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| 基于Buck—B00st變換器驅動的無刷直流電動機控制系統(tǒng)(zxj) |
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摘要：提出在無刷直流電動機的驅動三相逆變橋的輸入端加前級降壓一升壓(Buck—Boost)變換器，采用轉速和直流母線電流的多環(huán)反饋控制方法實現(xiàn)電機的控制。該方法減少r開關損耗，逆變器尺寸和成本。通過MAT—LAB／simulink仿真驗證了該療法的有效性和町行性。
關鍵詞：無刷直流電動機；降壓-升壓變換器；逆變器
O引 言
無刷直流電動機(以下簡稱BLDcM)是一種高性能、高可靠性的機電一體化產(chǎn)品。它具備交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，又具備有刷直流電動機的運行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點，同時克服了有刷直流電動機的機械電刷和換向器所帶來的噪聲、火花、無線電干擾及壽命短等弊病，降低了制造成本，簡化了電機的維修。正因為如此，無刷直流電動機在民用和軍用技術等領域得到了廣泛應用。
本文提出一種基于Buck—Boost變換器的無刷直流電動機控制系統(tǒng)，通過轉速和直流母線電流的多反饋閉環(huán)實現(xiàn)電機控制的策略。在分析此控制系統(tǒng)的基礎上，通過MATLAB／simulink仿真驗證了控制系統(tǒng)的有效性。
1驅動部分民用無刷直流電動機的驅動一般由交流電源、整流器(交流一直流變換器)、直流母線電容濾波器和實現(xiàn)電機換向的三相逆變器(直流一交流變換器)組成。大多數(shù)無刷直流電動機驅動能量由電網(wǎng)單相交流電源提供，所以整流器也是單相的。本文提出方法的驅動總體結構如圖1所示。
l.1 BLDcM數(shù)學模型
以兩相導通星形三相六狀態(tài)為例，分析無刷直流電動機的數(shù)學模型。為r便于分析，假設：
(1)三相繞組完全對稱，空間上互差120。電角度；(2)三相繞組電阻、電感參數(shù)完全相同；(3)轉子永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場為方波，三相繞組反電動勢為梯形波；(4)忽略齒槽、換向過程和電樞反應等的影響；(5)磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗。
則無刷直流電動機數(shù)學模型方程式：
式中：ua、ub、uc為定子相繞組電壓；ia、ib、ic為定子相繞組電流；ea、eb、ec為定子相繞組反電動勢電壓；L為每相繞組的自感；M為每兩相繞組間的互感；p為微分算子，p=d/dx。l_2逆變器三相逆變器受無刷直流電動機轉子位置傳感器的控制。來自位置傳感器的信號，按一定的邏輯使三相逆變器的開關管順序導通，電機電樞繞組內(nèi)的電流發(fā)生跳變，從而改變了定子的磁狀態(tài)，以保證無刷直流電動機可靠運行。逆變器開關管一般選用MOsFET，因為它有很高的開關頻率，易于進行PwM調(diào)制。
根據(jù)本文提出的方法，Buck—B00st變換器選用高頻的MOsFET開關管，所以三相逆變橋開關管可以選用IGBT，并且IGBT采用恒通方式，即每一個狀態(tài)區(qū)間內(nèi)處于開通的兩個開關管不進行PwM調(diào)制，所以逆變器控制比較簡單，而且可以極大地減少開關損耗。
1．3整流器
民用技術中，直流電壓通常都是通過單相交流電源得到，采用簡單的二極管整流器就可以實現(xiàn)。
由于電網(wǎng)電流不是理想的正弦波，而且負載也會產(chǎn)生諧波和干擾，因此在電源端需要加濾波器，本文選用RL濾波器。整流器輸出端電容c，的作用是減少直流母線的電壓脈動。
1．4 Buck—B00st變換器
無刷直流電動機調(diào)速一般是通過改變逆變器中開關管的PWM控制信號實現(xiàn)的，但是這種控制在高速和瞬態(tài)時會造成換相延遲和很高的開關損耗。
本文通過控制Buck—Boost電路開關管的占空比大小，來連續(xù)地調(diào)節(jié)直流母線電壓v，進而實現(xiàn)調(diào)速，后級三相逆變橋采用恒通控制方式。
