無刷直流電機仿真模型的建立與不同控制策略的仿真研究

1、研究與設(shè)計無刷直流電機仿真模型的建立與不同控制策略的仿真研究黃志峰, 胡育文, 高 瑾, 黃文新(南京航空航天大學(xué), 南京 210016摘 要:使用M ATLAB 仿真軟件中的模塊建立了永磁無刷直流電機的混合仿真模型。該模型具有簡單、直觀、參數(shù)改動方便等優(yōu)點, 已成為不同控制策略下的通用模型。使用該模型對無刷直流電機常用調(diào)制方式 電流滯環(huán)脈寬調(diào)制方式和新穎調(diào)制方式 直接轉(zhuǎn)矩控制方式進行仿真分析和比較, 結(jié)果表明, 直接轉(zhuǎn)矩控制方式是提高無刷直流電機運行性能的有效途徑, 同時體現(xiàn)了新建模型在仿真分析中的有效性。關(guān)鍵詞:無刷直流電機; 仿真模型; 直接轉(zhuǎn)矩控制; 脈寬調(diào)制中圖分類號:TM 301.

2、 2; T P391. 9 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1673 6540(2006 09 0003 05R esearch of BLDC Si m ulation M odel and Co mparison underD ifferent Control StrategiesHUANG Zhi feng, HU Yu w en, GAO J in, H UANG W en x i n (Nan ji n g Un iversity of Aeronautics&A stronautics , N anjing 210016, Ch i n aAbstract :A si m ula

3、ti on m odel of brush l ess DC m oto r under MAT LAB is estab lished . T his mode l has the v irt ues o f si m pleness , understandab ility , m od ify i ng pa rame ters eas il y ,i t can be an un i versa l m ode l under diff e rent contro lstrateg ies . In th i s paper , the perfor m ances o f BLDC

4、w it h different control strateg i es are compared :current hysteres i s P WM and direct torque contro l(DTC. The resu lts of si m ulation show t he m ode l is avail able and BLDC has good pe r for m ance under DTC .K ey word s :brush less DC mo tor ; si m ulation mode; l direct torque contro; l pu

5、lse w i d th modulation*航空 十五! 預(yù)研項目(402060201; 臺達科技基金0 引 言現(xiàn)代高磁能積和高矯頑力永磁材料的發(fā)展使永磁電機具備了高效率、長壽命、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單等一系列優(yōu)點, 已成為新一代航空航天用電機的首選1。永磁同步電機有永磁交流正弦電機(P M S M 和無刷直流電機(BLDC 兩種類型。與P M S M 相比, BLDC 的結(jié)構(gòu)更加簡單, 采用集中繞組后具有更高的功率密度, 在航空、航天和航海領(lǐng)域具有更大的競爭力。但是, 由于其電流波形為方波, 反電勢波形為梯形波, 穩(wěn)、動態(tài)特性不如P M S M, 因而限制了BLDC 的應(yīng)用。因此, 一

6、般在穩(wěn)、動態(tài)性能要求高的場合多采用P M S M, 而在普通場合(如家用電器、辦公儀器設(shè)備等 多采用BLDC 。本文運用MATLAB 強大的運算分析功能所建立的直觀、簡單的仿真模型, 能在MATLAB 運行環(huán)境下作為反電勢為梯形波的永磁BLDC 的通用模型。同時, 該模型可通過不同的控制方法對電機模型進行外部擴展及整個系統(tǒng)的仿真研究, 從而有利于各種控制策略的研究。本文在該模型下進行了電流滯環(huán)脈寬調(diào)制(P WM 方式和直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC 方式的仿真研究, 并在相同電機參數(shù)下進行了仿真分析。1 混合仿真模型的建立1. 1 永磁電機的數(shù)學(xué)模型本文中用于仿真的BLDC 的反電勢呈梯形3波, 電流呈

