無刷直流電動機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

周曉華，張 銀，藍(lán)會立，王 晨，吳國強(qiáng)

(廣西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，廣西 柳州 545006)

0 引 言

無刷直流電動機(jī)(Brushless Direct Current Motor, BLDCM)具有供電簡單、體積小、輸出轉(zhuǎn)矩大、控制簡單等優(yōu)點(diǎn)，其轉(zhuǎn)子由永磁體構(gòu)成，同時(shí)避免了傳統(tǒng)有刷電動機(jī)的不利因素，因而在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。傳統(tǒng)的電動機(jī)控制技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)主要以硬件為主，普遍存在控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)可靠性較低，控制器的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)靈活性較差等問題[2]。

本文基于Matlab圖形用戶界面開發(fā)工具[3](Graphical User Interface, GUI)設(shè)計(jì)了一種無刷直流電動機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺。該平臺可實(shí)現(xiàn)無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在電動機(jī)參考轉(zhuǎn)速變化、負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化、控制參數(shù)變化等多種情形下的仿真實(shí)驗(yàn)。通過區(qū)域模塊化的方式將原理圖、調(diào)速系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)置，單、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真及仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果等集中顯示在平臺界面，提高了無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析的效率。實(shí)驗(yàn)平臺簡潔直觀、操作簡便，具有較強(qiáng)實(shí)用性，對提高電動機(jī)控制技術(shù)課程教學(xué)效果具有一定意義[4]。

1 BLDCM閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真建模

為實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺調(diào)用，需要在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型。為使虛擬實(shí)驗(yàn)平臺界面簡潔明了和操作方便，除電動機(jī)轉(zhuǎn)速給定值、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、PI調(diào)節(jié)器及電流滯環(huán)寬度等參數(shù)外，其余參數(shù)均在仿真模型中進(jìn)行設(shè)置。BLDCM單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中使用的無刷直流電動機(jī)參數(shù)相同，見表1。

表1 無刷直流電動機(jī)參數(shù)

1.1 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真建模

無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主要由三相逆變電路、電動機(jī)、PI調(diào)節(jié)器、霍爾傳感器及邏輯換相電路等組成。所搭建的Simulink仿真模型[5]如圖1所示。電動機(jī)給定轉(zhuǎn)速n*與電動機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速n的誤差信號由PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后，其輸出信號對三相逆變電路的直流電壓進(jìn)行控制，同時(shí)由邏輯換相器件產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，以改變?nèi)嗄孀冸娐返妮敵鲭妷篬6]，最終實(shí)現(xiàn)電動機(jī)調(diào)速的目的。

圖1 BLDCM轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

圖1中，邏輯換相電路模塊通過BLDCM內(nèi)置霍爾傳感器獲取反映電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置的霍爾信號，根據(jù)霍爾信號和對應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置得到電動機(jī)三相定子反電動勢信息，再根據(jù)電動機(jī)三相定子反電動勢信息產(chǎn)生三相逆變電路功率開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷信號以實(shí)現(xiàn)正常換向。轉(zhuǎn)子位置、霍爾信號ha、hb、hc，三相定子反電動勢ea、eb、ec，功率開關(guān)管導(dǎo)通信號T1～T6的對應(yīng)關(guān)系[7]如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)子位置、霍爾信號、三相反電動勢和導(dǎo)通信號對應(yīng)關(guān)系

1.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真建模

無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由三相逆變電路、電動機(jī)、PI調(diào)節(jié)器、電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器[8]及霍爾傳感器等部分組成。所搭建的Simulink仿真模型[9]如圖2所示。電動機(jī)給定轉(zhuǎn)速n*與電動機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速n的誤差信號輸入PI調(diào)節(jié)器。同時(shí)，控制系統(tǒng)通過霍爾傳感器獲取電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息，參考電流形成環(huán)節(jié)則根據(jù)PI調(diào)節(jié)器輸出信號及電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息產(chǎn)生電機(jī)定子每相參考電流信號。電動機(jī)定子每相參考電流和定子每相實(shí)際電流同時(shí)輸入電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器以生成三相逆變電路的控制脈沖[10]，最終實(shí)現(xiàn)了電動機(jī)的調(diào)速。

圖中，參考電流產(chǎn)生模塊根據(jù)PI調(diào)節(jié)器輸出的參考電流幅值Is和反映轉(zhuǎn)子位置信息的霍爾信號產(chǎn)生三相參考電流iar、ibr和icr。三相參考電流iar、ibr、icr與三相實(shí)際電流ia、ib、ic輸入滯環(huán)電流控制模塊，通過電流滯環(huán)輸出三相逆變電路的控制信號。

