無刷直流電機閉環(huán)調(diào)速實驗裝置的建模與仿真

聶曉華, 王 薇

(南昌大學 信息工程學院, 江西 南昌 330031)

實驗課程改革

無刷直流電機閉環(huán)調(diào)速實驗裝置的建模與仿真

聶曉華, 王 薇

(南昌大學 信息工程學院, 江西 南昌 330031)

以無刷直流電機閉環(huán)調(diào)速實驗裝置為研究對象,分析了無刷直流電機控制特性,結(jié)合傳感器技術(shù)給出了轉(zhuǎn)速單閉環(huán)和轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)2種調(diào)速控制策略,分別建立了2種調(diào)速系統(tǒng)的Simulink模型并進行了仿真比較。結(jié)果顯示：2種調(diào)速系統(tǒng)都具有良好的動態(tài)響應和抗擾動性能。在突加負載的情況下,雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)比單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)對電流轉(zhuǎn)矩的響應更快且波動超調(diào)較小,雖然電機轉(zhuǎn)速落差較大,但總體性能較優(yōu)。

無刷直流電機； 閉環(huán)調(diào)速； Simulink仿真

現(xiàn)在,節(jié)能環(huán)保、方便快捷的電力驅(qū)動的各類電動交通工具(例如電動自行車、電動汽車等)得到了越來越廣泛的應用[1-3]。電動汽車的電機控制系統(tǒng)具有響應快、可靠性高、調(diào)速范圍寬、控制精度高的特點。電動汽車的電機控制系統(tǒng)主要包括有刷直流電機系統(tǒng)、感應電機系統(tǒng)、開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)、永磁無刷直流電機系統(tǒng)。其中永磁無刷直流電機既具備交流電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠等一系列優(yōu)點,又具備直流電機運行效率高、調(diào)速范圍寬且調(diào)速方法簡單的優(yōu)點,成為低速電動助力車的主流驅(qū)動電機[4-6]。本文對永磁無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)實驗裝置進行了研究[7-8],基于傳感器技術(shù)提出了一種速度單閉環(huán)和一種轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的控制策略,利用Matlab仿真軟件中的SimPowerSystems[9-10]庫,分別建立了2種調(diào)速系統(tǒng)的Simulink模型,通過仿真比較了2種控制策略的優(yōu)缺點。

1 無刷直流電機轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

1.1 無刷直流電機轉(zhuǎn)速單閉環(huán)控制策略

無刷直流電機轉(zhuǎn)子由永磁體構(gòu)成,省略了用于換相的電刷結(jié)構(gòu)，定子部分為電樞繞組,需要通過驅(qū)動電路在電樞上通過相對應的電流,以產(chǎn)生磁場使電機轉(zhuǎn)動。驅(qū)動電路由電子開關(guān)器件組成,用于控制電機定子上各相繞組通電的順序和時間,其開關(guān)規(guī)律根據(jù)位置傳感器檢測到的轉(zhuǎn)子位置而改變[8]。

1.1.1 無刷直流電機的調(diào)速方法

無刷直流電機的調(diào)速方法與傳統(tǒng)直流電機的調(diào)速方法相似,直流電機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為[9]

(1)

式中：n為轉(zhuǎn)速(r/min),U為電樞電壓(V),I為電樞電流(A),R為電樞回路總電阻(Ω),Ke為電動勢常數(shù),Ф為勵磁磁通(Wb)。

無刷直流電機勵磁為永磁體。由式(1)可知,無刷直流電機的調(diào)速方式有調(diào)整電樞供電電壓調(diào)速和更改電樞回路電阻調(diào)速。其中改變電樞回路電阻調(diào)速一般是在電樞回路中串入電阻,通過電阻分壓,電機進行有級調(diào)速,損耗很大,只能用于少數(shù)小功率場合；調(diào)整電樞供電電壓U可以平滑地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速n,主要用于在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)需要平滑調(diào)速的系統(tǒng)。調(diào)壓調(diào)速也是無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的主要調(diào)速方式[9-11]。

