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容量的依据。要根据用户的流量、压力要求，来

选择合适的内齿轮啮合泵。伺服电机可以允许在

2倍过载下进行20%时间间隔的周期持续性工作，

而且在弱磁状态下也可以达到足够的输出转矩，

所以采用伺服系统可以达到2000多转/分钟的电机

转速。这样选择内齿轮泵时，可以参考泵的最大

转速范围来设计系统流量。提高了泵的转速，在

某些情况下可选择较低排量的油泵就能够满足客

户需求。欧瑞伺服系统是采用伺服驱动器和伺服

电机一一搭配的关系，可根据油泵的转速和转矩

要求来选择合适的伺服电机。欧瑞伺服系统具有

超强的过载能力，在最高电机转速范围内，可根

据油泵最大使用转矩不大于2倍电机额定转矩来选

择伺服系统。

4.3 伺服系统的安装环境因为塑胶厂环境温度高，塑料粉尘多，因

此伺服系统的柜体要设计合理，柜内伺服驱动器

周围应留足够的空间，保证良好的通风渠道，并

加装冷却风扇以强迫风冷。现场需安装在通风良

好，远离热源和尘埃多的地方。

4.4 系统的接线1、主回路，必须考虑电力线对电流容量、短

路保护、电线压降等因数，注意伺服的输入线与

输出线不能接错，线路的铺设距离不要太远，伺

服驱动到电机的线应尽量短；

2、控制信号线应使用屏蔽电缆，并把屏蔽层

在伺服端接到伺服驱动器的公共输入端子上，另

一端悬空，勿使其与地相接，且远离强电流线。

4.5 伺服系统对注塑机工作的干扰伺服的输入和输出电流中都会有一定量高次

谐波成份，传出来便形成了干扰注塑机正常工作

的信号。

应采取以下措施：

（1）不要使伺服的输入、输出电缆与其控制

信号（包括其它设备的控制信号线）平行走或捆

扎在一起；

（2）在伺服驱动器的输入侧和输出侧加装专

用滤波器、电抗器、铁氧体磁环等措施减小高次

谐波电流；

（3）伺服的外壳必须可靠接地，伺服跟伺服

电机外壳必须可靠相连。

5 结束语注塑机改造伺服系统其节电效果显著，平均

节电率能达30~80%，且系统起压快，运行可靠

平稳，保护功能强，同步控制准确，操作简单方

便。既能够满足注塑成型工艺要求，稳定了产品

质量和产量，又减少了设备维护费用，为用户创

造了良好的经济效益。因此，伺服系统值得在注

塑行业中推广应用。

图1 注塑机工序图和能耗对照图 图2 注塑机伺服系统的控制系统方框图

青岛科技大学自动化与电子工程学院 付先振

摘要：本文在分析无刷直流电机数学模型的基础上，借助于Matlab/Simulink建立独立的功能模块，包括速度控制模块、参考电流模块、电流滞环控制模块、电压逆变模块、BLDCM本体模块等，并采用S函数对参考电流和电压逆变模块建模，运用分段线性法思想采用查表生成梯形波反电势。观察转速、转矩、各相电流和各相反电势的曲线图，为分析和设计BLDCM控制系统提供有效的手段和工具。

