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        基于復(fù)合型雙PWM在BLDCM控制中的仿真分析

        2019-10-08 03:21:56張興亮孟光偉張兵鋒彭見仁
        船電技術(shù) 2019年9期
        關(guān)鍵詞:整流器直流電機導(dǎo)通

        張興亮,孟光偉,張兵鋒,彭見仁

        基于復(fù)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(xué)電氣工程學(xué)院,武漢 430033)

        本文分析了BLDCM及復(fù)合型PWM整流器的基本原理,將復(fù)合型PWM整流器與BLDCM相結(jié)合構(gòu)成雙PWM控制系統(tǒng),以減小諧波電流對電網(wǎng)的影響。建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)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(zhuǎn)速控制 雙PWM

        0 引言

        傳統(tǒng)三相電壓型PWM整流器有諸多優(yōu)點,正常工作時,能使輸入功率因數(shù)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(tǒng)的電壓型PWM 整流器為升壓型變換器,運行在單位功率因數(shù)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(xué)者提出的三相電壓型PWM 整流器與Cuk 電路相結(jié)合的復(fù)合型PWM整流器[3,4]不僅具備上述傳統(tǒng)PWM整流器的優(yōu)點,而且能拓寬輸出直流電壓的調(diào)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(diào)速性能好等優(yōu)點,又有交流電機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點,因此得到了廣泛應(yīng)用。本文采用復(fù)合型PWM整流器與無刷直流電機相級聯(lián)的方式組成雙PWM控制系統(tǒng),整流側(cè)實現(xiàn)對直流母線電壓進行大范圍調(diào)壓以控制電機轉(zhuǎn)速的,逆變側(cè)的開關(guān)管僅根據(jù)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(wǎng)的影響。而在傳統(tǒng)電壓型PWM整流器的各種控制方法中,電壓電流雙閉環(huán)控制最為普遍,而本文將采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制策略來對系統(tǒng)進行控制,并通過Matlab/Simulink進行仿真研究。

        1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及原理分析

        復(fù)合型雙PWM系統(tǒng)是由復(fù)合型PWM整流器與無刷直流電機相結(jié)合得到的,所以下面先對復(fù)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(fù)合型PWM整流電路的基本原理

        復(fù)合型PWM是由我國臺灣地區(qū)的Ching-Tsai Pan等學(xué)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?fù)浣Y(jié)構(gòu),其開關(guān)等效電路如圖1所示,是S1~S6分別為6個等效開關(guān),1和1為交流側(cè)等效電阻和電感。

        圖1 復(fù)合型PWM整流器結(jié)構(gòu)示意圖

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

        設(shè)d為直通矢量的占空比,在直通期間dT內(nèi),三個橋臂至少有一處于直通狀態(tài),電容1經(jīng)開關(guān)管向負(fù)載,電感2,電容0放電。

        在非直通期間(1-0)內(nèi),橋臂上的6個開關(guān)按照傳統(tǒng)升壓型PWM型整流器進行工作,二極管正向?qū)?,整流器?jīng)二極管向電容1充電,同時,i也經(jīng)二極管續(xù)流而向負(fù)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(zhuǎn)子兩部分部分組成。

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

        當(dāng)無刷直流電機正轉(zhuǎn)時,霍爾信號與定子電流以及開關(guān)管狀態(tài)關(guān)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(fù),得到開關(guān)管VT3、VT5導(dǎo)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(fù),得到開關(guān)管VT3、VT4導(dǎo)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(fù),得到開關(guān)管VT2、VT4導(dǎo)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(fù),開關(guān)管VT2、VT6導(dǎo)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(fù),開關(guān)管VT1、VT6導(dǎo)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(fù),開關(guān)管VT1、VT5導(dǎo)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(yīng)的邏輯運算,最后產(chǎn)生開關(guān)管的驅(qū)動信號。

        1.3 復(fù)合型雙PWM系統(tǒng)的基本原理

        將復(fù)合型PWM整流器與無刷直流電機相聯(lián),組成復(fù)合型雙PWM系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。復(fù)合型PWM整流器可對直流母線電壓進行寬范圍調(diào)節(jié),進而對無刷電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。而逆變裝置僅根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號進行電子換相,這樣就構(gòu)成了無刷直流電機的最簡單的控制方式。

