基于鎖相環和雙模速度雙重控制的永磁無刷直流電機的研究

徐春雷，韓長遠（國網新疆電力公司阿克蘇供電公司，新疆阿克蘇843000）

基于鎖相環和雙模速度雙重控制的永磁無刷直流電機的研究

徐春雷，韓長遠
（國網新疆電力公司阿克蘇供電公司，新疆阿克蘇843000）

無刷直流電機系統具有轉矩電流比高、轉速高、動態性能好、可靠性高和易于控制等優點，在中小功率驅動場合應用廣泛；但其缺點是轉矩脈動大并易造成速度波動，目前普遍采用速度－電流雙閉環PI控制。在無刷直流電機用于某些負載變化率大及大慣量的速度控制模式下時，可能因速度不穩帶來震動、諧振、噪聲等問題。研究討論了一種基于鎖相環和雙模的速度控制法，利用鎖相環加上速度環的方法，有效改善了傳統速度電流PI調節器在無刷直流電機大慣量負載中存在的轉速波動問題，在實際應用中具有良好的速度控制精度和穩定性。

無刷直流電機；速度波動；鎖相環；雙模速度控制

1　引言

2　永磁無刷直流電機

飛輪儲能系統中飛輪電機是其至關重要的部分，它是一個集電動機與發電機功能于一體的器件，承擔著轉換能量的重任。考慮到飛輪儲能系統的運行特點，從經濟、結構、性能等全方位考慮，一般飛輪儲能系統中選取永磁無刷直流電機作為飛輪電機。

2.1永磁無刷直流電機的結構

如圖1所示為永磁無刷直流電機的組成框圖，它主要包括三大部分：電機本體（定子、轉子）、轉子位置傳感器和電子換相線路。在無刷直流電機中，位置傳感器實時監測轉子的位置并把數據變換成相應的數據信號，由電子換向線路分析并控制電樞繞組連接的相關功率器件的通斷以實現換相。

2.1.1轉子位置傳感器

圖1　永磁無刷電機的組成框圖

轉子位置傳感器是無刷直流電機的一個關鍵部分，其功能就是監測轉子磁極的實時位置，確保電子換相線路的正確通斷。具體實現也就是將檢測到的轉子磁極的位置信號變換成相應的電信號，以便于控制定子繞組換相。常用無刷直流電機的位置傳感器可分為以下幾大類：

（1）電磁式

當土壤介電常數為ε，天線間距為L，地面直達波的傳播時間t可以通過對雷達記錄剖面的分析來提取，傳播速度v=L/t，則有：

其工作原理是根據電磁效應來實現轉子位置監測的，分為鐵磁諧振電路、開口變壓器、接觸開關等類型。其具有結構緊湊、輸出信號強、環境適應性能強、運行可靠、使用壽命長等優點。這類位置傳感器的信噪比較低，較為笨重，且其輸出波形通常需要整流后再濾波才可以使用。

（2）光電式

光電式位置傳感器是根據光電效應的原理制成的，其主要組成為固定的光源和旋轉的遮光板等。遮光板隨著轉子旋轉，而光敏晶體管根據遮光板的旋轉不斷發出“亮電流”和“暗電流”信號，由此來判定轉子磁極的位置。這類傳感器的性能相對比較穩定，但對工作條件要求苛刻，輸出信號干擾大，壽命短。

（3）磁敏式

磁敏式位置傳感器的基本原理為磁阻效應和霍爾效應，常見的器件有磁敏電阻器、霍爾元件等。位置傳感器根據永磁轉子每轉過一對磁極（N、S極）轉角，產生與電機邏輯分配狀態相對應的開關狀態數，以完成電機一個換相的全過程。轉子的磁極對數越多，在360°電角度內完成換相過程的次數也就越多。磁敏式位置傳感器具有結構簡單、體積小、易于一體化安裝等優點。常用的霍爾集成電路為US1881等。

2.1.2電子換向電路

在直流無刷電機中，電子換向電路主要由位置傳感器的信號處理單元和功率邏輯開關控制單元組成，控制著定子上各相繞組的通斷順序。它的功能是處理位置傳感器檢測的轉子位置信號，并按照一定的順序輸出電信號，控制著相應功率開關器件的導通或者關斷。電樞繞組每換相一次，其磁狀態就變化一次，那么在電機的工作氣隙內，就會產生一個跳躍式的旋轉磁場，驅動轉子不斷地旋轉。因此，正確換相才能保證無刷直流電機可靠運行。

