王偉，王靜文

　　（鄂爾多斯應用技術學院，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

       摘要：著重研究了以無刷直流電動機(Brushless DC Motor，BLDCM)控制器為核心的小型風力提水機系統的MATLAB/Simulink仿真模型。闡述了無刷直流電動機的工作原理，對小型風力提水機控制系統進行了數學建模和仿真分析，并重點對BLDCM轉速閉環系統的運行情況進行了仿真，驗證了該系統可實現閉環調速，能根據風力大小自動提高出水量。

　　關鍵詞：無刷直流電動機；MATLAB/Simulink仿真；轉速閉環控制

　　中圖分類號：TM381文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.02.023

　　引用格式：王偉，王靜文.離網型風力提水機智能控制系統仿真研究［J］.微型機與應用，2017,36（2）：74-77.

0引言

　　隨著電力電子技術的不斷發展和稀土永磁材料的廣泛應用，無刷直流電動機以其高效率、高啟動轉矩、高功率因數等諸多優點被越來越多地應用于高性能、高可靠性場合［1］。該風力提水機系統利用了清潔能源——風能資源作為動力，驅動無刷直流電動機（BLDCM）工作，并可智能地根據風力的大小改變出水量，具有顯著的環境效益、能源效益和社會效益，有較好的發展前景。

1系統基本原理

　　常規離網型風力提水機系統主要由交流電源、電動機及其控制器、離心泵三部分組成，其基本結構如圖1所示，其中，交流電源部分常由風力發電機構成。

　　本文重點研究無刷直流電動機的運行情況。無刷直流電動機就其基本結構而言，可以認為是一臺由電子開關線路、永磁式同步電動機以及位置傳感器三者組成的電動機系統，其原理框圖如圖2所示。

　　直流電源通過開關電路向電動機定子繞組供電，轉子位置傳感器隨時檢測轉子所處的位置。主控單元根據轉子位置傳感器檢測的轉子位置反饋信號產生換相邏輯，并將其與PWM信號進行邏輯綜合構成控制信號。該控制信號經驅動電路放大后送至逆變器各功率開關管的柵極，用于控制與定子連接的功率開關管的導通和關斷，從而控制電動機各相繞組按一定順序分別導通工作，如此循環工作，電動機在順序磁拉力的作用下按照一定方向轉動。

2系統建模

　　采用MATLAB軟件中的Simulink工具箱進行仿真，該軟件是MathWorks公司開發的一個著名動態仿真系統，可以模擬線性與非線性、連續與非連續系統或它們的混合系統，并能夠方便地修改仿真參數［2］。

　　該仿真系統由交流電源、整流器、逆變器、無刷直流電動機本體、換向邏輯、控制器、負載轉矩組成。其中負載是離心泵負載，其負載轉矩與轉速的二次方成正比，通過選擇一個合適的比例系數即可實現電機的穩態運行，本系統中該參數選擇為TL=0.000 005 2n2，小型風力提水機控制系統的仿真結構如圖3所示。

　　2.1電機本體數學模型

　　基于“兩相導通星形聯接三相六狀態”無刷直流電動機的主要特點，為簡化分析，通常在仿真建模中假定［2］：

　　（1）氣隙磁場為方波，三相繞組和磁場分布對稱；

　　（2）忽略齒槽、換相過程和電樞反應等影響；

　　（3）繞組在定子內表面均勻連續分布；

　　（4）磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗。

　　在這些假定條件下，可得到“兩相導通星形聯接三相六狀態”無刷直流電動機數學模型。

　　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勢；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為每兩相繞組間的互感。

　　電磁轉矩數學方程為：

　　式中，ea、eb、ec為三相繞組的反電動勢；ia、ib、ic為三相繞組相電流。

　　轉子運動方程為：

　　式中，Te為電磁轉矩，TL為負載轉矩，J為轉子與負載的轉動慣量。

　　根據以上得到的數學模型可以建立BLDCM的電機本體，其中反電勢模塊用查表法實現［3］。

　　2.2逆變器模型

　　無刷直流電動機的逆變器是三相全橋結構，主要由6個功率三極管和6個續流二極管組成，其仿真模型如圖4所示。

　　其工作方式為兩相導通模式，即每一瞬間有兩個功率管導通，每隔1/6周期（60°電角度）換相一次。電機正轉時各功率管的導通順序為：VT6、VT1→VT1、VT2→VT2、VT3→VT3、VT4→VT4、VT5→VT5、VT6→VT6、VT1，開關管的導通信號是由主控芯片根據轉子位置傳感信號產生的換相邏輯決定。