        圖3 復(fù)合型雙PWM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

        2 控制系統(tǒng)的設(shè)計

        2.1 零矢量拓展

        表1 拓展零矢量列表

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

        根據(jù)復(fù)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(dǎo)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?zhèn)鹘y(tǒng)SVPWM中的零矢量。為了控制方便,本文采用V77代替?zhèn)鹘y(tǒng)SVPWM中的V07和V70。

        2.2 控制策略的選取

        本系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)??刂平Y(jié)構(gòu)如圖4所示,通過采集網(wǎng)側(cè)電流值a、b、c和電壓值a、b、c,電機的轉(zhuǎn)速,分別將a、b、c、a、b、c從三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到與電網(wǎng)基波同頻率的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(zhuǎn)速環(huán)作為外環(huán),電機轉(zhuǎn)速的給定值*和反饋得到誤差,經(jīng)過控制器進行響應(yīng)的計算,得到輸出有功電流給定i,電流環(huán)作為內(nèi)環(huán),為了使輸入功率因數(shù)為1,必須使無功電流為零,因此無功電流給定i為零。i、ii、i得到的誤差分別經(jīng)過各自的控制器以及前饋解耦控制后,進行相應(yīng)的計算,得SVPWM控制策略算法,經(jīng)SVPWM調(diào)制后輸出6路脈沖驅(qū)動信號,控制PWM整流器中的開關(guān)器件。

        圖4 系統(tǒng)雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

        3 系統(tǒng)的仿真分析

        根據(jù)前文所確定的控制策略,采用Matlab/simulink搭建仿真模型,系統(tǒng)主要由整流部分、逆變部分和無刷直流電機組成,系統(tǒng)參數(shù)按照表2設(shè)置,給定不同的轉(zhuǎn)速值,觀察BLDCM的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及直流母線電流的脈動和交流側(cè)功率因數(shù)、電流諧波等參數(shù)。

        當(dāng)轉(zhuǎn)速給定值取*=800 r/min時,仿真時間設(shè)為4秒,運行仿真模型,得到交流側(cè)電壓電流波形、交流側(cè)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(cè)電流放大15倍。

        表2 仿真參數(shù)

        從圖5中可以看出,電機工作在轉(zhuǎn)速每分鐘800轉(zhuǎn)時,交流側(cè)電壓電流同相位??梢詫崿F(xiàn)單位功率因數(shù)運行,從圖6、圖7可以看出系統(tǒng)工作時,由于無刷直流電機換相引起電流脈動,導(dǎo)致直流母線電壓上的諧波比較大。而經(jīng)過復(fù)合型PWM整流器的作用,在網(wǎng)側(cè)電流諧波可以達(dá)到很小,滿足諧波要求。實現(xiàn)了諧波抑制的目的。

        將轉(zhuǎn)速給定值設(shè)為*=2500 r/min,重復(fù)上面的實驗過程,同樣可得,電機工作在轉(zhuǎn)速每分鐘2500轉(zhuǎn)時,也能滿足交流側(cè)電壓電流同相位??梢詫崿F(xiàn)單位功率因數(shù)運行,且直流母線電壓上的諧波比較大。而經(jīng)過復(fù)合型PWM整流器的作用,在網(wǎng)側(cè)電流諧波可以達(dá)到很小,滿足諧波要求。實現(xiàn)了諧波抑制的目的。

        圖5 交流側(cè)電壓電流波形

        圖6 直流母線電流FFT分析

        4 結(jié)論

        本文分析了復(fù)合型PWM整流器及永磁無刷電機的基本原理,并將其結(jié)合起來組成雙PWM控制系統(tǒng),通過分析和仿真驗證,本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電機的大范圍調(diào)速,且能減小電機的諧波電流對電網(wǎng)的影響,具有良好的工程應(yīng)用價值。也為下一步具體實驗打下理論基礎(chǔ)。

        圖7 網(wǎng)側(cè)電流FFT分析

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        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

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