對(duì)磁懸浮飛輪用無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行建模，仿真得到系統(tǒng)工作時(shí)各種參數(shù)、數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能夠有效地指導(dǎo)和驗(yàn)證控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

　　本書采用mathworks公司的matlab作為仿真工具，其中的simulink是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包。使用其中的s－function模塊，結(jié)合編寫c mex s－function，結(jié)合simulink內(nèi)含的豐富的數(shù)學(xué)運(yùn)算邏輯模塊和電力電子模塊，能夠準(zhǔn)確地構(gòu)造出磁懸浮飛輪用無(wú)刷直流電機(jī)及其控制模型。

　　在simulink中對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)仿真建模，國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了廣泛的研究。電機(jī)繞組反電動(dòng)勢(shì)波形可采用fft法和有限元法實(shí)現(xiàn)，盡管這種方法得到的反電動(dòng)勢(shì)波形比較精確，但結(jié)合控制系統(tǒng)仿真時(shí)會(huì)極大地影響仿真速度。此外，可以根據(jù)能夠反映轉(zhuǎn)子位置變化的繞組電感模塊來(lái)獲得反電動(dòng)勢(shì)波形，但如果永磁無(wú)刷直流電機(jī)的相電感極小，轉(zhuǎn)子位置變化引起的電感變化量可忽略，那么該方法對(duì)小電樞電感的永磁無(wú)刷直流電機(jī)的建模并不適用；也可以使用分段線性法實(shí)現(xiàn)梯形波反電動(dòng)勢(shì)，并采取一些改進(jìn)的仿真方法實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制系統(tǒng)模型。但在這些文獻(xiàn)中，電機(jī)的換相是基于電流滯環(huán)控制的，需要三個(gè)電流互感器測(cè)量三相電流，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)成本較高，開(kāi)關(guān)噪聲較大。另外，在永磁無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)仿真時(shí)，應(yīng)體現(xiàn)出脈寬調(diào)制（pwm）的作用。從仿真結(jié)果來(lái)看，上述模型基本上還是屬于模擬控制系統(tǒng)。以上這些模型與目前永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制普遍采用的基于數(shù)字信號(hào)處理器（dsp）的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)不符合。

　　本文中系統(tǒng)模型根據(jù)實(shí)際磁懸浮飛輪用無(wú)刷直流電機(jī)dsp數(shù)字控制系統(tǒng)構(gòu)建。實(shí)際系統(tǒng)采用ti公司的dsp tms320lf2407作為主控制器，ir2130作為三相逆變橋的驅(qū)動(dòng)芯片，mosfet管irf3710組成三相逆變橋，對(duì)直流電源輸出的母線電流進(jìn)行采樣，dsp輸出6路脈寬調(diào)制pwm信號(hào)對(duì)電機(jī)的相電流和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。電機(jī)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　圖1磁懸浮飛輪用bldc系統(tǒng)框圖

　　dsp控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)數(shù)字串級(jí)控制，主環(huán)為速度環(huán)，副環(huán)為電流環(huán)。根據(jù)霍爾信號(hào)計(jì)算出電機(jī)速度反饋值，與給定的轉(zhuǎn)速值進(jìn)行比較后，進(jìn)行pl增量式調(diào)節(jié)，輸出電流調(diào)節(jié)環(huán)的給定值，其算法如式（2－7）所示：i(k)=i(k-1)+kpv[ev(k)-ev(k-1)+kiev(k)

　　式中，i（k）為第乃次速度環(huán)調(diào)節(jié)后輸出的電流環(huán)給定值，kp和ki分別為轉(zhuǎn)速環(huán)的比例系數(shù)和積分系數(shù)；ev（k）為第屁次采樣后計(jì)算的速度誤差值。為避免輸出電流給定值過(guò)大，應(yīng)對(duì)最大值進(jìn)行限制。

　　由于飛輪用電機(jī)相電感電阻極小，即使提高功率管開(kāi)關(guān)頻率，相電流仍會(huì)存在不連續(xù)狀態(tài)，在每個(gè)pwm周期中，電源輸出電流呈不連續(xù)尖峰狀。因此對(duì)電流采樣前，需加一個(gè)模擬低通濾波器，并在dsp中進(jìn)行數(shù)字平均濾波。這樣，電流環(huán)實(shí)際上是調(diào)節(jié)電源輸出的平均電流。電流環(huán)進(jìn)行pi增量式調(diào)節(jié)，算法如式（2－8）所示：c(k)=c(k-1)+kpc[ec(k)-ec(k-1)+kivev(k)

　　式中，c（k）為第乃次電流環(huán)調(diào)節(jié)后輸出的pwm占空比；kp．和乃kc分別為電流環(huán)比例系數(shù)和積分系數(shù)；ec（k）為第乃次采樣后計(jì)算的電流誤差值。為防止電機(jī)繞組中電流過(guò)大，也要設(shè)置一個(gè)pwm占空比的最大值。每次電流環(huán)結(jié)束，調(diào)整dsp輸出的pw m占空比，以達(dá)到電流調(diào)節(jié)的目的。

　　pwm信號(hào)和三個(gè)霍爾位置信號(hào)經(jīng)邏輯換相模塊后，輸出6路信號(hào)至三相逆變橋，用于無(wú)刷直流電機(jī)的換相和控制。

　　圖2所示為在simulink中構(gòu)建的整個(gè)磁懸浮飛輪無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型，其中主要包括無(wú)刷直流電機(jī)模塊、三相逆變橋模塊、邏輯換相模塊和控制模塊。

　　圖2 磁懸浮飛輪無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型

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