圖2 BLDCM轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

轉(zhuǎn)子位置、霍爾信號ha、hb、hc和三相參考電流間的對應(yīng)關(guān)系[11]見表3。

表3 轉(zhuǎn)子位置、霍爾信號和三相參考電流對應(yīng)關(guān)系

2 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

BLDCM閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺主界面由原理圖顯示區(qū)、參數(shù)設(shè)置區(qū)、仿真實(shí)驗(yàn)區(qū)及仿真實(shí)驗(yàn)波形顯示區(qū)4部分組成。原理圖顯示區(qū)由1個(gè)面板panel控件、1個(gè)坐標(biāo)軸Axes控件、1個(gè)靜態(tài)文本框Static Text控件和1個(gè)彈出式菜單Popup Menus控件組成。

通過編寫彈出式菜單控件的回調(diào)函數(shù)程序[12]可實(shí)現(xiàn)BLDCM單、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖在坐標(biāo)軸控件中的顯示功能。當(dāng)選擇單閉環(huán)時(shí)，原理圖顯示區(qū)顯示BLDCM單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖，選擇雙閉環(huán)時(shí)，則顯示BLDCM雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖。以單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖顯示為例，其回調(diào)函數(shù)程序編寫[13]如下:

c=get(hObject , ‘value’);

switch c

case 1

‘單閉環(huán)’;

case 2

‘雙閉環(huán)’;

end

if c==1;

I=imread(‘單閉環(huán)原理圖.bmp’);

axes(handles.axes1);

image(I)

axis off

end

參數(shù)設(shè)置區(qū)主要由5個(gè)面板panel控件、12個(gè)靜態(tài)文本框Static Text控件和8個(gè)可編輯文本框Edit Text控件組成。8個(gè)可編輯文本框用于輸入無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速給定值、負(fù)載轉(zhuǎn)矩值、PI調(diào)節(jié)器參數(shù)及電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器的滯環(huán)寬度。仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，需將參數(shù)設(shè)置區(qū)輸入的參數(shù)傳遞到Simulink仿真模型。此功能可利用get命令讀取可編輯文本框的輸入值來實(shí)現(xiàn)，然后再將句柄handles.edit屬性‘string’的值傳遞給Simulink仿真模型[14]。以PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)傳遞為例，其程序代碼為:

kp=str2num (get (handles.edit1, ‘String’));

ki=str2num (get (handles.edit2, ‘String’));

礦井監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用有效降低了煤礦安全事故的發(fā)生率，對井下安全生產(chǎn)有著重要的促進(jìn)意義。煤礦機(jī)電自動化程度與井下監(jiān)測系統(tǒng)有著密切的聯(lián)系。在煤礦開采過程中進(jìn)行全方位的動態(tài)檢測，借助電網(wǎng)監(jiān)控、井下人員跟蹤定位和井下移動通訊等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對井下生產(chǎn)的動態(tài)反映。若在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)一些不安全因素，如上覆地層裂隙突然增多、增大，可借助監(jiān)測探頭將捕獲的信息反饋至地面控制中心，進(jìn)而綜合判別并根據(jù)判別等級觸發(fā)井下警報(bào)裝置，及時(shí)通知井下工作人員安全撤離。

仿真實(shí)驗(yàn)區(qū)可進(jìn)行BLDCM閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真和實(shí)驗(yàn)波形繪制，同時(shí)可打開或查看BLDCM閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的Simulink仿真模型并進(jìn)行仿真參數(shù)的修改或設(shè)置。該區(qū)主要由3個(gè)面板panel控件和4個(gè)按鈕控件pushbutton組成。當(dāng)按下“打開模型”按鈕時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)的Simulink仿真模型將在新窗口中打開。此功能可通過編寫按鈕控件的回調(diào)函數(shù)程序來實(shí)現(xiàn)，以打開單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型為例，其程序代碼為:

open_system (‘BLDCM. mdl’);

當(dāng)按下“仿真實(shí)驗(yàn)”按鈕時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)的Simulink仿真模型將在后臺運(yùn)行，并在仿真實(shí)驗(yàn)波形顯示區(qū)繪制出仿真實(shí)驗(yàn)波形。以單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真為例，其回調(diào)函數(shù)程序編寫如下:

options=simset (‘SrcWorkspace’, ‘current’);

sim(‘BLDCM.mdl’,[],options);