7、方波。電機三相定子繞組采用星形接法, 三相繞組完全對稱, 其自感為L, 互感為M, 電阻為R, i a 、i b 、i c 分別為三相繞組電流, u a 、u b 、u c 分別為相電壓, E a 、E b 、E c 分別為各相繞組的反電勢。其中, 電機永磁磁鋼為表面粘貼式的, 星形接法繞組等效電感為L -M, 電機的電壓方程為 u a u b u =R 0R 000 i a i b i +L -M 00 L -M 0L -ai b +E aE b E (1BLDC 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 BLDC 結(jié)構(gòu)圖1. 2 逆變器、電機模塊和反電勢的建立模型的逆變器使用MATLAB 中S I M

8、PO W ER SYSTE M S 庫中的模塊搭建, 如圖2所示。使用庫中封裝的絕緣柵門極晶體管(I G BT 三相逆變橋模塊不能觀測到續(xù)流過程。為了便于該模型研究二相導(dǎo)通模式下的續(xù)流情況, 使用理想開關(guān)和二極管搭建三相逆變橋后, 可以實現(xiàn)續(xù)流瞬態(tài)過程的觀測。圖2 逆變器模型電機模塊使用SI M POWERSYSTE M S 庫中的模塊搭建, 如圖3所示。圖3 電機模型BLDC 的數(shù)學(xué)模型簡單, 電感矩陣可以簡化成對角陣, 電機與逆變器可以實現(xiàn)完全的電氣連接(見圖3 。圖3中, 等效電感與相電阻可用電感元件與電阻元件實現(xiàn), 信號模塊是電機的反電勢模塊, BLDC 的反電勢為梯形波。本文根據(jù)電機

9、轉(zhuǎn)子位置產(chǎn)生反電勢, 所產(chǎn)生的反電勢為S i m ulink 信號, 通過電壓源模塊轉(zhuǎn)變成印制電路板(PSB 信號, 再加在繞組上。根據(jù)BLDC 的特性, 其反電勢幅值正比于速度。由E =p15W n (2定義反電勢系數(shù)k =15W (3故反電勢可表示成E =kn(4式中:p 極對數(shù);計算極弧系數(shù);W 每相有效串聯(lián)匝數(shù), 只與電機參數(shù)有關(guān)且為常數(shù); n 轉(zhuǎn)速。本文中反電勢和換相邏輯同時通過MATLAB 中的M 函數(shù)完成。使用M 函數(shù)建立三相反電勢為互差120的單位幅值梯形波, 最后得到BLDC 的反電勢是該單位幅值梯形波乘以實際電機轉(zhuǎn)速和反電勢系數(shù)。這樣, 還可以方便地根據(jù)電機實際情況改變反電

10、勢梯形波的平頂波寬度。此M 函數(shù)還可根據(jù)反電勢波形產(chǎn)生BLDC 的換相邏輯, 在反電勢梯形波波形到達頂部時, 產(chǎn)生該相上4 橋臂導(dǎo)通信號; 在頂部波形開始下降時, 該相上橋臂關(guān)斷。在負半周期, 該相下橋臂的導(dǎo)通情況與上橋臂相似。圖4示出了A 相一個周期內(nèi)單位幅值的反電勢波形和逆變器開通信號。 圖4 A 相反電勢和逆變器信號2 電流滯環(huán)P WM 方式P WM 方式是BLDC 常用的調(diào)制方式之一, 能滿足一般電機運行性能要求。近來有很多文章研究P WM 方式, 并使用各種方法改善控制效果。本文在仿真分析時采用了上橋臂直通、下橋臂斬波調(diào)制的方式。與上、下管均斬波的方式相比, 該方式開關(guān)損耗較小。通過

11、PI 速度調(diào)節(jié)器輸出給定電流, 與實際電流作比較, 實現(xiàn)對電流脈動的限制, 從而改善電機的運行特性。仿真用BLDC 的參數(shù)如下:極對數(shù)4; 相電感0. 9mH; 相電阻0. 35 ; 反電勢平頂波寬度(電角度 120; 反電勢系數(shù)k 為0. 0283。2. 1 仿真分析電流滯環(huán)P WM 方式仿真控制框圖如圖5。 圖5 電流滯環(huán)PWM 仿真控制框圖仿真中直流母線電壓為24V 、負載轉(zhuǎn)矩為1N %m, 給定轉(zhuǎn)速為200r /mi n 。該控制框圖中只有1個PI 調(diào)節(jié), 所以調(diào)節(jié)時比較方便。仿真得到的電流轉(zhuǎn)矩波形如圖6所示。圖6 P WM 方式下相電流和轉(zhuǎn)矩仿真波形2. 2 結(jié)果分析仿真分析表明,

