王偉，王靜文

　　（鄂爾多斯應用技術學院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

       摘要：著重研究了以無刷直流電動機(Brushless DC Motor，BLDCM)控制器為核心的小型風力提水機系統(tǒng)的MATLAB/Simulink仿真模型。闡述了無刷直流電動機的工作原理，對小型風力提水機控制系統(tǒng)進行了數(shù)學建模和仿真分析，并重點對BLDCM轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)的運行情況進行了仿真，驗證了該系統(tǒng)可實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)速，能根據(jù)風力大小自動提高出水量。

　　關鍵詞：無刷直流電動機；MATLAB/Simulink仿真；轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制

　　中圖分類號：TM381文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.02.023

　　引用格式：王偉，王靜文.離網(wǎng)型風力提水機智能控制系統(tǒng)仿真研究［J］.微型機與應用，2017,36（2）：74-77.

0引言

　　隨著電力電子技術的不斷發(fā)展和稀土永磁材料的廣泛應用，無刷直流電動機以其高效率、高啟動轉(zhuǎn)矩、高功率因數(shù)等諸多優(yōu)點被越來越多地應用于高性能、高可靠性場合［1］。該風力提水機系統(tǒng)利用了清潔能源——風能資源作為動力，驅(qū)動無刷直流電動機（BLDCM）工作，并可智能地根據(jù)風力的大小改變出水量，具有顯著的環(huán)境效益、能源效益和社會效益，有較好的發(fā)展前景。

1系統(tǒng)基本原理

　　常規(guī)離網(wǎng)型風力提水機系統(tǒng)主要由交流電源、電動機及其控制器、離心泵三部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，交流電源部分常由風力發(fā)電機構(gòu)成。

　　本文重點研究無刷直流電動機的運行情況。無刷直流電動機就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以認為是一臺由電子開關線路、永磁式同步電動機以及位置傳感器三者組成的電動機系統(tǒng)，其原理框圖如圖2所示。

　　直流電源通過開關電路向電動機定子繞組供電，轉(zhuǎn)子位置傳感器隨時檢測轉(zhuǎn)子所處的位置。主控單元根據(jù)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測的轉(zhuǎn)子位置反饋信號產(chǎn)生換相邏輯，并將其與PWM信號進行邏輯綜合構(gòu)成控制信號。該控制信號經(jīng)驅(qū)動電路放大后送至逆變器各功率開關管的柵極，用于控制與定子連接的功率開關管的導通和關斷，從而控制電動機各相繞組按一定順序分別導通工作，如此循環(huán)工作，電動機在順序磁拉力的作用下按照一定方向轉(zhuǎn)動。

2系統(tǒng)建模

　　采用MATLAB軟件中的Simulink工具箱進行仿真，該軟件是MathWorks公司開發(fā)的一個著名動態(tài)仿真系統(tǒng)，可以模擬線性與非線性、連續(xù)與非連續(xù)系統(tǒng)或它們的混合系統(tǒng)，并能夠方便地修改仿真參數(shù)［2］。

　　該仿真系統(tǒng)由交流電源、整流器、逆變器、無刷直流電動機本體、換向邏輯、控制器、負載轉(zhuǎn)矩組成。其中負載是離心泵負載，其負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，通過選擇一個合適的比例系數(shù)即可實現(xiàn)電機的穩(wěn)態(tài)運行，本系統(tǒng)中該參數(shù)選擇為TL=0.000 005 2n2，小型風力提水機控制系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　2.1電機本體數(shù)學模型

　　基于“兩相導通星形聯(lián)接三相六狀態(tài)”無刷直流電動機的主要特點，為簡化分析，通常在仿真建模中假定［2］：

　?。?）氣隙磁場為方波，三相繞組和磁場分布對稱；

　　（2）忽略齒槽、換相過程和電樞反應等影響；

　?。?）繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布；

　　（4）磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗。

　　在這些假定條件下，可得到“兩相導通星形聯(lián)接三相六狀態(tài)”無刷直流電動機數(shù)學模型。

　　電壓方程為：

　　式中，ua、ub、uc分別為三相繞組相電壓；ea、eb、ec為三相繞組的反電動勢；R為定子每相繞組的電阻；ia、ib、ic為定子三相繞組相電流；L為每相繞組的自感；M為每兩相繞組間的互感。

　　電磁轉(zhuǎn)矩數(shù)學方程為：

　　式中，ea、eb、ec為三相繞組的反電動勢；ia、ib、ic為三相繞組相電流。

　　轉(zhuǎn)子運動方程為：

　　式中，Te為電磁轉(zhuǎn)矩，TL為負載轉(zhuǎn)矩，J為轉(zhuǎn)子與負載的轉(zhuǎn)動慣量。

　　根據(jù)以上得到的數(shù)學模型可以建立BLDCM的電機本體，其中反電勢模塊用查表法實現(xiàn)［3］。

　　2.2逆變器模型

　　無刷直流電動機的逆變器是三相全橋結(jié)構(gòu)，主要由6個功率三極管和6個續(xù)流二極管組成，其仿真模型如圖4所示。

　　其工作方式為兩相導通模式，即每一瞬間有兩個功率管導通，每隔1/6周期（60°電角度）換相一次。電機正轉(zhuǎn)時各功率管的導通順序為：VT6、VT1→VT1、VT2→VT2、VT3→VT3、VT4→VT4、VT5→VT5、VT6→VT6、VT1，開關管的導通信號是由主控芯片根據(jù)轉(zhuǎn)子位置傳感信號產(chǎn)生的換相邏輯決定。