仿真實(shí)驗(yàn)波形顯示區(qū)由1個(gè)面板panel控件和6個(gè)坐標(biāo)軸Axes控件組成。6個(gè)坐標(biāo)軸分別用于顯示單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電動機(jī)轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩Te、A相定子電流isa、A相反電動勢ea、直流電源電壓Udc及A相霍爾信號ha波形。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)則顯示電動機(jī)轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩Te、A相定子電流isa、A相反電動勢ea、A相定子參考電流isar及A相霍爾信號ha波形。以單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真實(shí)驗(yàn)波形的繪制為例，其程序代碼為:

t1=nr(:,1);

y1=nr(:,2);

plot(t1,y1);

grid on;

ylabel(‘n/(r/min)’, ‘fontsize’,9);

3 BLDCM閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)

電動機(jī)空載起動，轉(zhuǎn)速給定n*=2 500 r/min，電動機(jī)運(yùn)行到0.1 s時(shí)，突加負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=5 N·m，觀察電動機(jī)的起動、加速過程及控制系統(tǒng)的抗擾動性能。選擇調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型并在參數(shù)設(shè)置區(qū)輸入轉(zhuǎn)速給定值、初始負(fù)載轉(zhuǎn)矩、突增負(fù)載轉(zhuǎn)矩、PI調(diào)節(jié)器及滯環(huán)調(diào)節(jié)器參數(shù)后(單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)無滯環(huán)調(diào)節(jié)器，參數(shù)為空)，點(diǎn)擊 “仿真實(shí)驗(yàn)”按鈕進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)、轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)界面如圖3、4所示。

圖3 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)界面(一)

圖4 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)界面(一)

由電動機(jī)轉(zhuǎn)速波形可知，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電動機(jī)轉(zhuǎn)速在0.05 s時(shí)穩(wěn)定在2 500 r/min，而雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電動機(jī)轉(zhuǎn)速在0.01 s時(shí)已穩(wěn)定在2 500 r/min，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度明顯較快。在0.1 s時(shí)，電動機(jī)突增5 N·m負(fù)載轉(zhuǎn)矩，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間較長，抗干擾能力相對較弱。

由電磁轉(zhuǎn)矩和定子電流波形可知，電動機(jī)起動過程結(jié)束后，定子電流和電磁轉(zhuǎn)矩下降至0，0.1 s突增5 N·m負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，定子電流上升，電磁轉(zhuǎn)矩上升至5 N·m與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡。相比之下，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動電流和起動轉(zhuǎn)矩較大。

電動機(jī)帶5 N·m負(fù)載轉(zhuǎn)矩起動，轉(zhuǎn)速給定n*=2 000 r/min，0.1 s時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩再增加5 N·m，給定轉(zhuǎn)速下降到1 000 r/min，觀察電動機(jī)起動、加速、抗擾動及跟蹤給定轉(zhuǎn)速的性能。選擇調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型并在參數(shù)設(shè)置區(qū)輸入轉(zhuǎn)速給定值、初始負(fù)載轉(zhuǎn)矩、突增負(fù)載轉(zhuǎn)矩、PI調(diào)節(jié)器參數(shù)及滯環(huán)調(diào)節(jié)器參數(shù)后，點(diǎn)擊“仿真實(shí)驗(yàn)”按鈕進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)界面如圖5、6所示。

圖5 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)界面(二)

圖6 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)界面(二)

由圖5、6的仿真實(shí)驗(yàn)波形可以看出，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度依然較快，調(diào)節(jié)時(shí)間較短，抗干擾能力相對較強(qiáng)。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)矩、定子電流及A相反電動勢波形波動較大，穩(wěn)定性較差。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)性能總體上優(yōu)于單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能。

以上仿真實(shí)驗(yàn)情形中，PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)固定，利用此虛擬實(shí)驗(yàn)平臺還可進(jìn)行針對PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化的仿真實(shí)驗(yàn)，此處不再詳細(xì)介紹。

4 結(jié) 語

在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下建立了無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停⒉捎肕atlab圖形用戶界面開發(fā)工具GUI設(shè)計(jì)了無刷直流電動機(jī)單、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺。在該實(shí)驗(yàn)平臺對無刷直流電動機(jī)單、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生參考轉(zhuǎn)速變化、負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化等多種情況進(jìn)行了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所建立仿真模型的正確性和所設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)用性。該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺具有簡潔、直觀，操作簡便等特點(diǎn)，有利于研究性、開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展，能有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和開展研究探索的意識，同時(shí)還激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)和科研興趣[15]，提高了學(xué)生的工程應(yīng)用能力、自主學(xué)習(xí)能力和獨(dú)立研究能力[16]。