電子換向電路可分為橋式和非橋式兩類，雖然其與電樞繞組的聯結方式多種多樣，但是最常見的為三相星型全控狀態和三相星型半控狀態。大多數的電子換向電路采用的是晶閘管器件，但其實現關斷要借助于電流過零點或者反電動勢，并且由于該開關器件的頻率較低，限制了其適用于逆變器的范圍。隨著新型可關斷全控型器件的發展，電子換向器件多采用功率管MOSFET或IGBT構成，其優點為開關頻率高，控制簡單，可靠性高等。

2.2永磁無刷直流電機的工作原理

無刷直流電動機（BLDCM）是指內部磁場為梯形波，定子繞組電流為方波的永磁無刷直流電動機。可看作是一臺用電子換向裝置取代機械電刷的直流電機。如圖2所示為無刷直流電機的工作原理框圖：由電子換向線路根據監測到的相應主轉子位置信號，并以此來驅動與電樞繞組相連接的功率開關器件，控制并驅動永磁轉子不斷地旋轉。

圖2　永磁無刷電機的原理框圖

電機控制電路可分為三相全控電路、三相半控電路兩種。三相半控電路結構簡單，但電路的利用率較低，因為在一個電周期內每個電樞繞組只有1／3周期是通電的，而另外的2／3周期時間內是處于斷電的狀態，顯然沒有充分利用，且運行中轉矩波動也較大。因此，本文選用三相全控式電路，以功率器件兩兩導通的三相六狀態的控制電路為例來具體化說明。圖3為一種三相逆變橋與Y形電機繞組接法的控制電路圖。

圖3　三相逆變橋與Y型電機繞組的控制圖

圖4　無刷直流電機的正反轉換相邏輯關系圖

整個系統的工作過程如下：由霍爾傳感器監測電機轉子磁極位置的信號，發給控制電路并邏輯變換，生成6路驅動信號控制逆變電路功率開關器件的通斷，進而調節驅動電機三相繞組的電壓波形，使電機按照某一方向持續旋轉。無刷直流電機的正反轉換相邏輯關系圖如圖4所示，整個逆變電路在一個周期內邏輯導通順序為：HB→LC，HB→LA，HC→LA，HB→LB，HA→LB，HA→LC…。

2.3無刷直流電機的控制

為了更好地控制無刷直流電機，本文采用鎖相環控制方法并結合雙模速度控制方法來控制電機的運作。

鎖相環的主要作用是保持反饋信號與給定的基準值同步，采用該方法能夠穩定且高精度地控制電機的速度。鎖相環系統是基于轉速和反饋轉速間相位或頻率的差異來矯正電機轉速。因此只需要設定精度較高的基準信號頻率，系統的穩定精度就可提高。結構上一般由鑒頻鑒相器（PFD）、低通濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO）組成，其工作原理如圖5所示。

圖5　鎖相環內部結構原理圖

圖6　鎖相環電機控制原理框圖

如圖6所示，鎖相環穩速模塊可實現鑒相器和低通濾波器的功能，故可由無刷直流電機、電機驅動裝置、逆變器和轉子位置檢測裝置共同組成帶有慣性的電壓控制振蕩器（VCO）。

由于常規的速度環與電流環構成的雙閉環控制系統，不能滿足磁懸浮飛輪用無刷直流電機的高精度控制要求，因此，必須基于電流環與高精度鎖相環兩部分采取雙模的速度控制系統，實現電機的轉矩運行以及高精度高轉速運行，其雙模速度控制原理框圖如圖7所示。

圖7　直流電機速度控制系統結構框圖

首先設定一個速度基準值參數，當速度反饋值與速度設定值的差值大于設定的基準值偏差時，電機處于電流環控制器作用下，控制電機相應的加速或減速，并快速向速度鎖定值靠攏。當速度反饋值與速度反設定值的差值小與基準值偏差時，電機處于鎖相環控制器作用下，完成飛輪用無刷直流電機的高精度控制，并且使用相應的外圍模塊電路，以增強控制系統的抗干擾性能。

