基于復合型雙PWM在BLDCM控制中的仿真分析

張興亮，孟光偉，張兵鋒，彭見仁

基于復合型雙PWM在BLDCM控制中的仿真分析

張興亮，孟光偉，張兵鋒，彭見仁

（海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033）

本文分析了BLDCM及復合型PWM整流器的基本原理，將復合型PWM整流器與BLDCM相結合構成雙PWM控制系統，以減小諧波電流對電網的影響。建立了相應的數學模型，采用轉速電流雙閉環控制策略，通過Simulink搭建仿真模型進行仿真分析，驗證了分析的正確性。

無刷直流電機 轉速控制 雙PWM

0 引言

傳統三相電壓型PWM整流器有諸多優點，正常工作時，能使輸入功率因數為1、電流波形趨近于正弦波、輸出直流電壓電壓可控[1]。但傳統的電壓型PWM 整流器為升壓型變換器，運行在單位功率因數下，其直流輸出電壓高于交流電源電壓的峰值[2]。Ching -Tsai Pan 等學者提出的三相電壓型PWM 整流器與Cuk 電路相結合的復合型PWM整流器[3,4]不僅具備上述傳統PWM整流器的優點，而且能拓寬輸出直流電壓的調壓范圍。永磁無刷直流電機（BLDCM）由于既有直流電機的運行效率高、無勵磁損耗、調速性能好等優點，又有交流電機的結構簡單、運行可靠、維護方便等優點，因此得到了廣泛應用。本文采用復合型PWM整流器與無刷直流電機相級聯的方式組成雙PWM控制系統，整流側實現對直流母線電壓進行大范圍調壓以控制電機轉速的，逆變側的開關管僅根據電機的霍爾傳感器的霍爾信號進行換相，以減小BLDCM因換相引起的諧波電流對電網的影響。而在傳統電壓型PWM整流器的各種控制方法中，電壓電流雙閉環控制最為普遍，而本文將采用轉速電流雙閉環控制策略來對系統進行控制，并通過Matlab/Simulink進行仿真研究。

1 主電路拓撲結構及原理分析

復合型雙PWM系統是由復合型PWM整流器與無刷直流電機相結合得到的，所以下面先對復合型PWM整流電路和無刷直流電機的工作原理作簡要介紹。

1.1 復合型PWM整流電路的基本原理

復合型PWM是由我國臺灣地區的Ching-Tsai Pan等學者提出的一種基于三相電壓型PWM整流電路與Cuk電路整合的拓撲結構，其開關等效電路如圖1所示，是S1~S6分別為6個等效開關，1和1為交流側等效電阻和電感。

圖1 復合型PWM整流器結構示意圖

復合型PWM整流器在一個周期內可分為直通時間和非直通時間[5]，其工作過程如下：

設d為直通矢量的占空比，在直通期間dT內，三個橋臂至少有一處于直通狀態，電容1經開關管向負載，電感2，電容0放電。

在非直通期間(1-0)內，橋臂上的6個開關按照傳統升壓型PWM型整流器進行工作，二極管正向導通，整流器經二極管向電容1充電，同時，i也經二極管續流而向負載供電。

1.2 永磁無刷直流電機基本原理

永磁無刷直流電機與一般的直流電機相比有很多相似點，但是無刷直流電機沒有電刷的換相器，通過位置傳感器的信號進行電子換相，減小了電機的制造和維護成本，提高了電機的使用壽命。無刷直流電機由逆變裝置、電機本體和控制裝置組成，電機本體包括定子、轉子兩部分部分組成。

無刷電機正常工作時，轉子的位置信號通過位置傳感器給控制電路用以產生6個開關管的驅動信號，從而使逆變裝置在定子上產生旋轉磁場，這樣使轉子轉動起來。根據其換相方式可分為兩兩導通型和三三導通型。本文采用的時兩兩導通型換相方式，在此種換相中，每一時刻只有兩個開關同時導通，一共有6中狀態，每次僅改變一個開關管的導通狀態，每個開關管間隔60°改變一次狀態，每個開關管在一個周期內持續導通120°。

當無刷直流電機正轉時，霍爾信號與定子電流以及開關管狀態關系如圖2所示，在0-60時，A、B、C三個霍爾信號的值為101，A相的定子電流為正，B相的定子電流為負，得到開關管VT3、VT5導通；在60-120時A、B、C三個霍爾信號值為100時，A相的定子電流為正，C相的定子電流為負，得到開關管VT3、VT4導通；在120-180時，A、B、C三相霍爾信號輸出值為110時，則B相的定子電流為正，C相的定子電流為負，得到開關管VT2、VT4導通；在180-240時，A、B、C三相霍爾信號輸出值為010時，則B相的定子電流為正，A相的定子電流為負，開關管VT2、VT6導通；在240-300時，A、B、C三相霍爾信號輸出值為011時，則C相的定子電流為正，A相的定子電流為負，開關管VT1、VT6導通；在300-360時，A、B、C三相霍爾信號輸出值為001時，則C相的定子電流為正，B相的定子電流為負，開關管VT1、VT5導通。