　　2.3換相邏輯和控制信號模型

　　BLDCM繞組換相通過檢測轉子位置實現［4］。各功率開關管的控制信號是轉子位置的函數，利用查表方法根據轉子位置信號可以方便地生成各功率開關的換相邏輯信號。

　　仿真中，PWM信號是由反饋電流信號生成三角波信號、轉速PI控制輸出作為直流給定信號，二者疊加后經一個滯環環節便得到等幅、等寬、等距的PWM波。

　　將換相邏輯信號和PWM信號進行邏輯與操作之后可以得到各開關管的控制信號，圖5所示的是VT1~VT6各功率開關管的控制信號。

　　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°導通狀態電路，其中，三相橋是由SimPowerSystems中的Universal Bridge構成的，觸發信號G由同步6脈沖發生器提供［5］。

　　設置交流電源和同步脈沖的頻率為50 Hz，6脈沖發生器的觸發角為0°。輸出端并聯大電容以穩定輸出電壓，并將其加至逆變器兩端。

3仿真與分析

　　設置仿真參數如下：

　　極對數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，反電動勢系數ke=0.635 V·rad/s，轉子轉動慣量J=2×10-3N·m·s2，仿真時間為0.2 s，仿真采樣步長為1×10-6 s。

　　系統的交流輸入電壓有效值為U1，給定轉速為n，系統的最大輸入電壓為120 V，額定輸入電壓為85.5 V，自動停機電壓為25 V。

　　對系統進行仿真，分別觀測輸入電壓為120 V、85.5 V、25 V時整流器輸出電壓Ud、A相電樞電流ia、A相反電動勢ea、轉速n和電磁轉矩Te波形，仿真結果如圖7~圖10所示。

　　由圖7、圖8看出，給定轉速為1 200 r/min，輸入電壓為最大電壓和額定電壓時，電機轉速都保持在1 200 r/min，電機電磁轉矩、電流等參數正常，系統運行性能良好。

　　由圖8、圖9看出，額定電壓下，電機的實際轉速始終跟蹤給定轉速，電機電磁轉矩等參數也隨給定轉速的變化而變化，系統出水量可調節。　　

　　根據仿真波形圖7~圖10還可以得到，由三相橋氏整流電路可得到U0≈2.34U1，在給定轉速下，系統響應快速平穩，轉速、電磁轉矩、相電流和相反電勢很快達到穩態，電磁轉矩脈動很小，各波形與無刷直流電動機的理論分析相吻合。

　　綜合仿真結果，BLDCM可根據輸入電壓大小自動提高轉速，從而使小型風力提水機系統可智能地根據風力大小提高出水量。當風力充裕時，系統閉環運行，需水量大時，使BLDCM工作在額定轉速，需水量小時，可以通過手動給定轉速，讓電機以額定轉速下的給定轉速工作，以滿足水量要求；當風力不足使得加在BLDCM定子端電壓不高從而使轉速較低時，電機的運行狀況較差。

4結論

　　本文根據無刷直流電動機的數學模型，提出了速度和電流雙閉環控制方案。利用MATLAB/Simulink建立了BLDCM控制系統的仿真模型，對系統整體模型進行了仿真，驗證了所得波形與理論波形相吻合，從而驗證了系統的可行性。通過分析不同輸入電壓、不同給定轉速下電機的運行情況，得出該系統可以根據輸入電壓大小自動提高轉速，并在一定范圍內實現轉速閉環控制。

參考文獻

　　［1］ 夏長亮. 直流無刷電機控制系統［M ］. 北京：科學出版社,2009.

　　［2］ 王立,劉景林. 無刷直流電動機驅動系統建模及故障分析［J］. 測控技術,2010,29（12）:35-39.

　　［3］ 楊樂梅.基于Matlab無刷直流電動機的控制系統建模仿真的新方法［J］. 青島大學學報,2008, 23（4）:61-65.

　　［4］ 葉振鋒,雷淮剛.基于Matlab的無刷直流電動機控制系統仿真［J］ .微特電機,2006,12（3）:22-26.

　　［5］ 姚俊，馬松輝.Simulink建模與仿真［M］.西安：西安電子科技大學出版,2002.