1.1.2 無刷直流電機轉(zhuǎn)速單閉環(huán)控制方法

轉(zhuǎn)速單閉環(huán)反饋控制無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。閉環(huán)系統(tǒng)由電子換向器件、電機本體、速度控制器、霍爾傳感器以及邏輯換向電路構(gòu)成。系統(tǒng)運行時,將給定轉(zhuǎn)速(控制信號)和電機實際轉(zhuǎn)速(反饋信號)之偏差信號輸入速度控制器,用速度控制器的輸出信號控制三相逆變橋電路中的直流電壓,由邏輯換相器件產(chǎn)生的信號作為觸發(fā)脈沖,控制三相逆變橋電路,使電機內(nèi)對應的繞組通電,最終達到調(diào)速的目的。

圖1 無刷直流電機單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是基本的反饋控制系統(tǒng),采用比例積分調(diào)節(jié),特點是：

(1) 無靜差調(diào)速；

(2) 跟隨給定量,抑制系統(tǒng)通道內(nèi)的擾動；

(3) 系統(tǒng)精度由反饋檢測的精度決定,系統(tǒng)對電源和檢測裝置中的擾動無法抑制[11-12]。

1.2 無刷直流電機單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

SimPowerSystems庫是在Simulink環(huán)境下進行電力、電子系統(tǒng)建模和仿真的先進工具,它為電路、電力電子系統(tǒng),電機系統(tǒng),發(fā)電、輸變電系統(tǒng)和配電的計算提供了強有力的支撐,支持對控制系統(tǒng)的設計。

無刷直流電機轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。仿真對象為一臺額定功率1 kW、額定電壓500 V、額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min的無刷直流電機。系統(tǒng)由可調(diào)直流電壓源供電,要求電機控制系統(tǒng)具有較快的啟動速度和良好的抗干擾能力。

圖2 無刷直流電機轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)仿真模型

電源變換模塊采用升壓斬波器,直流電壓為200 V,電感0.5 mH,觸發(fā)脈沖為10 kHz,占空比60%,RC振蕩電路中R=50 Ω,C=3 μF。

在Simulink中并沒有獨立的無刷直流電機模型,而無刷直流電機實質(zhì)上就是一種特殊的永磁同步電機,故可以采用永磁同步電機代替。因永磁同步電機的氣隙磁場和感應電動勢均為梯形波,所以也被稱為梯形波/方波永磁同步電機。系統(tǒng)包括的主要元件有PI調(diào)節(jié)器、可控電壓源、三相逆變橋、邏輯換相電路和無刷直流電機本體。

邏輯換相電路模塊1的模型與邏輯功能如圖3和表1所示；邏輯換相電路模塊2的模型與邏輯功能如圖4和表2所示。其中ha、hb、hc為霍爾傳感器的霍爾信號,emf_a、emf_b、emf_c為三相反電動勢信號,Q1—Q6為逆變橋功率開關(guān)管的導通信號。

圖3 邏輯換相模塊1模型

表1 邏輯換相模塊1邏輯功能

圖4 邏輯換相模塊2模型

emf_aemf_bemf_cQ1Q2Q3Q4Q5Q60000000000-11000110-110011000-10101001010-11000011-1010010001-1001001

2 無刷直流電機轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

2.1 無刷直流電機轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制策略

轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)反饋控制無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。從圖5可以看出,轉(zhuǎn)速和電流2種負反饋起作用,且電流環(huán)為內(nèi)環(huán),轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)。運行時,給定轉(zhuǎn)速與電機實際轉(zhuǎn)速之差的偏差信號輸入速度控制器,控制系統(tǒng)通過傳感器從電機中獲得轉(zhuǎn)子的位置信息,再將該信息輸入?yún)⒖茧娏髂K,結(jié)合轉(zhuǎn)速控制器的輸出信號形成電機的每相參考電流。形成的每相參考電流與反饋的電機每相實際電流一起輸入電流滯環(huán)控制器中,通過電流滯環(huán)的方式生成三相逆變橋式電路控制脈沖PWM波。