圖2 無刷直流電機換相信號圖

由此分析，使無刷直流電機完成換相過程，可以通過采集霍爾傳感器的輸出信號，再對采集到的霍爾信號進行相應的邏輯運算，最后產生開關管的驅動信號。

1.3 復合型雙PWM系統的基本原理

將復合型PWM整流器與無刷直流電機相聯，組成復合型雙PWM系統，其結構示意圖如圖3所示。復合型PWM整流器可對直流母線電壓進行寬范圍調節，進而對無刷電機的轉速進行調節。而逆變裝置僅根據轉子的位置信號進行電子換相，這樣就構成了無刷直流電機的最簡單的控制方式。

圖3 復合型雙PWM系統結構示意圖

2 控制系統的設計

2.1 零矢量拓展

表1 拓展零矢量列表

在本系統中，逆變側只根據霍爾信號進行換相，因此本系統的控制主要集中在整流側。由于復合型PWM整流器的上下橋臂可以直通，因此SVPWM調制方式中的零矢量有由兩個拓展到21個[4]。

根據復合型PWM整流器原理可知，在其正常工作時存在上下橋臂同時導通的時間0，理論上可以用表1中B、C、D中任何一個直通零矢量代替傳統SVPWM中的零矢量。為了控制方便，本文采用V77代替傳統SVPWM中的V07和V70。

2.2 控制策略的選取

本系統采用轉速外環和電流內環的雙閉環控制系統?？刂平Y構如圖4所示，通過采集網側電流值a、b、c和電壓值a、b、c，電機的轉速，分別將a、b、c、a、b、c從三相靜止坐標系轉換到與電網基波同頻率的旋轉坐標下i、q和d、q。其中軸分量表示用功分量，軸分量表示無功分量。轉速環作為外環，電機轉速的給定值*和反饋得到誤差，經過控制器進行響應的計算，得到輸出有功電流給定i，電流環作為內環，為了使輸入功率因數為1，必須使無功電流為零，因此無功電流給定i為零。i、i和i、i得到的誤差分別經過各自的控制器以及前饋解耦控制后，進行相應的計算，得SVPWM控制策略算法，經SVPWM調制后輸出6路脈沖驅動信號，控制PWM整流器中的開關器件。

圖4 系統雙閉環控制結構圖

3 系統的仿真分析

根據前文所確定的控制策略，采用Matlab/simulink搭建仿真模型，系統主要由整流部分、逆變部分和無刷直流電機組成，系統參數按照表2設置，給定不同的轉速值，觀察BLDCM的轉速、轉矩及直流母線電流的脈動和交流側功率因數、電流諧波等參數。

當轉速給定值取*=800 r/min時，仿真時間設為4秒，運行仿真模型，得到交流側電壓電流波形、交流側電流FFT分析及直流母線電流的FFT分析圖形如圖5、圖6、圖7所示。為了便于觀察，測量時將交流側電流放大15倍。

表2 仿真參數

從圖5中可以看出，電機工作在轉速每分鐘800轉時，交流側電壓電流同相位?？梢詫崿F單位功率因數運行，從圖6、圖7可以看出系統工作時，由于無刷直流電機換相引起電流脈動，導致直流母線電壓上的諧波比較大。而經過復合型PWM整流器的作用，在網側電流諧波可以達到很小，滿足諧波要求。實現了諧波抑制的目的。

將轉速給定值設為*=2500 r/min，重復上面的實驗過程，同樣可得，電機工作在轉速每分鐘2500轉時，也能滿足交流側電壓電流同相位?？梢詫崿F單位功率因數運行，且直流母線電壓上的諧波比較大。而經過復合型PWM整流器的作用，在網側電流諧波可以達到很小，滿足諧波要求。實現了諧波抑制的目的。

圖5 交流側電壓電流波形

圖6 直流母線電流FFT分析

4 結論

本文分析了復合型PWM整流器及永磁無刷電機的基本原理，并將其結合起來組成雙PWM控制系統，通過分析和仿真驗證，本系統能夠實現電機的大范圍調速，且能減小電機的諧波電流對電網的影響，具有良好的工程應用價值。也為下一步具體實驗打下理論基礎。

圖7 網側電流FFT分析

[1] Singh B, Singh B N, Chandra A, et a1. A review of three-phase improved power quality AC-DC converters[J]. IEEE Transaction on Industrial ElectroniCS, 2004, 51(3): 641-660.

[2] 張崇巍, 張興. PWM整流器及其控制[M]. 北京: 機械工業出版社, 2012.

[3] 2005. C. T. Pan and J. J. Shieh. A single stagethree-phase boost buck AC/DC converter based on generalized zero voltage space vectors[J]. IEEETrans Power Electron, 1999, 14(3): 949-958.

[4] Ching-Tsai Pan, Jenn-Jong Shieh. New Space-Vector Control Strategies for Three-Phase Step-Up/Down AC/DC Converter[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2000, 47(1): 25-34．

[5] 曾博, 孟光偉, 宋亞偉, 方偉. 三相升-降壓PWM整流器的仿真研究[J]. 船電技術, 2016, 36(10): 61-64.

BLDCM Control Based on Compound Double PWM Simulation Analysis

Zhang Xingliang, Meng Guangwei, Zhang Bingfeng

(College of Electrical Engineering Naval Univ.of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM33

A

1003-4862（2019）09-0061-04

2019-02-28

張興亮（1989-），男，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力拖動。E-mail: 763606741@qq.com