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

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(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了分析的正確性。

無刷直流電機(jī) 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(diǎn)，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(yùn)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(diǎn)，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(jī)（BLDCM）由于既有直流電機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵磁損耗、調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)，又有交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)相級聯(lián)的方式組成雙PWM控制系統(tǒng)，整流側(cè)實(shí)現(xiàn)對直流母線電壓進(jìn)行大范圍調(diào)壓以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的，逆變側(cè)的開關(guān)管僅根據(jù)電機(jī)的霍爾傳感器的霍爾信號進(jìn)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(jìn)行控制，并通過Matlab/Simulink進(jìn)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)基本原理

永磁無刷直流電機(jī)與一般的直流電機(jī)相比有很多相似點(diǎn)，但是無刷直流電機(jī)沒有電刷的換相器，通過位置傳感器的信號進(jìn)行電子換相，減小了電機(jī)的制造和維護(hù)成本，提高了電機(jī)的使用壽命。無刷直流電機(jī)由逆變裝置、電機(jī)本體和控制裝置組成，電機(jī)本體包括定子、轉(zhuǎn)子兩部分部分組成。

無刷電機(jī)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(jī)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(jī)換相信號圖

由此分析，使無刷直流電機(jī)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(jìn)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)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(jī)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(jìn)行寬范圍調(diào)節(jié)，進(jìn)而對無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。而逆變裝置僅根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號進(jìn)行電子換相，這樣就構(gòu)成了無刷直流電機(jī)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(jì)

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(jìn)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速的給定值*和反饋得到誤差，經(jīng)過控制器進(jìn)行響應(yīng)的計(jì)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、i和i、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(jìn)行相應(yīng)的計(jì)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(jī)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(yùn)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(jī)工作在轉(zhuǎn)速每分鐘800轉(zhuǎn)時，交流側(cè)電壓電流同相位。可以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，從圖6、圖7可以看出系統(tǒng)工作時，由于無刷直流電機(jī)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(shí)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(shí)驗(yàn)過程，同樣可得，電機(jī)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?shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)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(shí)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(jī)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(yàn)證，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的大范圍調(diào)速，且能減小電機(jī)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(shí)驗(yàn)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