離網(wǎng)型風(fēng)力提水機(jī)智能控制系統(tǒng)仿真研究

王 偉，王靜文

(鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

離網(wǎng)型風(fēng)力提水機(jī)智能控制系統(tǒng)仿真研究

王 偉，王靜文

(鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

著重研究了以無刷直流電動(dòng)機(jī)(Brushless DC Motor，BLDCM)控制器為核心的小型風(fēng)力提水機(jī)系統(tǒng)的MATLAB/Simulink仿真模型。闡述了無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理，對(duì)小型風(fēng)力提水機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和仿真分析，并重點(diǎn)對(duì)BLDCM轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)速，能根據(jù)風(fēng)力大小自動(dòng)提高出水量。

無刷直流電動(dòng)機(jī)；MATLAB/Simulink仿真；轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和稀土永磁材料的廣泛應(yīng)用，無刷直流電動(dòng)機(jī)以其高效率、高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、高功率因數(shù)等諸多優(yōu)點(diǎn)被越來越多地應(yīng)用于高性能、高可靠性場(chǎng)合[1]。該風(fēng)力提水機(jī)系統(tǒng)利用了清潔能源——風(fēng)能資源作為動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)無刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)工作，并可智能地根據(jù)風(fēng)力的大小改變出水量，具有顯著的環(huán)境效益、能源效益和社會(huì)效益，有較好的發(fā)展前景。

1 系統(tǒng)基本原理

常規(guī)離網(wǎng)型風(fēng)力提水機(jī)系統(tǒng)主要由交流電源、電動(dòng)機(jī)及其控制器、離心泵三部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，交流電源部分常由風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)成。

圖1 離網(wǎng)型風(fēng)力提水機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文重點(diǎn)研究無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況。無刷直流電動(dòng)機(jī)就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以認(rèn)為是一臺(tái)由電子開關(guān)線路、永磁式同步電動(dòng)機(jī)以及位置傳感器三者組成的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其原理框圖如圖2所示。

圖2 無刷直流電動(dòng)機(jī)原理圖

直流電源通過開關(guān)電路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電，轉(zhuǎn)子位置傳感器隨時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子所處的位置。主控單元根據(jù)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)的轉(zhuǎn)子位置反饋信號(hào)產(chǎn)生換相邏輯，并將其與PWM信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合構(gòu)成控制信號(hào)。該控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后送至逆變器各功率開關(guān)管的柵極，用于控制與定子連接的功率開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而控制電動(dòng)機(jī)各相繞組按一定順序分別導(dǎo)通工作，如此循環(huán)工作，電動(dòng)機(jī)在順序磁拉力的作用下按照一定方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 系統(tǒng)建模

采用MATLAB軟件中的Simulink工具箱進(jìn)行仿真，該軟件是MathWorks公司開發(fā)的一個(gè)著名動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)，可以模擬線性與非線性、連續(xù)與非連續(xù)系統(tǒng)或它們的混合系統(tǒng)，并能夠方便地修改仿真參數(shù)[2]。

該仿真系統(tǒng)由交流電源、整流器、逆變器、無刷直流電動(dòng)機(jī)本體、換向邏輯、控制器、負(fù)載轉(zhuǎn)矩組成。其中負(fù)載是離心泵負(fù)載，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，通過選擇一個(gè)合適的比例系數(shù)即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，本系統(tǒng)中該參數(shù)選擇為TL=0.000 005 2n2，小型風(fēng)力提水機(jī)控制系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 小型風(fēng)力提水機(jī)控制系統(tǒng)仿真圖

2.1 電機(jī)本體數(shù)學(xué)模型

基于“兩相導(dǎo)通星形聯(lián)接三相六狀態(tài)”無刷直流電動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)，為簡(jiǎn)化分析，通常在仿真建模中假定[2]：

(1)氣隙磁場(chǎng)為方波，三相繞組和磁場(chǎng)分布對(duì)稱；

(2)忽略齒槽、換相過程和電樞反應(yīng)等影響；

(3)繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布；

(4)磁路不飽和，不計(jì)渦流和磁滯損耗。

在這些假定條件下，可得到“兩相導(dǎo)通星形聯(lián)接三相六狀態(tài)”無刷直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型。