12、電流滯環(huán)P WM 方式下電流脈動約為1A, 轉(zhuǎn)矩脈動約為0. 8N %m 。BLDC 的轉(zhuǎn)矩公式為T =E a i a +E b i b +E c i c(5其中, 為機械角速度。根據(jù)本文的反電勢產(chǎn)生方法, 可將轉(zhuǎn)矩改寫成T =2!(e a i a +e b i b +e c i c (6 其中, e a 、e b 、e c 為單位梯形波(見圖4 。在二相導(dǎo)通模式下, 不考慮開通關(guān)斷延時, 任意時刻有一相關(guān)斷, 電流為0。根據(jù)反電勢波形, 任意時刻轉(zhuǎn)矩與電流的關(guān)系為T =60k I (7 所以, 電流的脈動造成了轉(zhuǎn)矩的脈動, 其幅值正比于電流脈動幅值。式(7 可用于觀測非換相時刻轉(zhuǎn)矩與相電流的

13、關(guān)系。3 DTC 方式DTC 以磁鏈和轉(zhuǎn)矩為控制目標(biāo), 在異步電機和P M S M 的控制上取得了良好的效果。在BLDC上使用DTC 方式的研究在國內(nèi)外才剛剛開始3, 值得分析研究。3. 1 仿真中電壓空間矢量構(gòu)成二相導(dǎo)通模式下的電壓空間矢量(見圖7 不同于三相導(dǎo)通模式下的電壓空間矢量。P M S M 三相導(dǎo)通時, 每相的上、下橋臂是互補導(dǎo)通的, 知道上橋臂開關(guān)狀態(tài)后, 可以推算下橋臂的開關(guān)狀態(tài), 所以用3個數(shù)就可表征3個橋臂的開關(guān)狀態(tài)。P M S M 的二相導(dǎo)通模式存在上、下橋臂都關(guān)斷的情況, 所以必須用6個數(shù)表征所有開5 圖7 二相導(dǎo)通模式下的電壓空間矢量關(guān)狀態(tài)。定義 1! 為導(dǎo)通, 0!

14、 為關(guān)斷, 6個數(shù)字依次分別表示A 相橋臂上管、A 相橋臂下管、B 相橋臂上管、B 相橋臂下管、C 相橋臂上管、C 相橋臂下管, 則每個電壓矢量的表征方法如圖7所示。同時定義零矢量V 0(000000 。通過Park 變換得電壓空間矢量U =3(U A +U B e j120+U C e j240(83. 2 仿真中轉(zhuǎn)矩和磁鏈的觀測給定 轉(zhuǎn)矩觀測采用式(5 。在 坐標(biāo)系下, 定子磁鏈為電壓的積分#s =&(u s -R i d t #s =&(u s -R i d t(9式中:#s , #s 分別為磁鏈的 、分量;u s , u s 分別為電壓的 、分量; i , i 分別為電

15、流的 、分量;R 相電阻。定子磁鏈的幅值和空間位置為#s =#s+#s s=a rctan #s s(103. 3 仿真控制框圖和開關(guān)表仿真系統(tǒng)控制框圖如圖8, 開關(guān)表見表1。3. 4 仿真結(jié)果仿真電機參數(shù)同前, 直流母線電壓24V, 負載轉(zhuǎn)矩1N %m, 給定轉(zhuǎn)速200r/mi n 。仿真得到的電流和轉(zhuǎn)矩波形如圖9所示。仿真波形顯示, 在DTC 模式下電機的相電流脈動與電流滯環(huán)P WM 方式相當(dāng), 均為1A 左右, 但是轉(zhuǎn)矩脈動由0. 8N %m 左右下降到圖8 DTC 仿真框圖表1 開關(guān)表%&扇區(qū)(S ( +, 010-1V 1V 0V 3V 2V 0V 1V 3V 0V 2V 4

