基于Matlab/Simulink 方波直流无刷电机位置伺服仿真研究

文/徐志书 李超 何雨昂

本文根据方波直流无刷电

机（ 以下简称直流无刷电机或

BLDC）的电压平衡方程、电磁转

矩方程、机械运动方程及直流无

刷电机位移伺服运行原理出发，

在Matlab/Simulink 中建立了

BLDC 的模型与BLDC 位移伺服系统

仿真模型，并根据工程实例用电

机进行了仿真，仿真电流、转矩、

反电势波形、位移响应波形验证

了模型与仿真的正确性。

摘 要

磁势应当瞬时滞后转子磁势120°到60°。在每

种触发模式下，其导通表如表1。

直流无刷电机位置伺服系统环系统图如

图 2 所示。

3 直流无刷电机位置伺服系统建模实现

3.1 电机模型建模

3.1.1 电机模型

假设三相BLDC 在工作过程中磁路不饱

和，不计涡流和磁滞损耗，三相绕组完全对称

星形连接且无中线引出，BLDC 采用磁钢表面

安装式转子结构且三相绕，可认为三相绕组间

的自感与互感为常数且与位置无关。

则电压平衡方程为：

（1）

式中，

ua,ub,uc——定子每相绕组电压

ia,ib,ic——定子每相绕组电流

ea,eb,ec——定子每相绕组电势

Ra,Rb,Rc——定子每相绕组电阻

La,Lb,Lc——定子每相绕组自感

其中，ea,eb,ec 根据直流无刷电机的反电

势梯形波形（见图3），可以推测出反电势波

形如表2。

电磁转矩方程为：

（2）

机械运动方程为：

（3）

根据式（1）（2） 及（3）， 建立在

图1：方波直流无刷电机位置伺服系统原理图

表1：BLDC 导通逻辑表

区间正转反转

0~pi/3 V6V1 AB V3V4 BA

pi/3~2pi/3 V1V2 AC V5V4 CA

2pi/3~pi V2V3 BC V5V6 CB

pi~4pi/3 V3V4 BA V1V6 AB

4pi/3~5pi/3 V4V5 CA V1V2 AC

5pi/3~2pi V5V6 CB V3V2 BC

图2：直流无刷电机位置闭环系统图

电子技术 • Electronic Technology

136 • 电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering

Matlab/Simulink 下建立BLDC 仿真模型如下，

其中S_Function 中 bmf 模块为根据表 2 建立

的反电势模块。

3.3 BLDC位置闭环系统建立

4 仿真结果

对直流无刷电机进行位置特性仿真，其

中该电机转动惯量J=1.23e-3kg·m2，电动势系

数Ce=1.2v/(rad/s)，极对数P=2，电枢绕组电

阻R=6.8 , 电感L 为40mH, 额定负载转矩为Te

为1.7N.m，额定电压为300V，仿真结果如下：

1. 给电机分别施加10°阶跃位移信号，

1.5N.m 恒定负载，位置伺服阶跃响应如图6。

5 总结

本文仿真结果表明建立的模型与仿真的

正确性，本仿真对于实际方波直流无刷电机位

移伺服的运行原理的研究与参数调试、电机参

数设计选择均具有十分有益的指导意义。

参考文献

[1] 欧阳中盈. 基于DSP 的直流无刷电机控制

系统研究[D]. 北京：北京交通大学硕士

论文.

[2] 王雷. 无刷直流电动机调速系统的研究

[D]. 浙江：浙江大学博士论文.

作者简介

徐志书(1988-)，男，2013 年毕业于北京理工

大学控制科学与工程专业，现为中国运载火箭

技术研究院第十八研究所工程师，主要从事伺

服控制驱动器研究设计工作。

作者单位

中国运载火箭技术研究所第十八研究所 北京

市 100076

图3：直流无刷电机反电势波波形图图4：BLDC 模型图

图5：BLDC 位移伺服仿真系统仿真模型

(a) 伺服阶跃响应 (b) 负载响应

(c) 三相电流波形 (d) 反电势波形波形

图6