無刷直流電動機閉環調速系統虛擬實驗平臺設計

周曉華，張 銀，藍會立，王 晨，吳國強

(廣西科技大學 電氣與信息工程學院，廣西 柳州 545006)

0 引 言

無刷直流電動機(Brushless Direct Current Motor, BLDCM)具有供電簡單、體積小、輸出轉矩大、控制簡單等優點，其轉子由永磁體構成，同時避免了傳統有刷電動機的不利因素，因而在各個領域得到了廣泛的應用[1]。傳統的電動機控制技術課程實驗主要以硬件為主，普遍存在控制系統結構復雜，系統可靠性較低，控制器的實驗設計靈活性較差等問題[2]。

本文基于Matlab圖形用戶界面開發工具[3](Graphical User Interface, GUI)設計了一種無刷直流電動機閉環調速系統的虛擬實驗平臺。該平臺可實現無刷直流電動機轉速閉環調速系統，轉速、電流雙閉環調速系統在電動機參考轉速變化、負載轉矩變化、控制參數變化等多種情形下的仿真實驗。通過區域模塊化的方式將原理圖、調速系統主要參數設置，單、雙閉環調速系統仿真及仿真實驗結果等集中顯示在平臺界面，提高了無刷直流電動機調速系統設計和分析的效率。實驗平臺簡潔直觀、操作簡便，具有較強實用性，對提高電動機控制技術課程教學效果具有一定意義[4]。

1 BLDCM閉環調速系統仿真建模

為實現虛擬實驗平臺調用，需要在Matlab/Simulink環境下搭建無刷直流電動機轉速閉環調速系統和轉速、電流雙閉環調速系統仿真模型。為使虛擬實驗平臺界面簡潔明了和操作方便，除電動機轉速給定值、負載轉矩、PI調節器及電流滯環寬度等參數外，其余參數均在仿真模型中進行設置。BLDCM單閉環調速系統和雙閉環調速系統中使用的無刷直流電動機參數相同，見表1。

表1 無刷直流電動機參數

1.1 單閉環調速系統仿真建模

無刷直流電動機轉速閉環調速系統主要由三相逆變電路、電動機、PI調節器、霍爾傳感器及邏輯換相電路等組成。所搭建的Simulink仿真模型[5]如圖1所示。電動機給定轉速n*與電動機實際轉速n的誤差信號由PI調節器調節后，其輸出信號對三相逆變電路的直流電壓進行控制，同時由邏輯換相器件產生觸發脈沖，以改變三相逆變電路的輸出電壓[6]，最終實現電動機調速的目的。

圖1 BLDCM轉速單閉環調速系統仿真模型

圖1中，邏輯換相電路模塊通過BLDCM內置霍爾傳感器獲取反映電動機轉子位置的霍爾信號，根據霍爾信號和對應的轉子位置得到電動機三相定子反電動勢信息，再根據電動機三相定子反電動勢信息產生三相逆變電路功率開關管的導通和關斷信號以實現正常換向。轉子位置、霍爾信號ha、hb、hc，三相定子反電動勢ea、eb、ec，功率開關管導通信號T1～T6的對應關系[7]如表2所示。

表2 轉子位置、霍爾信號、三相反電動勢和導通信號對應關系

1.2 雙閉環調速系統仿真建模

無刷直流電動機轉速、電流雙閉環調速系統由三相逆變電路、電動機、PI調節器、電流滯環調節器[8]及霍爾傳感器等部分組成。所搭建的Simulink仿真模型[9]如圖2所示。電動機給定轉速n*與電動機實際轉速n的誤差信號輸入PI調節器。同時，控制系統通過霍爾傳感器獲取電動機轉子位置信息，參考電流形成環節則根據PI調節器輸出信號及電動機轉子位置信息產生電機定子每相參考電流信號。電動機定子每相參考電流和定子每相實際電流同時輸入電流滯環調節器以生成三相逆變電路的控制脈沖[10]，最終實現了電動機的調速。

