通电线圈与永磁体相互作用的原理来实现旋转，如下图所示。

两侧的线圈（定子）通电后，由安培定则可知，两个通电的线圈将产生一个指向右侧的磁场。这时，中间的永磁体（转子）就会尽力使其内部磁感线的方向与外部磁感线的方向一致。形成最短的磁闭环，N极和S极相互吸引，使永磁体顺时针旋转。当永磁体旋转到水平位置时，不会受到外部磁场的影响，但由于惯性，永磁体会继续顺时针旋转。此时，两个线圈中的电流方向互换，转子将继续顺时针旋转。如此反复，永磁体不断顺时针旋转。

无刷直流电机的结构图如上图所示。定子绕组为三相星形接法，转子位置如下图所示：

当A加电源正极，B加电源负极时，线圈A和B将产生如上图所示的磁场BA和BB。由于磁场是矢量，因此线圈BA和BB产生的合成磁场为B。此时，转子将保持在图中所示的位置。 BLDC的工作方式是绕组成对导通，因此三相线圈A、B、C只有6种导通组合。通过合理的顺序切换三相绕组的通电顺序，转子可随磁场旋转。如下所示：

1）当A端接正电压，B端接负电压，C端悬空时，转子旋转到上图中的位置1；

2）在1）的基础上，如果C端接正电压，B端接负电压，A端悬空，转子将从上图中的位置1旋转到图中的位置2多于；

3）在2）的基础上，如果C端接正电压，A端接负电压，B端悬空，转子将从图2所示位置旋转到图2所示位置3；

4）在3）的基础上，将B端接正电压，A端接负电压，C端悬空，转子将从图3位置旋转到图4位置；

5）在4）的基础上，如果B端接正电压，C端接负电压，A端悬空，转子将从图4所示的位置旋转到图4所示的位置5；

6）在5）的基础上，如果A端接正电压，C端接负电压，B端悬空，转子将从图5所示的位置旋转到图5所示的位置6；

当转子旋转到上图6的位置时，重复1）的通电状态，转子就会从图6的位置旋转到图1的位置。经过上述6个过程后，转子恰好旋转了一圈。这种驱动方式就是BLDC的6步换相控制。通过三相逆变电路可以轻松方便地实现BLDC的六步换向，如下图所示：

注：上图U、V、W分别对应三相输入端子A、B、C。

上述六步换向方法驱动BLDC的前提是我们必须知道电机转子的当前位置。无刷直流电机一般都配备霍尔传感器来获取电机转子的位置。霍尔器件及外围电路可将检测到的磁场变化转换成高低电平信号输出。以霍尔传感器为参考，定子旋转时霍尔信号检测到的磁场与输出信号的变化如下图所示：

与无刷直流电机均匀分布的定子一样，用于输出三个磁场信号的三个霍尔传感器也均匀分布在无刷直流电机周围，相邻两个传感器的电角度相差120。当电机按一定方向旋转时，三个霍尔信号的输出将按照六步模式变化，如下图所示：

通过三个霍尔信号的输出波形可以判断无刷直流电机当前的转子位置。三个霍尔信号的输出波形也满足六步一周期。然后根据当前转子位置上下连接三相逆变电路。手臂的传导如下表所示：

注：不同电机的六步换向控制逻辑表不同。

由以上分析可以得出无刷直流电机六步换向的整体驱动方案如下：

3、无刷直流电机的驱动与仿真

基于上面分析的无刷直流电机的工作原理，采用六步换向方式来驱动无刷直流电机旋转（开环驱动，速度不可调节）。

3.1. Matlab/Simulink 仿真

在Matlab/Simulink中建立仿真模型如下。该模型采用六步换向方式对电机进行开环控制，速度不可调。

注意：该模型使用离散求解器，没有运行结果。原因尚未确定。

3.1.1.仿真电路分析

主电路包括：三相逆变电路和BLDC无刷直流电机。 BLDC电机的额定功率设置为1kw，额定电压为500V，额定转速为3000RMP，恒功率负载TL设置为10/。电机具体参数如下所示。

控制部分包括：霍尔信号处理和六步换向部分。根据霍尔信号确定转子的当前位置，进而控制三相逆变电路的二乘二导通。电机按照设定的Direction值正转和反转驱动。该电机的换向表如下所示。

信号监控：监控BLDC输出的信号。

3.1.2.仿真结果分析

3.1.2.1.电机正转

方向设置为1，实现电机正转。

电机速度：0.1s内加额定负载TL

霍尔信号：

反电动势：梯形波

电机定子电流：

电磁扭矩：

转子位置：

3.1.2.2.电机反转

方向设置为0，实现电机反转。

电机速度：0.1s内加额定负载TL

霍尔信号：

反电动势：梯形波

电机定子电流：

电磁扭矩：

转子位置：

总结

本章分析了无刷直流电机的工作原理，并通过Matlab/Simulink采用六步换向方法实现了无刷直流电机的驱动和正反转控制，为后续章节的分析奠定了基础。