16、V 0V 6V 5V 0V 1V 6V 0V 2110-1V 1V 2V 3V 2V 3V 4V 3V 4V 5V 4V 5V 6V 5V6V 1V 6V 1V 2圖9 DTC 相電流和轉(zhuǎn)矩仿真波形0. 4N %m 左右?？梢? 電流波形在DTC 模式下并未改善, 但是其轉(zhuǎn)矩脈動相比電流滯環(huán)P WM 模式有所改善。這是因為兩種控制方式所控制的量是不同的:電流滯環(huán)P WM 方式以控制電流為目的, 通過減少電流脈動來減少轉(zhuǎn)矩脈動; 而DTC 方式是通過直接控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩來改善電機運行性能的。DTC 方式具有快速動態(tài)響應(yīng)特性, 所以在S i m ulink 下設(shè)置轉(zhuǎn)矩給定模塊測試BLDC 在DTC

17、方式下的動態(tài)特性。轉(zhuǎn)矩給定值依次為1. 2N %m 、0. 5N %m 、1. 2N %m 、-1. 2N %m 、-0. 5N %m 、-1. 2N %m 。仿真得動態(tài)響應(yīng)特性如圖10所示。6 圖10 直接轉(zhuǎn)矩調(diào)制轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)仿真波形圖10表明, 在DTC 方式下BLDC 能快速響應(yīng)給定轉(zhuǎn)矩, 響應(yīng)時間小于1m s 。同時, 非常重要的是DTC 方式下電機能夠得到負轉(zhuǎn)矩, 正轉(zhuǎn)矩也能快速切換到負轉(zhuǎn)矩, 負轉(zhuǎn)矩之間的切換也同樣具有很好的動態(tài)特性。在DTC 方式下僅使用開關(guān)表就可以得到正、負轉(zhuǎn)矩, 不存在正、負轉(zhuǎn)矩的邏輯切換。4 兩種方式的比較在性能要求不高的場合, BLDC 通常工作在開環(huán)三相

18、六拍120導(dǎo)通方式下, 實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速運行, 其控制簡單可靠, 易實現(xiàn), 成本低; 但是, 同時帶來了換相時刻轉(zhuǎn)矩脈動大的遺憾, 所以不能工作在高要求場合。在電流滯環(huán)P WM 方式下, BLDC 通過電流滯環(huán)抑制轉(zhuǎn)矩脈動來改善運行性能, 轉(zhuǎn)矩脈動小于三相六拍120導(dǎo)通方式。電流滯環(huán)P WM 方式下, 減少滯環(huán)寬度能使電流轉(zhuǎn)矩脈動減少, 但帶來了如下不足:(1 電流滯環(huán)寬度減小, 開關(guān)頻率上升, 逆變橋開關(guān)損耗加大;(2 在電機電感較小或輕載情況下, 電機電流很難控制在滯環(huán)寬度內(nèi), 同時考慮到系統(tǒng)中的控制周期問題, 滯環(huán)寬度過小意義不大, 繼續(xù)減小滯環(huán)寬度時電流脈動并不能減小。DTC 方式作為一種先進的標(biāo)量控制技術(shù), 其控制結(jié)構(gòu)簡單, 不存在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換計算。由本文仿真分析結(jié)果可知, DTC 方式通過查表方法選擇最優(yōu)的電壓空間矢量來實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的實時控制, 使BLDC 擁有較好的穩(wěn)態(tài)性能, 在換相時刻抑制了轉(zhuǎn)矩脈動。又由動態(tài)仿真結(jié)果看出, 在DTC 方式下電機具有很好的動態(tài)特性。5 結(jié) 語(1 本文在MATLAB 軟件中建立了反電勢為梯形波的BLDC 模型。該模型形象直觀, 通過簡單的修改、擴充, 能應(yīng)用于不同的控制策略, 方便BLDC 的控制策略研究。(2