基于Buck-Boost變換器驅動的無刷直流電動機控制系統

孟武勝，王 波，何 博

(西北工業大學，陜西西安710072)

0 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品。它具備交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等優點，又具備有刷直流電動機的運行效率高、無勵磁損耗以及調速性能好等諸多優點，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［1－2］。

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，通過轉速和直流母線電流的多反饋閉環實現電機控制的策略。在分析此控制系統的基礎上，通過MATLAB/Simulink仿真驗證了控制系統的有效性。

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－直流變換器)、直流母線電容濾波器和實現電機換向的三相逆變器(直流－交流變換器)組成。大多數無刷直流電動機驅動能量由電網單相交流電源提供，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。

圖1 無刷直流電動機驅動總體結構

1.1 BLDCM 數學模型［1－3］

以兩相導通星形三相六狀態為例，分析無刷直流電動機的數學模型。為了便于分析，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、電感參數完全相同;

(3)轉子永磁體產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學模型方程式:

在電機運行過程中，電磁轉矩表達式:

式中:ω為電機機械角速度。

機械運動方程:

1.2 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，電機電樞繞組內的電流發生跳變，從而改變了定子的磁狀態，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調制。

根據本文提出的方法，Buck－Boost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，即每一個狀態區間內處于開通的兩個開關管不進行 PWM調制，所以逆變器控制比較簡單，而且可以極大地減少開關損耗［5］。

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。由于電網電流不是理想的正弦波，而且負載也會產生諧波和干擾，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C1的作用是減少直流母線的電壓脈動。

1.4 Buck －Boost變換器［7］

無刷直流電動機調速一般是通過改變逆變器中開關管的PWM控制信號實現的，但是這種控制在高速和瞬態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，來連續地調節直流母線電壓Vo，進而實現調速，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。

圖2 Buck－Boost變換器

理論上，電路中電感L和輸出電容C2選取足夠大，電流波形和電壓波形會很平滑，并在穩態時保持常值。但從經濟和尺寸角度考慮，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使電感儲能，在后一段時間內將儲能傳遞給負載，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:Vo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MOSFET開通時間;toff為一個周期內MOSFET關斷時間;D為占空比;Io為輸出平均電流;IL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－Boost變換器調節逆變器輸入電壓，實現電機控制。

2.1 控制器

改變Buck－Boost變換器中MOSFET開關管占空比可調節逆變器輸入電壓，開關管MOSFET的PWM控制信號生成如圖3所示。

圖3 速度電流反饋控制環

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調節器)生成參考母線電流;母線輸出電流Io與的誤差信號輸入負載電流控制器(PI調節器)可以更精確地調節開關管占空比，實現Buck－Boost變換器較小的電流脈動;電感電流IL與參考電流的誤差信號通過Buck－Boost電流控制器(PI調節器)可獲得MOSFET開關管管的導通周期。輸出與三角波相比產生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如表1所示。

在MATLAB/Simulink環境下，根據無刷直流電動機數學模型，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－Boost變換器的控制模型，進行仿真比較［8－9］。

表1 BLDCM參數

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。電機從起動到穩態的定子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左右的時間，穩態時的局部放大波形如圖5所示。

圖4 典型控制模型仿真波形

圖5 典型控制模型局部放大波形

無刷直流電動機基于Buck－Boost變換器的控制模型從起動到穩態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。穩態時的局部放大波形如圖8所示。

圖6 基于Buck－Boost變換器控制模型的直流母線電流、電壓仿真波形

圖7 基于Buck－Boost變換器控制模型的相電流、電磁轉矩、轉速仿真波形

圖8 基于Buck－Boost變換器控制模型的相電流、電磁轉矩、轉速局部放大波形

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C2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態時大，但是在可以接受的范圍內。

穩態時定子相電流和電磁轉矩的變化頻率為100 Hz，是電網頻率的兩倍，這些都會增大控制系統銅損。

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，并且在直流母線中引入了Buck－Boost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。逆變器開關管工作在更低的頻率，尺寸更小，成本更低;由于只有Buck－Boost變換器開關管工作在高頻狀態，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(0.05～0.15 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，從而使穩態轉速波動變大。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要根據要求適當選取。

［1］ 龍駒，舒欣梅.永磁無刷直流電動機轉速控制系統的優化設計［M］.四川:西南交通大學出版社，2006.

［2］ 劉剛，王志強，房建成.永磁無刷直流電機控制技術與應用［M］.北京:機械工業出版社，2008.

［3］ 葉金虎.現代無刷直流永磁電動機的原理和設計［M］.北京:科學出版社，2007:4－43.

［4］ 張曉鋒，胡慶波，呂征宇.基于BUCK變換器的無刷直流電機轉矩脈動抑制方法［D］.電工技術學報，2005(9):20－29.

［5］ 宋毅.基于Buck－Boost變換器的無刷直流電機轉矩脈動抑制的控制仿真研究［D］.大連:大連交通大學，2008.

［6］ Khopkar R，Madani S M，Hajiaghajani M，et al.A Low － Cost BLDC Motor Drive using Buck－Boost Converter for Residential and Commercial Application［C］//IEEE International Electric Machines and Drives Conference.2003，2:1251 －1257.

［7］ 李宏，王崇武.現代電力電子技術基礎［M］.北京:機械工業出版社，2009.

［8］ 楊永亮.雙余度無刷直流電機控制技術研究［D］.西安:西北工業大學，2007.

［9］ 張海濤.高精度雙余度舵機伺服系統研究［D］.西安:西北工業大學，2007.

［10］ Lai Y S，Lee K Y，Tseng J H，et al.Efficiency Comparison of PWM－Controlled and PAM－Controlled Sensorless BLDCM Drives for Refrigerator Applications［C］//Conference Record of the 42nd IEEE IAS Annual Meeting.2007:268－273.