文章编号:140102

无刷直流电机速度闭环系统的仿真The Simulation about Brushless DC motor’s Speed loop System

1 引言随着电力电子技术，微电子技

术，新型电机控制理论和稀土永磁材

料快速发展，永磁无刷直流电动机得

以迅速推广，因其体积小，性能好，

结构简单，可靠性高，输出转矩大等

优点，永磁无刷直流电机受到广泛关

注。根据永磁体在气隙中产生的磁场

波形不同，永磁直流电机分为正弦波

永磁无刷直流电机（PMSM）和梯形

波永磁无刷直流电机（BLDCM）。

Matlab软件的电气传动控制设计工

具箱SimPowerSystemToolbox提供

了PMSM的电机模型，但没有给出

BLDCM的电机模型。因此对BLDCM

的建模仿真已受到广泛的关注，如何

建立有效的梯形波永磁无刷直流电机

控制系统的仿真模型及其方法研究具

有重要的意义。

2 无刷直流电机及数学模型2.1无刷直流电机构成

无刷直流电机是一种

新型的直流电动机，它是

利用装有的永磁体转子取

代普通有刷直流电机定子

磁极，用具有多相绕组的

定子来取代电枢，用电子

换向器取代机械换向器和

电刷。无刷直流电机主要

是由电动机本体、位置传

感器和电子开关三部分组图7 电流滞环控制模块结构图

现代交流伺服系统，经历了从模拟到数字化的转变，

数字控制环已经无处不在，结合市场需求的变化，一些新

的发展趋势值得我们重视。

数字伺服以其：高效率化、直接驱动、通用化、智能

化，网络化和模块化等优点给用户带来了良好的体验。将

现场总线和工业以太网技术、甚至无线网络技术集成到伺

服驱动器当中，已经成为欧洲和美国厂商的常用做法，国

内企业也正在跟进发展步伐，把一些外国领先的技术引进

到国内来，并根据企业特色进行创新研发。

很多有远识的国产厂商正加大研发力度提升其产品的

性能，进而扩大其品牌的号召力，国产伺服厂商改变进口

垄断格局将指日可待。由此预测，未来五年，我国伺服系

统行业受益于产业升级的影响，仍将保持20%以上的增长

速度，至2015年，我国伺服系统行业市场规模有望突破

100亿元，其中，国产伺服产品的市场占有率将达到40%

左右。

数字化伺服系统主导未来发展方向15年或破百亿规模

伺服系统

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54 55

无刷直流电机 无刷直流电机

成，如图1所示。

2.2 无刷直流电机数学模型

2.2.1 端电压方程假定无刷直流电机的定子绕组为60°相带整

距集中绕组，Y形连接如图2所示。

电机运行时端电压描述：

由于转子是永磁的，忽略磁阻影响并假设三

相对称，则可认为La=Lb=Lc，Lab=Lac=Lba=Lbc=

Lca=Lcb=M，又ia+ib+ic=0，所以上式等价为：

式中Ua、Ub、Uc是定子绕组三相端电压，

V；ea、eb、ec是三相反电势，V；ia、ib、ic是三相

相电流，A；L-M是每相等效自感，H；L是三相

绕组的自感，H；M是相间的互感，H；r电机相电

阻，Ω。

2.2.2 转矩方程无刷直流电机定子三相绕组输入功率与所产

生的电转矩之间的关系为：

式中：ω—电机角速度，

所以无刷直流电机转矩方程：

2.2.3 运动方程无刷直流电机的动力学方程为：

式中：Te—电磁转矩，N¤lεT1—负载转

矩，N¤lεB—阻尼系数，s-1；ω—机械角速

度， ；JĹ ᵭ ᵭ Φjf¤l2。 —

转子机械角加速度， 。2.2.4 状态方程

无刷直流电机的动态特性可描述为。

式中：TLĹĹ ΦM¤l

GD2ĹĹ ╨ ᵥ ΦM¤l

GD2=4gJ（J为转动惯量）

3 无刷直流电机控制系统建模3.1 无刷直流电机控制系统

在Matlab7.1的Simulink的环境下，利用其丰

富的模块库，在分析BLDCM数学模型的基础上，

建立BLDCM控制系统仿真模型，无刷直流电机

调速系统仿真建模采用速度闭环控制方案：转速

环由PID调节器控制，使转速随其对应的给定值

变化；电流环是由速度控制模块限幅环节后输出

参考电流，经过参考电流模块后输出三相参考电

流，电机本体模块输出的三相相电流反馈到电流

滞环模块与三相实际电流共同作用，使实际电流

跟随参考电流变化，实现电流环的控制。系统结

构框图如图3所示。

3.2 速度控制模块速度控制的输入为参考转速w—ref与实际转

速n之差值通过一个限幅PID调节器，输出为三相

参考相电流I—ref（Is）。Saturation饱和限幅模块

将输出三相参考相电流值限定在要求范围内。在

此设置三相参考相电流限幅值为±10A，速度控制

模块如图4所示。

三相参考电流与转子位置关系如图5所示，Is

是电流幅值，A。

3.3 参考电流模块参考电流模块的作用是：根据电流幅值信号

Is以及位置信号给出三相参考电流，以作为电流滞

环控制（PWM）模块的输入。参考电流模块通过

S函数编写，结构图如下图6所示。

3.4 电流滞环控制模块电流滞环控制模块的作用是实现滞环电流控

制，模块结构框图如图7所示。

3.5 电压逆变模块电压逆变器模块实现的是逆变器功能，输入

为位置信号和电流滞环控制模块信号及电压逆变

控制信号，输出为三相端电压，这个功能通过S函

数编写，如图8所示。

3.6 直流无刷电机本体模块采用分段线性法来建立梯形波反电动势，并

依据数学模型建立中性点求取模块、转矩计算模

块和转子位置检测模块。因此，直流无刷电机的

本体模块如图9所示。

　

4 仿真与分析仿真中，BLDCM参数设置为：额定转速n=120

rad/s，定子相绕组电阻R=1.35Ω，定子相绕组自感

图1 无刷直流电机的组成原理图

图3 无刷直流电机速度闭环控制原理框图 图4 速度控制模块结构图

图2 无刷直流电机的原理图 图5 三相参考电流与转子位置对应关系

图8 电压逆变模块子系统 图9 BLDCM本体模块结构图

图6 参考电流模块结构图

图10 转速曲线 图11 转矩曲线 图12 各相反电势曲线

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