华中科技大学本科生毕业答辩.ppt

总结 Modelica建模原理的研究 电机本体的Modelica建模 电机控制系统的Modelica建模 系统在Mworks下的仿真 本文的主要研究工作 总结 进一步的研究工作 Thank You! 1 2 3 4 研究背景 建模实现 仿真分析 总结 研究背景 无刷直流电机转子采用永磁材料磁极，具有体积小、重量轻、高效和控制精度高等优点，同时还具有普通直流电动机优良的机械特性，其应用范围相当广。 ＢＬＤＣ应用范围 研究背景 传统的仿真方法是对各独立子系统在其领域内单独仿真，然后通过集成的方法实现系统仿真。缺点是效率低下，难以实现耦合系统的整体性能分析和设计优化。 为此，提出来了多领域统一的面向对象物理系统建模语言Modelica。 研究背景 Modelica是一种多领域的物理系统建模语言。 广泛用于机、电、液、控、热等各能量系统领域 建模实现 无刷直流电机由电机本体、位置传感器、电子开关组成。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，电子开关一般由功率电子器件和它的控制器件组成。 其原理框图如下: 建模实现 BLDC具有类似感应电机的经典的三相定子。转子表面装有永磁体，转子上没有电刷，换相以电子方式完成。气隙磁场是由永磁体产生，永磁体的磁化及其在转子上的分布是经过选择的，可以使反电势波形为梯形/矩形。这样就可以采用具有矩形波形的直流电压来生成低转矩波纹的旋转磁场。 直流电机原理框图 建模实现 本次设计是针对电动自行车轮毂控制，采用的方案如下。电源部以直流电输入，经换流转成3相电压来驱动电机，控制部则提供PWM（脉冲宽度调制）决定功率晶体管开关频度及换流器换相的时机。 霍尔感应器感应磁场，作为速度之闭环控制。 电动机本体建模 电动机本体部分采用的是永磁同步感应电机（PWSM），其与BLDC同属于永磁同步电机，本质上并无多大差异，但在性能。结构及控制方法上又具有各自的特点，使用场合也不尽相同。 定子三相电压曲线图 电动机本体建模 转子结构图 定转子磁势关希图，为定子电流变换60°后的关系图。从图中可以看出，正弦波转子磁势与定子三相磁势始终相垂直，没有方波电机电枢转矩那样的摆动。 电动机本体建模 整个电机模型由定子模型、转子模型、永磁体模型、空间相位模型和气隙模型组成 电动机本体建模 转子模型作为转子提供永磁场使用等效励磁电流等效永磁体 电动机本体建模 定子模型，由于采用的定子绕组为三相对称绕组，这里仅表示出单相绕组的电阻、电感。其中spacePhasor模块经过坐标变换将三相电流转换到两相直角坐标系中，提供给气隙模型。 电动机本体建模 气隙模型（AirGapR），通过空间矢量变换矩阵，将定子电矢量与转子电矢量转换到同一个坐标系中（这里是转子坐标系），根据不同的需求对这个坐标系中的电矢量进行叠加，并计算出相应的电磁转矩。 控制系统建模建模 控制思路： PulseWidth根据Wref产生脉冲信号，脉冲周期为1/f，高电平时间为Width/f，Width为每个周期开始时Wref的值； SwitchControl在脉冲信号为高电平时，根据霍尔感应器输入的转子位置布尔信号u[6]，输出控制信号y[6]，低电平时输出y=[0,0,0,0,0,0.]； 霍尔感应器把转子位置分为6个区域，根据一个相对角度感应器输出转子位置信息； 无刷控制器输出值控制三相逆变器中晶体管的开关，从而控制电机定子三相电流的通断及时间长短。 控制系统建模建模 逆 变 器 控制系统建模建模 无 刷 直 流 控 制 器 控制系统建模建模 无刷直流控制器（BrushlessControler）模型包含两部分：开关控制（SwitchControl）和脉冲宽度（PulseWidth）组件。 位置感应器检测的电机转子位置信息在脉冲宽度信号的调整下，输出相应的控制信号。脉冲信号为低电平是，输出y={0,0,0,0,0,0}；当脉冲信号为高电平时，这个模块的逻辑输出对应关系如下所示： 控制系统建模建模 脉冲宽度组件（PulseWidth）,使用简单的方程，产生宽度为width/f，周期为1/f的脉冲信号。 控制系统建模建模 霍尔感应器（hallsensor），用于检测转子磁极位置，为逻辑开关电路提供正确换相信息。其转子磁极位置分为六个区域，每个分区60°，正向180°，反向180°。 控制系统建模建模 电 源 模 型 仿真分析 负载模型（Load），作为电动自行车工作时的等效负载，向电动机转轴输入转矩。负载模型包含一个输入和一个转矩元件。输入可以根据实际情况选择不同的输入函数：step、ramp、三角函数等。 选择电动车负载参数为最大输出扭矩25N ?m，最大工作电流设为20A，电压为48V，则最大输出功率为576W，输出功率范围为80-400w