王偉，王靜文

　?。ǘ鯛柖嗨箲?yīng)用技術(shù)學(xué)院,，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

       摘要：著重研究了以無刷直流電動(dòng)機(jī)(Brushless DC Motor，BLDCM)控制器為核心的小型風(fēng)力提水機(jī)系統(tǒng)的MATLAB/Simulink仿真模型,。闡述了無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理,，對(duì)小型風(fēng)力提水機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和仿真分析，并重點(diǎn)對(duì)BLDCM轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行了仿真,，驗(yàn)證了該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)速,，能根據(jù)風(fēng)力大小自動(dòng)提高出水量。

　　關(guān)鍵詞：無刷直流電動(dòng)機(jī),；MATLAB/Simulink仿真,；轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制

　　中圖分類號(hào)：TM381文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(fēng)力提水機(jī)智能控制系統(tǒng)仿真研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,，2017,36（2）：74-77.

0引言

　　隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和稀土永磁材料的廣泛應(yīng)用,，無刷直流電動(dòng)機(jī)以其高效率、高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,、高功率因數(shù)等諸多優(yōu)點(diǎn)被越來越多地應(yīng)用于高性能,、高可靠性場(chǎng)合［1］,。該風(fēng)力提水機(jī)系統(tǒng)利用了清潔能源——風(fēng)能資源作為動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)無刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDCM）工作,，并可智能地根據(jù)風(fēng)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(huì)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(fēng)力提水機(jī)系統(tǒng)主要由交流電源、電動(dòng)機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)成,。

　　本文重點(diǎn)研究無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況。無刷直流電動(dòng)機(jī)就其基本結(jié)構(gòu)而言,，可以認(rèn)為是一臺(tái)由電子開關(guān)線路,、永磁式同步電動(dòng)機(jī)以及位置傳感器三者組成的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其原理框圖如圖2所示,。

　　直流電源通過開關(guān)電路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電,，轉(zhuǎn)子位置傳感器隨時(shí)檢測(cè)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(cè)的轉(zhuǎn)子位置反饋信號(hào)產(chǎn)生換相邏輯,，并將其與PWM信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合構(gòu)成控制信號(hào),。該控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后送至逆變器各功率開關(guān)管的柵極，用于控制與定子連接的功率開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷,，從而控制電動(dòng)機(jī)各相繞組按一定順序分別導(dǎo)通工作,，如此循環(huán)工作，電動(dòng)機(jī)在順序磁拉力的作用下按照一定方向轉(zhuǎn)動(dòng),。

2系統(tǒng)建模

　　采用MATLAB軟件中的Simulink工具箱進(jìn)行仿真,，該軟件是MathWorks公司開發(fā)的一個(gè)著名動(dòng)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(dòng)機(jī)本體,、換向邏輯,、控制器、負(fù)載轉(zhuǎn)矩組成,。其中負(fù)載是離心泵負(fù)載,，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比,，通過選擇一個(gè)合適的比例系數(shù)即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，本系統(tǒng)中該參數(shù)選擇為TL=0.000 005 2n2,，小型風(fēng)力提水機(jī)控制系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)如圖3所示,。

　　2.1電機(jī)本體數(shù)學(xué)模型

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

　?。?）氣隙磁場(chǎng)為方波，三相繞組和磁場(chǎng)分布對(duì)稱,；

　?。?）忽略齒槽、換相過程和電樞反應(yīng)等影響,；

　?。?）繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布；

　?。?）磁路不飽和,，不計(jì)渦流和磁滯損耗。

　　在這些假定條件下,，可得到“兩相導(dǎo)通星形聯(lián)接三相六狀態(tài)”無刷直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)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(dòng)勢(shì),；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?jī)上嗬@組間的互感,。