電壓方程為：

每次訓(xùn)練只集中培訓(xùn)一項(xiàng)臨床操作技能，便于醫(yī)學(xué)生掌握；微格教學(xué)的教案要求說明所訓(xùn)練臨床操作技能的目標(biāo)，并要求詳細(xì)說明操作過程中哪些行為是該項(xiàng)操作技能評(píng)價(jià)的要素。

(1)

式中，ua、ub、uc分別為三相繞組相電壓；ea、eb、ec為三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)；R為定子每相繞組的電阻；ia、ib、ic為定子三相繞組相電流；L為每相繞組的自感；M為每?jī)上嗬@組間的互感。

電磁轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)方程為：

(2)

式中，ea、eb、ec為三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)；ia、ib、ic為三相繞組相電流。

轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為：

(3)

式中，Te為電磁轉(zhuǎn)矩，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，J為轉(zhuǎn)子與負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

根據(jù)以上得到的數(shù)學(xué)模型可以建立BLDCM的電機(jī)本體，其中反電勢(shì)模塊用查表法實(shí)現(xiàn)[3]。

2.2 逆變器模型

無刷直流電動(dòng)機(jī)的逆變器是三相全橋結(jié)構(gòu)，主要由6個(gè)功率三極管和6個(gè)續(xù)流二極管組成，其仿真模型如圖4所示。

圖4 逆變器的仿真模型

其工作方式為兩相導(dǎo)通模式，即每一瞬間有兩個(gè)功率管導(dǎo)通，每隔1/6周期(60°電角度)換相一次。電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)各功率管的導(dǎo)通順序?yàn)椋篤T6、VT1→VT1、VT2→VT2、VT3→VT3、VT4→VT4、VT5→VT5、VT6→VT6、VT1，開關(guān)管的導(dǎo)通信號(hào)是由主控芯片根據(jù)轉(zhuǎn)子位置傳感信號(hào)產(chǎn)生的換相邏輯決定。

2.3 換相邏輯和控制信號(hào)模型

BLDCM繞組換相通過檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置實(shí)現(xiàn)[4]。各功率開關(guān)管的控制信號(hào)是轉(zhuǎn)子位置的函數(shù)，利用查表方法根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)可以方便地生成各功率開關(guān)的換相邏輯信號(hào)。

仿真中，PWM信號(hào)是由反饋電流信號(hào)生成三角波信號(hào)、轉(zhuǎn)速PI控制輸出作為直流給定信號(hào)，二者疊加后經(jīng)一個(gè)滯環(huán)環(huán)節(jié)便得到等幅、等寬、等距的PWM波。

將換相邏輯信號(hào)和PWM信號(hào)進(jìn)行邏輯與操作之后可以得到各開關(guān)管的控制信號(hào)，圖5所示的是VT1～VT6各功率開關(guān)管的控制信號(hào)。

圖5 各開關(guān)管的控制信號(hào)

2.4 整流器模型

整流器用于將交流電變換為BLDCM所需的直流電，圖6所示的是三相橋氏整流0°導(dǎo)通狀態(tài)電路，其中，三相橋是由SimPowerSystems中的Universal Bridge構(gòu)成的，觸發(fā)信號(hào)G由同步6脈沖發(fā)生器提供[5]。

圖6 三相橋氏整流電路

設(shè)置交流電源和同步脈沖的頻率為50 Hz，6脈沖發(fā)生器的觸發(fā)角為0°。輸出端并聯(lián)大電容以穩(wěn)定輸出電壓，并將其加至逆變器兩端。

3 仿真與分析

設(shè)置仿真參數(shù)如下：

極對(duì)數(shù)p=2，每相電樞繞組電阻R=2 Ω，自感L=4.2 mH，互感M=0.2 mH，反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)ke=0.635 V·rad/s，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=2×10-3N·m·s2，仿真時(shí)間為0.2 s，仿真采樣步長(zhǎng)為1×10-6s。

系統(tǒng)的交流輸入電壓有效值為U1，給定轉(zhuǎn)速為n，系統(tǒng)的最大輸入電壓為120 V，額定輸入電壓為85.5 V，自動(dòng)停機(jī)電壓為25 V。