Buck—Boost直流變換器也稱為反極性變換器，是輸出電壓可低于或也可高于輸入電壓的一種單管直流變換器，其電路結構如圖2所示。
理論上，電路。p電感L和輸出電容c：選取足夠大，電流波形和電壓波形會很平滑，并在穩(wěn)態(tài)時保持常值。但從經(jīng)濟和尺寸角度考慮，L和c2選取能保持電流與電壓脈動在較低水平即可。
變換器基本工作原理是在一個周期的一段時間內(nèi)使電感儲能，在后一段時間內(nèi)將儲能傳遞給負載，輸出電壓極性與輸入電壓相反，開關管采用PwM控制方式，可以推導出如下關系式：
式中：V為直流母線電壓(Buck—Boost變換器輸出電壓)；Vi為輸入電壓(整流器輸出電壓)；ton為一個周期內(nèi)MOSFET開通時間；t為一個周期內(nèi)M0s—FET關斷時間；D為占空比；I為輸出平均電流；IT為電感平均電流。
2控制部分
無刷直流電動機轉子位置傳感器提供逆變器開關管IGBT順序導通的120。方波信號，控制部分通過Buck—B00st變換器調(diào)節(jié)逆變器輸入電壓，實現(xiàn)電機控制。
2．1控制器改變Buck—Boost
變換器中MOsFET開關管占空比可調(diào)節(jié)逆變器輸入電壓，開關管MOsFET的PwM控制信號生成如圖3所示。
轉速反饋信號ω與給定轉速信號ω的誤差信號通過速度控制器(PI調(diào)節(jié)器)生成參考母線電流I；母線輸出電流I。與I的誤差信號輸入負載電流控制器(PI調(diào)節(jié)器)可以更精確地調(diào)節(jié)開關管占空比，實現(xiàn)Buck—Boost變換器較小的電流脈動；電感電流IL與參考電流IL的誤差信號通過Buck—Boost電流控制器(PI調(diào)節(jié)器)可獲得MOsFET開關管管的導通周期。輸出與三角波相比產(chǎn)生MOsFET管開關頻率，三角波的頻率選為20 kHz。
3仿真結果
無刷直流電動機參數(shù)如表1所示。
在MATLAB／simulink環(huán)境下，根據(jù)無刷直流電動機數(shù)學模型，搭建無刷直流電動機典型控制模型以及本文提出的基于Buck—B00st變換器的控制模型，進行仿真比較。
無刷直流電動機典型控制模型由265 V直流電源供電，轉速和直流母線電流構成雙閉環(huán)反饋控制。
三相逆變器仿真選用開關管MOsFET，開關頻率選10 kHz。電機從起動到穩(wěn)態(tài)的定子A相電流，電磁轉矩，轉速仿真波形如圖4所示，電機從起動到轉速達到額定轉速需要0.05 s左有的時間，穩(wěn)態(tài)時的局部放大波形如圖5所示。
無刷直流電動機基于Buck—Boost變換器的控制模型從起動到穩(wěn)態(tài)的直流母線電流和電壓仿真波形如圖6所示。定子A相電流、電磁轉矩、轉速仿真波形如圖7所示。穩(wěn)態(tài)時的局部放大波形如圖8所示。
直流母線電壓隨著轉速的增加而增加。輸入單相正弦交流電含有二次諧波，會造成直流母線電壓脈動，增大電容G可以減小直流母線電壓的脈動。
無刷直流電動機從起動到轉速達到額定轉速(12 000 r／min)需要0.15 s左右，這個過程中母線電流比穩(wěn)態(tài)時大，但是在可以接受的范圍內(nèi)。
穩(wěn)態(tài)時定子相電流和電磁轉矩的變化頻率為100HZ，是電網(wǎng)頻率的兩倍，這都會增大控制系統(tǒng)銅損。
4結語
本文提出的無刷直流電動機控制模型，將速度控制從逆變器換向中分離，并且在直流母線巾引入了Buck—B00st變換器，通過仿真及波形的分析驗證了方案的有效性及可行性。逆變器開關管T作在更低的頻率，尺寸更小，成本更低；由于只有Buck—B。ost變換器開關管工作在高頻狀態(tài)，逆變器開關損耗會減少；比較圖4和圖7，本文提出方法通過增加起動時間(O.05～0.15 s)，使起動電流和起動轉矩減小很多。
主要缺點是電網(wǎng)交流電壓脈動會傳到驅動電路的其他部分，導致直流母線電壓脈動增大，從而使穩(wěn)態(tài)轉速波動變大。通過增大濾波電容c1和c2可以減小波動，但增大電容會增加成本和尺寸，所以c1和c2要根據(jù)要求適當選取。
文章源：中國步進電機網(wǎng) |
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