　　電磁轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)方程為：

　　式中,，ea、eb,、ec為三相繞組的反電動(dòng)勢(shì),；ia、ib,、ic為三相繞組相電流,。

　　轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為：

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

　　根據(jù)以上得到的數(shù)學(xué)模型可以建立BLDCM的電機(jī)本體，其中反電勢(shì)模塊用查表法實(shí)現(xiàn)［3］,。

　　2.2逆變器模型

　　無刷直流電動(dòng)機(jī)的逆變器是三相全橋結(jié)構(gòu),，主要由6個(gè)功率三極管和6個(gè)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(dǎo)通模式,，即每一瞬間有兩個(gè)功率管導(dǎo)通，每隔1/6周期（60°電角度）換相一次,。電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)各功率管的導(dǎo)通順序?yàn)椋篤T6,、VT1→VT1、VT2→VT2,、VT3→VT3,、VT4→VT4、VT5→VT5,、VT6→VT6,、VT1，開關(guān)管的導(dǎo)通信號(hào)是由主控芯片根據(jù)轉(zhuǎn)子位置傳感信號(hào)產(chǎn)生的換相邏輯決定,。

　　2.3換相邏輯和控制信號(hào)模型

　　BLDCM繞組換相通過檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置實(shí)現(xiàn)［4］,。各功率開關(guān)管的控制信號(hào)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(hào)可以方便地生成各功率開關(guān)的換相邏輯信號(hào),。

　　仿真中,，PWM信號(hào)是由反饋電流信號(hào)生成三角波信號(hào)、轉(zhuǎn)速PI控制輸出作為直流給定信號(hào),，二者疊加后經(jīng)一個(gè)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(hào)和PWM信號(hào)進(jìn)行邏輯與操作之后可以得到各開關(guān)管的控制信號(hào),，圖5所示的是VT1~VT6各功率開關(guān)管的控制信號(hào)。

　　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(dǎo)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(hào)G由同步6脈沖發(fā)生器提供［5］,。

　　設(shè)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(shè)置仿真參數(shù)如下：

　　極對(duì)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(dòng)勢(shì)系數(shù)ke=0.635 V·rad/s,，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=2×10-3N·m·s2,，仿真時(shí)間為0.2 s，仿真采樣步長(zhǎng)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(dòng)停機(jī)電壓為25 V。

　　對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,，分別觀測(cè)輸入電壓為120 V,、85.5 V、25 V時(shí)整流器輸出電壓Ud,、A相電樞電流ia,、A相反電動(dòng)勢(shì)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(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速都保持在1 200 r/min,，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、電流等參數(shù)正常,，系統(tǒng)運(yùn)行性能良好,。

　　由圖8、圖9看出,，額定電壓下,，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速始終跟蹤給定轉(zhuǎn)速，電機(jī)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),。　　

　　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(yīng)快速平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速,、電磁轉(zhuǎn)矩,、相電流和相反電勢(shì)很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)，電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)很小,，各波形與無刷直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)提高轉(zhuǎn)速,，從而使小型風(fēng)力提水機(jī)系統(tǒng)可智能地根據(jù)風(fēng)力大小提高出水量,。當(dāng)風(fēng)力充裕時(shí)，系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)行,，需水量大時(shí),，使BLDCM工作在額定轉(zhuǎn)速，需水量小時(shí),，可以通過手動(dòng)給定轉(zhuǎn)速,，讓電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速下的給定轉(zhuǎn)速工作，以滿足水量要求,；當(dāng)風(fēng)力不足使得加在BLDCM定子端電壓不高從而使轉(zhuǎn)速較低時(shí),，電機(jī)的運(yùn)行狀況較差。

4結(jié)論

　　本文根據(jù)無刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)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(duì)系統(tǒng)整體模型進(jìn)行了仿真,，驗(yàn)證了所得波形與理論波形相吻合,，從而驗(yàn)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(jī)的運(yùn)行情況,，得出該系統(tǒng)可以根據(jù)輸入電壓大小自動(dòng)提高轉(zhuǎn)速，并在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制,。

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