圖中，參考電流產生模塊根據PI調節器輸出的參考電流幅值Is和反映轉子位置信息的霍爾信號產生三相參考電流iar、ibr和icr。三相參考電流iar、ibr、icr與三相實際電流ia、ib、ic輸入滯環電流控制模塊，通過電流滯環輸出三相逆變電路的控制信號。

圖2 BLDCM轉速電流雙閉環調速系統仿真模型

轉子位置、霍爾信號ha、hb、hc和三相參考電流間的對應關系[11]見表3。

表3 轉子位置、霍爾信號和三相參考電流對應關系

2 閉環調速系統虛擬實驗平臺設計

BLDCM閉環調速系統虛擬實驗平臺主界面由原理圖顯示區、參數設置區、仿真實驗區及仿真實驗波形顯示區4部分組成。原理圖顯示區由1個面板panel控件、1個坐標軸Axes控件、1個靜態文本框Static Text控件和1個彈出式菜單Popup Menus控件組成。

通過編寫彈出式菜單控件的回調函數程序[12]可實現BLDCM單、雙閉環調速系統原理圖在坐標軸控件中的顯示功能。當選擇單閉環時，原理圖顯示區顯示BLDCM單閉環調速系統原理圖，選擇雙閉環時，則顯示BLDCM雙閉環調速系統原理圖。以單閉環調速系統原理圖顯示為例，其回調函數程序編寫[13]如下:

c=get(hObject , ‘value’);

switch c

case 1

‘單閉環’;

case 2

‘雙閉環’;

end

if c==1;

I=imread(‘單閉環原理圖.bmp’);

axes(handles.axes1);

image(I)

axis off

end

參數設置區主要由5個面板panel控件、12個靜態文本框Static Text控件和8個可編輯文本框Edit Text控件組成。8個可編輯文本框用于輸入無刷直流電動機的轉速給定值、負載轉矩值、PI調節器參數及電流滯環調節器的滯環寬度。仿真實驗時，需將參數設置區輸入的參數傳遞到Simulink仿真模型。此功能可利用get命令讀取可編輯文本框的輸入值來實現，然后再將句柄handles.edit屬性‘string’的值傳遞給Simulink仿真模型[14]。以PI調節器的參數傳遞為例，其程序代碼為:

kp=str2num (get (handles.edit1, ‘String’));

ki=str2num (get (handles.edit2, ‘String’));

礦井監測系統的應用有效降低了煤礦安全事故的發生率，對井下安全生產有著重要的促進意義。煤礦機電自動化程度與井下監測系統有著密切的聯系。在煤礦開采過程中進行全方位的動態檢測，借助電網監控、井下人員跟蹤定位和井下移動通訊等技術，可實現對井下生產的動態反映。若在生產過程中出現一些不安全因素，如上覆地層裂隙突然增多、增大，可借助監測探頭將捕獲的信息反饋至地面控制中心，進而綜合判別并根據判別等級觸發井下警報裝置，及時通知井下工作人員安全撤離。

仿真實驗區可進行BLDCM閉環調速系統的仿真和實驗波形繪制，同時可打開或查看BLDCM閉環調速系統的Simulink仿真模型并進行仿真參數的修改或設置。該區主要由3個面板panel控件和4個按鈕控件pushbutton組成。當按下“打開模型”按鈕時，調速系統的Simulink仿真模型將在新窗口中打開。此功能可通過編寫按鈕控件的回調函數程序來實現，以打開單閉環調速系統仿真模型為例，其程序代碼為:

open_system (‘BLDCM. mdl’);

當按下“仿真實驗”按鈕時，調速系統的Simulink仿真模型將在后臺運行，并在仿真實驗波形顯示區繪制出仿真實驗波形。以單閉環調速系統仿真為例，其回調函數程序編寫如下:

options=simset (‘SrcWorkspace’, ‘current’);

sim(‘BLDCM.mdl’,[],options);