3　基于鎖相環和雙模速度控制的無刷直流電機的仿真分析

本仿真采用Mathworks公司的MATLAB作為仿真工具，利用Simulink中的Power System模塊來搭建模型，構成無刷直流電機的轉速及電流的雙閉環直流調速系統，該仿真模型如圖8所示，由晶閘管－直流電機組成的主電路和轉速電流調節器組成的控制電路兩部分組成。主電路部分主要包括：交流電源模塊、晶閘管整流器模塊、觸發器模塊、電機模塊以及移相控制環節。而控制回路部分主體為：轉速調節器、電流調節器、反饋濾波環節。

圖8所示模型中電流反饋和轉速反饋量，是采取監測到的電流端輸出信號和電機轉速的信號。電流調節器（ACR）的輸出端連接移相特性模塊（Shifter）的輸入端，因此ACR的輸出幅值就限制了控制角αmin和αmax的值。

圖8　轉速、電流組成的雙閉環直流調速系統仿真模型

系統的主要參數如下：電源（峰值180V，50Hz）、電動機（Ra＝0.21Ω，La＝0.00021h，U＝220V，R＝146.7Ω，L＝0，La＝0.84H，J＝0.57kg·m2）、轉速調節器PI－ASR （Kpm＝10.49，Kn＝1／0.0083）、電流調節器PI－ACR（Kpi＝2.48，ki＝1／0.0268）、電抗器（Ldl－4＝0.002H，Ld＝0.015H）。

仿真結果見圖9－12。其中圖9為電流響應曲線，圖10為電樞端電壓波形圖，圖11為電機轉矩變化的曲線，圖12為轉速變化曲線。

圖9　電機電流響應曲線

圖10　電樞端電壓波形圖

圖11　電機轉矩變化的曲線

從電機轉速和電流的波形可以看出：啟動階段，電動機以恒流起動，經過0.4s后啟動過程結束，電樞電流下降并最終為零，電機的轉速上升到最大值，且大于6000r／min，此時電動機轉矩也為零，又因為是理想的空載啟動，所以電動機維持在最高轉速；0.5s后加上負載，電動機轉速產生波動并下降，此時電流環發揮調節作用，使電動機的轉速穩定在給定值。從總體上看，仿真結果顯示良好；從調節來看，動態結構圖的仿真調節效果十分迅速。以上模型為電動機空載啟動，如果帶上負載啟動，情況基本相同。

4　結束語

本文分析了無刷直流電機的結構、工作原理、等效電路等，提出的基于鎖相環和雙模速度的雙重控制方法，在鎖相環的基礎上增加了速度環，給出了該控制方法的控制框圖和仿真模型圖，利用Matlab仿真平臺搭建出相應的仿真模型進行仿真，仿真結果表明該控制方法具有良好的穩定性和較高的速度控制精度，大大改善了傳統速度電流PI調節器在無刷直流電機大慣量負載中存在的轉速波動等問題。

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Study of the permanent magnet brushless DC motors based on phase－locked loop and dual mode speed control

XU Chun－lei，HAN Chang－yuan （Aksu Power Supply Co.，Ltd.，State Grid Xinjiang Electric Power Corporation，Aksu 843000，China）

The brushless DC motor has high torque－current ratio，high speed，good dynamic performance，high reliability and easy to control properties，so it has been widely using in medium and small power drive occasions，but it has disadvantages of large torque ripple and easy to cause speed fluctuation.At present，the speed－current double closed loop PI control is widely used.When brushless DC motor used in the speed control mode with large load rate and big inertia，it may cause shock，resonance and noise problems due to unstable speed.The phase－locked loop and dual－mode speed control method is given.By using the phase－locked loop and speed loop，the rotational speed fluctuation problem of the traditional speed－current PI regulator in the brushless DC motor big inertia load is effectively improved.The system has good speed control precision and high stability in practical applications.

brushless DC motor；speed fluctuation；phase－locked loop；dual mode speed control

TM301

A

1005—7277（2016）01—0021—04

徐春雷（1987－），女，漢族，碩士研究生，國網阿克蘇供電有限責任公司員工，主要從事繼電保護工作。

2015－09－22