電流內(nèi)環(huán)采用滯環(huán)控制方式,可以限制最大電流,并使系統(tǒng)有足夠大的加速轉(zhuǎn)矩,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。轉(zhuǎn)速外環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器控制,保證系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動態(tài)跟隨性能,對負載變化起抗干擾作用,且可以消除靜差,保證調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定與高性能。

2.2 無刷直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

無刷直流電機轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型如圖6所示。仿真對象同樣為一臺額定功率1 kW、額定電壓500 V、額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min的無刷直流電機。

圖6 無刷直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

從圖6可以看出,系統(tǒng)主要包括PI調(diào)節(jié)器、參考電流模塊、電流滯環(huán)控制器模塊、三相逆變橋和無刷直流電機本體。其中PI調(diào)節(jié)器即為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器,輸入為給定轉(zhuǎn)速和時間轉(zhuǎn)速的差值,輸出為三相參考電流的電流幅值；而Saturation飽和限幅模塊的作用是將輸出的三相參考相電流的幅值限定在要求范圍內(nèi)。

參考電流模塊是通過霍爾傳感器提供的位置信息與電流幅值Is信號來得到三相參考電流,該功能通過S-function模塊編程實現(xiàn)?；魻杺鞲衅餍盘柵c三相參考電流之間的對應關(guān)系如表3所示。

表3 霍爾傳感器信號和三相參考電流對應關(guān)系表

電流滯環(huán)控制器模塊如圖7所示,這是一種電流閉環(huán)控制方法,可以實現(xiàn)電流滯環(huán)跟蹤PWM控制。它的輸入為三相參考電流和三相實際電流,輸出為三相逆變橋的控制信號。當三相參考電流大于三相實際電流且兩者之差大于relay模塊(滯環(huán)比較器)的環(huán)寬時,對應相正向?qū)?、負向關(guān)斷；當三相實際電流大于三相參考電流且2者之差大于relay模塊的環(huán)寬時,對應相正向關(guān)斷、負向?qū)ā?/p>

圖7 電流滯環(huán)控制器模塊結(jié)構(gòu)圖

電流跟蹤控制的精度與滯環(huán)的環(huán)寬有關(guān),同時還受到功率開關(guān)器件允許開關(guān)頻率的制約。當環(huán)寬選得較大時,可降低開關(guān)頻率,但電流波形失真較多,諧波分量高；如果環(huán)寬太小,電流波形雖然較好,卻使開關(guān)頻率增加了。所以應在充分利用器件開關(guān)頻率的前提下,正確地選擇盡可能小的環(huán)寬。

3 仿真結(jié)果

仿真時間為0.3 s,電機從零轉(zhuǎn)速啟動,給定的初始速度為2 000 r/min；在0.08 s時,使電機提速至2 500 r/min；在0.15 s時給電機加一個10 N·m的恒定負載,觀察電機的啟動過程、提速過程以及系統(tǒng)的抗擾動性能。

圖8—圖11分別為無刷直流電機的轉(zhuǎn)速響應、轉(zhuǎn)矩響應、A相電流、A相反電勢在2種控制方式下的仿真結(jié)果對比。

圖8 轉(zhuǎn)速響應曲線

圖9 轉(zhuǎn)矩響應曲線

圖10 A相電流波形

圖11 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)A相反電勢波形

從轉(zhuǎn)速響應曲線圖8和轉(zhuǎn)矩響應曲線圖9可以看出,2種調(diào)速系統(tǒng)均能滿足穩(wěn)定性要求和快速響應性要求,但還是略有不同。