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分別觀測(cè)輸入電壓為120 V、85.5 V、25 V時(shí)整流器輸出電壓Ud、A相電樞電流ia、A相反電動(dòng)勢(shì)ea、轉(zhuǎn)速n和電磁轉(zhuǎn)矩Te波形，仿真結(jié)果如圖7～圖10所示。

圖7 U1=120 V、n=1 200 r/min時(shí)仿真波形

圖8 U1=85.5 V、n=1 200 r/min時(shí)仿真波形

由圖7、圖8看出，給定轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，輸入電壓為最大電壓和額定電壓時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速都保持在1 200 r/min，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、電流等參數(shù)正常，系統(tǒng)運(yùn)行性能良好。

由圖8、圖9看出，額定電壓下，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速始終跟蹤給定轉(zhuǎn)速，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩等參數(shù)也隨給定轉(zhuǎn)速的變化而變化，系統(tǒng)出水量可調(diào)節(jié)。

圖9 U1=85.5 V、n=1 000 r/min時(shí)仿真波形

圖10 U1=25 V、n=1 200 r/min時(shí)仿真波形

根據(jù)仿真波形圖7～圖10還可以得到，由三相橋氏整流電路可得到U0≈2.34U1，在給定轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)響應(yīng)快速平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、相電流和相反電勢(shì)很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)，電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)很小，各波形與無刷直流電動(dòng)機(jī)的理論分析相吻合。

綜合仿真結(jié)果，BLDCM可根據(jù)輸入電壓大小自動(dòng)提高轉(zhuǎn)速，從而使小型風(fēng)力提水機(jī)系統(tǒng)可智能地根據(jù)風(fēng)力大小提高出水量。當(dāng)風(fēng)力充裕時(shí)，系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)行，需水量大時(shí)，使BLDCM工作在額定轉(zhuǎn)速，需水量小時(shí)，可以通過手動(dòng)給定轉(zhuǎn)速，讓電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速下的給定轉(zhuǎn)速工作，以滿足水量要求；當(dāng)風(fēng)力不足使得加在BLDCM定子端電壓不高從而使轉(zhuǎn)速較低時(shí)，電機(jī)的運(yùn)行狀況較差。

4 結(jié)論

本文根據(jù)無刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，提出了速度和電流雙閉環(huán)控制方案。利用MATLAB/Simulink建立了BLDCM控制系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)系統(tǒng)整體模型進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了所得波形與理論波形相吻合，從而驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。通過分析不同輸入電壓、不同給定轉(zhuǎn)速下電機(jī)的運(yùn)行情況，得出該系統(tǒng)可以根據(jù)輸入電壓大小自動(dòng)提高轉(zhuǎn)速，并在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

[1] 夏長(zhǎng)亮. 直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)[M ]. 北京：科學(xué)出版社,2009.

[2] 王立,劉景林. 無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模及故障分析[J]. 測(cè)控技術(shù),2010,29(12):35-39.

[3] 楊樂梅.基于Matlab無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)建模仿真的新方法[J]. 青島大學(xué)學(xué)報(bào),2008, 23(4):61-65.

[4] 葉振鋒,雷淮剛.基于Matlab的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真[J] .微特電機(jī),2006,12(3):22-26.

[5] 姚俊，馬松輝.Simulink建模與仿真[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版,2002.

The simulation research on the isolated intelligent system of wind supplied water pumping machine

Wang Wei， Wang Jingwen

(Ordos Institute of Technology, Ordos 017000, China)

This paper studies the MATLAB/Simulink simulation mode of the system of water pumping machine supplied by wind, especially its core, the Brushless DC Motor (BLDCM) controller. A mathematical model is founded and simulation is done by using MATLAB after explaining the working principle of BLDCM system. The closed-loop operation situation of the whole system has been observed through MATLAB simulation. Thus, it can realize closed-loop speed control and pumping water automatically according to the strength of wind.

BLDCM；MATLAB/Simulink simulation；closed-loop speed control

TM381

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.02.023

王偉，王靜文.離網(wǎng)型風(fēng)力提水機(jī)智能控制系統(tǒng)仿真研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(2)：74-77.

2016-08-27)

王 偉(1989-)，通信作者，男，碩士，講師，主要研究方向：電源變換和電機(jī)控制技術(shù)。E-mail：ww9271@163.com。

王靜文(1991-)，女，碩士，講師，主要研究方向：信號(hào)采集與檢測(cè)。