　　2.3換相邏輯和控制信號模型

　　BLDCM繞組換相通過檢測轉(zhuǎn)子位置實現(xiàn)［4］。各功率開關管的控制信號是轉(zhuǎn)子位置的函數(shù)，利用查表方法根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號可以方便地生成各功率開關的換相邏輯信號。

　　仿真中，PWM信號是由反饋電流信號生成三角波信號、轉(zhuǎn)速PI控制輸出作為直流給定信號，二者疊加后經(jīng)一個滯環(huán)環(huán)節(jié)便得到等幅、等寬、等距的PWM波。

　　將換相邏輯信號和PWM信號進行邏輯與操作之后可以得到各開關管的控制信號，圖5所示的是VT1~VT6各功率開關管的控制信號。

　　2.4整流器模型

　　整流器用于將交流電變換為BLDCM所需的直流電，圖6所示的是三相橋氏整流0°導通狀態(tài)電路，其中，三相橋是由SimPowerSystems中的Universal Bridge構(gòu)成的，觸發(fā)信號G由同步6脈沖發(fā)生器提供［5］。

　　設置交流電源和同步脈沖的頻率為50 Hz，6脈沖發(fā)生器的觸發(fā)角為0°。輸出端并聯(lián)大電容以穩(wěn)定輸出電壓，并將其加至逆變器兩端。

3仿真與分析

　　設置仿真參數(shù)如下：

　　極對數(shù)p=2，每相電樞繞組電阻R=2 Ω，自感L=4.2 mH，互感M=0.2 mH，反電動勢系數(shù)ke=0.635 V·rad/s，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量J=2×10-3N·m·s2，仿真時間為0.2 s，仿真采樣步長為1×10-6 s。

　　系統(tǒng)的交流輸入電壓有效值為U1，給定轉(zhuǎn)速為n，系統(tǒng)的最大輸入電壓為120 V，額定輸入電壓為85.5 V，自動停機電壓為25 V。

　　對系統(tǒng)進行仿真，分別觀測輸入電壓為120 V、85.5 V、25 V時整流器輸出電壓Ud、A相電樞電流ia、A相反電動勢ea、轉(zhuǎn)速n和電磁轉(zhuǎn)矩Te波形，仿真結(jié)果如圖7~圖10所示。

　　由圖7、圖8看出，給定轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，輸入電壓為最大電壓和額定電壓時，電機轉(zhuǎn)速都保持在1 200 r/min，電機電磁轉(zhuǎn)矩、電流等參數(shù)正常，系統(tǒng)運行性能良好。

　　由圖8、圖9看出，額定電壓下，電機的實際轉(zhuǎn)速始終跟蹤給定轉(zhuǎn)速，電機電磁轉(zhuǎn)矩等參數(shù)也隨給定轉(zhuǎn)速的變化而變化，系統(tǒng)出水量可調(diào)節(jié)?！　?/p>

　　根據(jù)仿真波形圖7~圖10還可以得到，由三相橋氏整流電路可得到U0≈2.34U1，在給定轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)響應快速平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、相電流和相反電勢很快達到穩(wěn)態(tài)，電磁轉(zhuǎn)矩脈動很小，各波形與無刷直流電動機的理論分析相吻合。

　　綜合仿真結(jié)果，BLDCM可根據(jù)輸入電壓大小自動提高轉(zhuǎn)速，從而使小型風力提水機系統(tǒng)可智能地根據(jù)風力大小提高出水量。當風力充裕時，系統(tǒng)閉環(huán)運行，需水量大時，使BLDCM工作在額定轉(zhuǎn)速，需水量小時，可以通過手動給定轉(zhuǎn)速，讓電機以額定轉(zhuǎn)速下的給定轉(zhuǎn)速工作，以滿足水量要求；當風力不足使得加在BLDCM定子端電壓不高從而使轉(zhuǎn)速較低時，電機的運行狀況較差。

4結(jié)論

　　本文根據(jù)無刷直流電動機的數(shù)學模型，提出了速度和電流雙閉環(huán)控制方案。利用MATLAB/Simulink建立了BLDCM控制系統(tǒng)的仿真模型，對系統(tǒng)整體模型進行了仿真，驗證了所得波形與理論波形相吻合，從而驗證了系統(tǒng)的可行性。通過分析不同輸入電壓、不同給定轉(zhuǎn)速下電機的運行情況，得出該系統(tǒng)可以根據(jù)輸入電壓大小自動提高轉(zhuǎn)速，并在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

參考文獻

　　［1］ 夏長亮. 直流無刷電機控制系統(tǒng)［M ］. 北京：科學出版社,2009.

　?。?］ 王立,劉景林. 無刷直流電動機驅(qū)動系統(tǒng)建模及故障分析［J］. 測控技術,2010,29（12）:35-39.

　?。?］ 楊樂梅.基于Matlab無刷直流電動機的控制系統(tǒng)建模仿真的新方法［J］. 青島大學學報,2008, 23（4）:61-65.

　?。?］ 葉振鋒,雷淮剛.基于Matlab的無刷直流電動機控制系統(tǒng)仿真［J］ .微特電機,2006,12（3）:22-26.

　?。?］ 姚俊，馬松輝.Simulink建模與仿真［M］.西安：西安電子科技大學出版,2002.