仿真實驗波形顯示區由1個面板panel控件和6個坐標軸Axes控件組成。6個坐標軸分別用于顯示單閉環調速系統的電動機轉速n、電磁轉矩Te、A相定子電流isa、A相反電動勢ea、直流電源電壓Udc及A相霍爾信號ha波形。雙閉環調速系統則顯示電動機轉速n、電磁轉矩Te、A相定子電流isa、A相反電動勢ea、A相定子參考電流isar及A相霍爾信號ha波形。以單閉環調速系統電機轉速仿真實驗波形的繪制為例，其程序代碼為:

t1=nr(:,1);

y1=nr(:,2);

plot(t1,y1);

grid on;

ylabel(‘n/(r/min)’, ‘fontsize’,9);

3 BLDCM閉環調速系統虛擬實驗

電動機空載起動，轉速給定n*=2 500 r/min，電動機運行到0.1 s時，突加負載轉矩TL=5 N·m，觀察電動機的起動、加速過程及控制系統的抗擾動性能。選擇調速系統結構類型并在參數設置區輸入轉速給定值、初始負載轉矩、突增負載轉矩、PI調節器及滯環調節器參數后(單閉環調速系統無滯環調節器，參數為空)，點擊 “仿真實驗”按鈕進行實驗。無刷直流電動機轉速單閉環、轉速和電流雙閉環調速系統實驗界面如圖3、4所示。

圖3 轉速單閉環調速系統實驗界面(一)

圖4 轉速、電流雙閉環調速系統實驗界面(一)

由電動機轉速波形可知，單閉環調速系統的電動機轉速在0.05 s時穩定在2 500 r/min，而雙閉環調速系統的電動機轉速在0.01 s時已穩定在2 500 r/min，雙閉環調速系統的轉速響應速度明顯較快。在0.1 s時，電動機突增5 N·m負載轉矩，單閉環調速系統調節時間較長，抗干擾能力相對較弱。

由電磁轉矩和定子電流波形可知，電動機起動過程結束后，定子電流和電磁轉矩下降至0，0.1 s突增5 N·m負載轉矩時，定子電流上升，電磁轉矩上升至5 N·m與負載轉矩相平衡。相比之下，雙閉環調速系統的起動電流和起動轉矩較大。

電動機帶5 N·m負載轉矩起動，轉速給定n*=2 000 r/min，0.1 s時，負載轉矩再增加5 N·m，給定轉速下降到1 000 r/min，觀察電動機起動、加速、抗擾動及跟蹤給定轉速的性能。選擇調速系統結構類型并在參數設置區輸入轉速給定值、初始負載轉矩、突增負載轉矩、PI調節器參數及滯環調節器參數后，點擊“仿真實驗”按鈕進行實驗。無刷直流電動機轉速單閉環、轉速電流雙閉環調速系統實驗界面如圖5、6所示。

圖5 轉速單閉環調速系統實驗界面(二)

圖6 轉速、電流雙閉環調速系統實驗界面(二)

由圖5、6的仿真實驗波形可以看出，雙閉環調速系統的電機轉速響應速度依然較快，調節時間較短，抗干擾能力相對較強。單閉環調速系統的電磁轉矩、定子電流及A相反電動勢波形波動較大，穩定性較差。雙閉環調速系統性能總體上優于單閉環調速系統的性能。

以上仿真實驗情形中，PI調節器的參數固定，利用此虛擬實驗平臺還可進行針對PI調節器的參數設計及優化的仿真實驗，此處不再詳細介紹。

4 結 語

在Matlab/Simulink仿真環境下建立了無刷直流電動機轉速閉環、轉速電流雙閉環調速系統的仿真實驗模型，并采用Matlab圖形用戶界面開發工具GUI設計了無刷直流電動機單、雙閉環調速系統的虛擬仿真實驗平臺。在該實驗平臺對無刷直流電動機單、雙閉環調速系統發生參考轉速變化、負載轉矩變化等多種情況進行了虛擬仿真實驗，實驗結果驗證了所建立仿真模型的正確性和所設計虛擬實驗平臺的實用性。該虛擬實驗平臺具有簡潔、直觀，操作簡便等特點，有利于研究性、開放性實驗教學的開展，能有效培養學生的創新意識和開展研究探索的意識，同時還激發了學生的學習和科研興趣[15]，提高了學生的工程應用能力、自主學習能力和獨立研究能力[16]。