由圖8可知,單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在電機啟動后0.03 s轉(zhuǎn)速穩(wěn)定為2 000 r/min,最大超調(diào)量為21 r/min。在0.08 s給控制信號提速到2 500 r/min,0.12 s時電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在2 500 r/min。0.15 s加一個恒定10 N·m的負載轉(zhuǎn)矩,電機在0.18 s恢復2 500 r/min的轉(zhuǎn)速。而雙閉環(huán)系統(tǒng)在電機啟動后轉(zhuǎn)速更快地穩(wěn)定為2 000 r/min,在0.08 s給控制信號后,0.09 s電機轉(zhuǎn)速就穩(wěn)定在了2 500 r/min。0.15 s時突加一個恒定10 N·m的負載轉(zhuǎn)矩,電機在0.18 s恢復為2 500 r/min的穩(wěn)定狀態(tài),且無靜差。但是,突加負載時電機的轉(zhuǎn)速突降到1 700 r/min,比單環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的2 000 r/min要下降許多。可見,雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應要快于單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),但是在突加負載時雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電機轉(zhuǎn)速下降較多。2種調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速都能夠滿足快速響應的要求,并且抗擾性能良好,外部施加擾動時,能迅速恢復擾動前的狀態(tài)。

由圖9和圖10可知,在啟動階段,產(chǎn)生了較大的轉(zhuǎn)矩和電流沖擊,但系統(tǒng)穩(wěn)定后,兩個調(diào)速系統(tǒng)都得到了比較理想的響應曲線。但是在0.08 s轉(zhuǎn)速突加至2 500 r/min時,單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和電流有較大的波動,而雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩與電流波動較小。突加負載時,雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和電流跟隨給定的效果都要強于單閉環(huán)系統(tǒng)。

由圖11可知,2種調(diào)速系統(tǒng)A相反電勢電壓波形都比較平穩(wěn),均達到快速響應和抗擾動的性能要求。

綜上,轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能保證轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都跟隨給定,速度單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能保證轉(zhuǎn)速輸出,但是轉(zhuǎn)矩精度要差些。在實際應用中,直流電動車會經(jīng)常面臨啟動、加速、負荷、爬坡、頻繁啟停等復雜工況,這時對轉(zhuǎn)矩跟隨精度要求更高,雙閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)更符合要求。

4 結(jié)論

通過Simulink仿真結(jié)果表明,轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流的響應速率和跟隨性能方面要優(yōu)于速度單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),并且在負載轉(zhuǎn)矩有較大波動時,效果尤為明顯。仿真結(jié)果證明了2種調(diào)速系統(tǒng)都能達到快速響應和抗擾動的性能要求。

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Modeling and simulation of electric brushless DC motor closed-loop control experimental system

Nie Xiaohua, Wang Wei

(School of Information Engineering, Nanchang University,Nanchang 330031, China)

Taking low-speed electric motor brushless DC motor speed control system as the research object,based on the analysis on characteristics of brushless DC motor control,combined with sensor technology, two kinds of speed regulation control strategies including the speed single-loop and speed and current dual-loop are proposed. The Simulink model of the two kinds of brushless DC motor speed control systems are established and simulated. The simulation results show that the two systems both have good dynamic response and disturbance rejection performance. In the process of adding load condition,the dual-loop system response speed is faster than the single-loop system in the electrical transfer torque. And the volatility overshoot of the dual-loop system is smaller than the single-loop,but the speed gap is larger. Compared with the single-loop speed control system,the performance of the dual-loop speed control system on the whole is more superior.

brushless DC motor； closed-loop speed control； Simulink simulation

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.048

2016-10-13 修改日期：2016-12-03

國家自然科學基金項目(51467013)

聶曉華(1969—),男,河北邢臺,博士,副教授,碩士研究生導師,主要研究方向為電氣信息系統(tǒng)、系統(tǒng)辨識與狀態(tài)估計.

G642.0

A

1002-4956(2017)4-0189-06