新型光伏電梯系統BLDC 電機的仿真分析

陳軒 海濤

（廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧530000）

1 概述

隨著新能源的開發，光伏的利用越來越多的走進了我們的生活當中，并且應用于各種場合，光伏電梯的發展是從2009 年國內首臺電梯的出現到2020 年通力電梯公司應用型平臺的搭建并且試驗運行成功。而本文將采用BLDC 電機作為電梯的曳引機，無刷直流電機與一般的電機不同的是轉子為永磁鐵，而定子為多相通電繞組，電機通過霍爾傳感器收集轉子位置反饋信號從而控制不同組別的繞組通電通過PWM方波形式控制電機轉動，而對于其的控制方式一般是采用開環和雙閉環來進行控制，但開環控制的可控性差且雙閉環控制應用廣泛并常用作于控制調速，所以本文將采用伺服電機的三閉環控制方式來對BLDC 無刷直流電機進行控制并進行仿真分析。

2 光伏電梯系統

本文設計的光伏電梯系統框架如圖1 所示，通過太陽能對光伏電池進行充放電再將能量存儲在蓄電池中，蓄電池在BLDC 電梯功能中保障電梯上下行曳引運行，而系統也提供了太陽能和電網雙供電模式，為電梯正常運行提供了可靠的保障。

圖1 系統主體圖

2.1 光伏發電

由于BLDC 無刷直流電機只需要直流電就可以運行起來，所以對于光伏陣列輸出電流能滿足其運行并且可以把多余的直流電存儲于蓄電池中，由于系統構成中沒有逆變器，因此該系統只能為直流負載供電。光伏陣列采用MPPT 最大功率跟蹤法采集太陽能能源，并通過充放電控制器來控制整個光伏發電系統的運行，當電池存儲量達到飽和值時，由蓄電池對BLDC 電梯進行供電，而在其他情況則是由電網的交流電通過逆變變換輸出的直流電對電梯進行供電。

2.2 BLDC 電機器PID 控制

而對于BLDC 電機最繁雜的就是它的控制模式，BLDC 的控制是采用DTC 控制器和電機，但對于DTC 控制一般采用三閉環控制，閉環控制系統從反饋角度看是在系統的輸出端與輸入端存在反饋回路，輸出量對控制過程產生反作用的控制系統，核心是通過反饋來減少被控量的偏差。對于各種閉環控制策略中由于PID 結構簡單而被廣泛的運用，通過對比例、積分、微分來實現線性控制。

在多數情況下，需離散變化后方可使用，因此其離散化后的公式：

式中：Ki=KpT/Ti為積分系數；Kd=KpTd/T 為微分系數，e(k)、e(k-1)是第k、k-1 次輸入誤差量，T 為采樣周期。

在PID 算法控制中，Kp、Ki、Kd每一項都有單獨的系數，但是在真正運用的場景中很難確定這三個系數值的大小，因此就需要大量的實驗以及查找資料來確定合適的數據，這樣才能實現對電機運行精確穩定的控制。

2.3 BLDC 電機三閉環控制策略

所謂三閉環控制系統就是在速度- 電流雙閉環控制系統的方式上再外加一個位置外環，在控制電機的速度大小和旋轉方向的基礎上，添加了轉子位置角度控制。一般轉子速度控制是通過輸入給定值或改變脈沖頻率，這可以實現電機調節轉速大小和方向，位置控制系統也支持直接負載外環檢測位置信號，此時的電機軸端的霍爾傳感器檢測電機轉速由最終負載端的檢測裝置來提供位置信號，這樣做的優點在于可以減少中間傳動過程中的誤差，增強系統的電機轉速定位精度控制，對位置給定進行準確的跟隨，位置控制系統轉動速度的大小通常是通過外部輸入的脈沖頻率來改變的，轉動的角度是通過單個時間周期內脈沖個數來確定的。

BDLC 三閉環控制結構圖如圖2 所示，系統主要有電流、速度、位置三個調節器以及PWM控制器為基準來實現對無刷直流電機的控制，現就對三閉環負反饋PID 調節系統，分別做出以下介紹：

圖2 BLDC 三閉環控制結構

圖3 BLDC 三閉環仿真圖

圖4 轉矩

圖6 霍爾傳感器反饋信號

（1）其中內環為電流內環，該內環完全在處于DTC 驅動器內部，通過霍爾裝置對驅動器電機各相的輸出電流進行檢測，并將負反饋信息輸入給電流調節器，再通過PWM控制設定來進行PID 調節，從而使得輸出電流盡量與設定電流保持一致性，電流內環主要的功能就是控制電機轉矩，因此一般在轉矩模式下，驅動器設定運算值越小其動態響應的時間越短。

（2）處于二環的是速度環，通過檢測霍爾傳感器反饋回來的信號頻率來計算電機轉速大小從而進行負反饋PID 調節，其環內PID 輸出就直接作為電流環的設定值，所以速度環的整體性控制范圍就將速度環和電流環包含在內。

（3）處于三環的是位置環，該環節的功能是給定與調解轉子位置的，其環內直接將速度環的設定的設定值作為PID 輸出。其反饋信號是根據電機編碼器或者最終負載的反饋數據來決定的，需根據實際情況確定。由于速度環的設定作為位置控制環內部的輸出，在位置控制模式下，電機控制系統進行了三個閉環的運算過程，此時的系統需要進行的運算量是最大，因此動態響應時間也是最多的，響應速度也是最慢的。總的來說，在整個運行過程中三個模式都會使用到電流環，而電流環作為控制電機運行的基礎，在進行速度和位置控制的時候，控制系統實際也在進行電流(轉矩)的控制從而配合速度調節和位置調節達到相應控制。

3 仿真和實驗結果分析

基于MATLAB 系統上進行SimuLink 建模，對光伏電梯的BLDC 電機進行了三閉環控制系統的仿真，本仿真中電機的轉速為1000rad/s，轉矩為5N*m，電機從靜止轉態到穩定運行的時間為0.3s，而在電機運行到0.6s的時候，設置反轉信號，讓電子仿真系統實現反方向運行。該仿真結果證明了BLDC 可以作為光伏電梯的曳引機，可以實現轎廂上升、下降的速度和轎廂移動距離的精確控制，電機仿真轉矩如圖4 所示，轉速如圖5 所示，霍爾傳感器相電流反饋信號如圖6 所示。

4 結論

通過對光伏電梯的分析，研究了太陽能發電和BLDC 電機的控制系統，并且針對BLDC 電機進行了三閉環控制分析，在Simulink 環境下搭建了電流、轉速、轉矩三閉環的控制的仿真模型，并且模擬了電機作為電梯曳引機實現上下運行的正反轉模式。仿真結果可以表明該系統表現出了優良的穩定動態性，三個控制模塊能穩定的通過旋轉速度和方向來實現電機位置的調節，該系統幾乎無超調，運行穩定性強。