电动车用无刷直流电机的仿真研究

论文总字数：16727字

目 录

1 绪论 1

1.1课题研究背景和意义 1

1.2无刷直流电机的国内外现状和发展 2

2 无刷直流电机的运行原理和数学模型 4

2.1无刷直流电机运行原理 4

2.1.1 无刷直流电机的基本结构 4

2.1.2无刷直流电机的工作原理 5

2.3无刷直流电机的数学模型 5

2.3.1电压和转矩公式 6

2.3.2等效电路 7

2.3.3传递函数 8

2.4 理论数据 8

3 MATLAB/SIMULINK的仿真设计 8

3.1 MATLAB/SIMULINK仿真工具介绍 8

3.2无刷直流电机控制系统仿真设计 9

3.2.1本体模块设计 10

3.2.2转速闭环模块和电流闭环模块 11

3.2.3驱动控制和逆变器模块 13

4 仿真结果及分析 15

4.1 正常负载运行结果及分析 15

4.2 高负载运行比对 18

5 总结和展望 20

参考文献 21

致谢 22

电动车用无刷直流电机双闭环控制系统的仿真研究

刘玥

，China

Abstract：There is a new kind of motor named brush-less direct current motor(BLDCM). It is be more used in the traffic domain because it has simple structure and efficient operation. This article introduces the development history and situation at home and abroad of brush-less direct current motor. Then, it analyzes mechanical structure of brush direct current motor which is using electronic commutation to take the place of brush. Next, it analyzes mathematical model such as voltage equation, torque equation and equivalent circuit. At last, it constitutes a new emulation model of BLDCM double closed loop system with MATLAB/SIMULINK tool box, from which obtains speed waveform, torque waveform and counter electromotive force waveform. Results accord with the theoretical derivation. Simulation has been run with normal load and high load to compare waveform of data. In that way, it offer certain reference to the design of the control system of motors.

Key words：Electric vehicles；Brush-less direct current motor；Modeling and simulation

1 绪论

电动车特别是电动自行车，因其续航方便快捷，体型小巧灵活已经成为二、三线城市出行的主流，在一线大城市也是短距离出行的首要选择。而更进一步的电动汽车在近些年快速发展，有取代传统使用石油能源汽车的趋势。一种交通工具的主要动力性能决定了其使用的广度与深度，动力性能的核心便是能源转换，在电动交通领域便是电动机。近年来，永磁式无刷直流电机因其运行可靠、维护简单和性能卓著等优点，逐渐成为电动车动力领域的主流。

1.1课题研究背景和意义

传统直流电动机具有效率高、调速性能好等优点，在电气传动领域曾获得广泛应用^[1]。但

传统的直流电动机需要安装机械换向器进行换相操作，使得电动机运行过程中容易产生摩擦，发生故障。不仅如此，电刷和换向器的存在也让传统直流电动机有复杂的制造工艺和繁琐的维护方式。为了突破这些问题，人们一直在尝试设计制造一种新型的电动机，在具有高效率、高性能的同时，简化电机结构，运行更加可靠，维护更加方便。

图1 电动自行车 图2 电动汽车

交流电动机具有简单的机械电气结构，安全可靠的运行方式和方便快捷的维护方式；传统直流电动机具有高能源利用率和高功率输出，并且调速平稳快速；兼而有之他们各自优点的无刷直流电机(Brush-less Direct Current Motor, BLDCM)一出世便得到广泛认可，研发速度也愈来愈快速，普及范围越来越广。与传统电动机做性能比对，无论是非直流供电的异步电机还是传统直流电机，无刷直流电机在机械结构、运行效率和维护方式等都具有诸多优越性。另一方面，新型永磁原料不断推陈出新，价格不断降低，无刷直流电机的性价比愈来愈高，这种优越性将更加明显^[2]。

面对能源危机的降临和对环境保护的越来越高的需求，人们不约而同的选择更加安全、更加节能和更加环保的电动交通工具。其中，电动自行车已覆盖二、三线城市家庭75%以上，电动汽车也已成为很多预购车一族更心仪的代步工具。随着环境问题的逐年恶化和能源危机的加重，许多国家更是投入大量的人力和物力研究电动车^[3]。永磁式无刷直流电机因其运行可靠、维护简单和性能卓著等优点，逐渐成为电动车动力领域的主流。中国人口众多，出行代步工具的选择更是关系着能源与环境这两个近年来最重要的全球问题。在此大环境下，对电动交通工具的研究更加重要也更加深入，电动车产业也将更加壮大，电动交通工具发展将更加快速，电动车在中国也将成为理想的、发展势头迅猛的出行代步工具。

因此对无刷直流电动机方法进行研究有着十分重要的理论和现实意义。

1.2无刷直流电机的国内外现状和发展

自二十世纪以来，科学技术快速发展，电能的研究和使用普及了人们日常生活的各个领域。其中，机电转换的媒介，电动机发展势头也愈发强劲。作为工业生产和日常生活中十分重要的部件，电动机不仅需要高性能，高可靠性，也需要适应更多的生产生活领域，其空间需求和维护方式需要更加多样化。以高质量的运行效率，优良的调速性能著称。但是采用电刷结构以机械换向器进行换相的方式，使得在实际运用过程中存在摩擦噪声、损耗严重和维护繁琐等问题，很大程度上阻止了传统直流电动机的应用领域的拓展。为解决上述弊端，早在二十世纪二十年代，就有人提出用电子换相的方式简化位置传感器的研究方向，以取代传统的机械电刷换相。经过四十多年的研究和努力，在五十年代实现了这一突破。

图5 医疗用小型无刷直流电机 图6 航空航天用无刷直流电机

在二十世纪五十年代，以哈里森博士为首的美国科学家突破性的发明出用应用晶体管换向代替机械换向器的无刷直流电机，并且在实际的工业生产中得到应用^[4]。七十年代，原西德曼内斯曼公司在汉诺威贸易博览会上推出了MAC方波无刷直流电动机和驱动控制模块，无刷直流电机才真正进入使用阶段^[5]。八十年代，博尔顿教授完成了对过往无刷直流电动机研究析，结合自己的研究突破，发表了一篇经典论文，这正式表明了方波无刷直流电动机在初期理论研究上已经较为完备。理论上的成熟也标志着工业上的生产也将有巨大的突破，永磁式无刷直流电动机兼有交流电动机的简单机械电气结构，安全可靠运行方式、方便快捷维护方式和传统直流电动机具有的高质量的运行效率，优良的调速性能。因此，无刷直流电机从理论到实践的转化速度不断加快，各国公司投入大量资金和科研力量，新型电机的应用领域不断扩大发展。美国的古尔德公司，德国的西门子公司和日本的安川电机等都不断的开发新型电机并向市场推出新的产品，因此市场竞争尤为激烈，产品技术不断更新换代。

到二十世纪末，永磁稀土材料材料性能的提高，新型电机技术的发展，结合自动控制原理，永磁式无刷直流电动机得到了长足的发展，性能有了巨大的突破。无刷直流电机的应用范围也拓展到了工农业生产、国防军事、航天航空等各个领域。

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