基于線圈輔助勵磁模型的無刷直流電動機調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計

陳弘

(福建省送變電工程有限公司 ，福建 福州 350001)

0 引 言

無刷直流電動機多為自動控制模式，因此對無刷直流電動機輸出穩(wěn)定性的要求較高。研究無刷直流電動機的調(diào)速控制方法，在無刷直流電動機的優(yōu)化設(shè)計中具有重要意義，相關(guān)的無刷直流電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制方法研究受到人們的極大重視[1]。

當(dāng)前，對無刷直流電動機的調(diào)速控制方法主要為模糊控制方法、PID控制方法和反饋控制方法等[2-3]。文獻[4]提出基于非同步耦合調(diào)制的無刷直流電動機的調(diào)速控制方法，采用自適應(yīng)轉(zhuǎn)速參數(shù)識別方法進行電機的輸出穩(wěn)定性控制。但該方法的計算量較大，抗擾動性不好。文獻[5]提出基于模糊PID的電機轉(zhuǎn)速控制方法，通過增加虛擬阻尼電阻進行無刷直流電動機的虛擬同步控制。該方法進行無刷直流電動機調(diào)速控制的模糊度較大，參數(shù)辨識能力不好。

針對上述方法存在的問題，提出基于線圈輔助勵磁模型(以下簡稱BLDCM模型)的無刷直流電動機調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計方法。首先構(gòu)建控制約束參量模型；然后采用MMC子模塊跟蹤調(diào)節(jié)方法構(gòu)建無刷直流電動機調(diào)速控制的動態(tài)約束規(guī)劃模型，采用柔性直流輸電換流BLDCM模型進行無刷直流電動機的輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)控制；最后進行仿真測試分析，得出有效性結(jié)論。

1 控制對象及約束參數(shù)分析

1.1 無刷直流電動機調(diào)速控制對象分析

構(gòu)建無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的等效電路模型和被控對象模型，無刷直流電動機的等效傳輸原理圖如圖1所示。圖1的等效電路模型分為初級電路和次級電路，采用電磁耦合器進行無刷直流電動機的等效傳輸?shù)幕ジ旭詈峡刂芠6]，建立等效T型電路，如圖2所示。

圖1 無刷直流電動機的等效傳輸原理圖

圖2 T型等效電路

根據(jù)圖2可知，無刷直流電動機的抗飽和控制過程是一個包含多變量的多目標(biāo)優(yōu)化過程。進行無刷直流電動機的調(diào)速控制時[7]，輸出平均功率變化率為f，計算無刷直流電動機的直流控制變量。通過多時空尺度協(xié)調(diào)方法進行無刷直流電動機的輸出等效控制，得到無刷直流電動機的輸出相位和角頻率的相關(guān)矩陣，具體表示為：

(1)

式中：G11(s)、G22(s)為無刷直流電動機輸出相位；A12(s)、A21(s)為角頻率；s為時間；e為單位時間電子量。在時間尺度上逐層細化電機變頻過程，得到無刷直流電動機的失穩(wěn)補償反饋調(diào)節(jié)函數(shù)，計算電功率預(yù)測值[8]，得到無刷直流電動機的調(diào)速自動控制方程，如式(2)所示。

(2)

式中:v(k)為無刷直流電動機直流電壓輸入信號；x1(k)為確定的擾動步長下的無刷直流電動機輸出阻抗；x2為電機組的減載控制參數(shù)；h為雙閉環(huán)控制的步長；h0為雙閉環(huán)初始步長。采用振蕩失穩(wěn)抑制方法進行無刷直流電動機轉(zhuǎn)速控制過程中的穩(wěn)定性調(diào)節(jié)和誤差補償，建立失穩(wěn)補償和反饋調(diào)節(jié)函數(shù)，在調(diào)頻的空間范圍內(nèi)，采用負荷的波動性調(diào)節(jié)方法進行無刷直流電動機的直流多功率穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)，提高無刷直流電動機的自適應(yīng)控制能力[9]。

1.2 控制約束參量模型

構(gòu)建無刷直流電動機調(diào)速控制的約束參量模型，以直流輸電的功率損耗和電機轉(zhuǎn)矩為約束參量[10]，得到無刷直流電動機調(diào)速控制的目標(biāo)函數(shù)，如式(3)所示。

f0(X)=wpP(X)+ε

(3)

式中：wp為功率損耗；P(X)為電機轉(zhuǎn)矩；ε為一個小的常數(shù)，表示AGC電源協(xié)調(diào)配合的模型控制參數(shù)。

引入啟動時間順序、調(diào)頻持續(xù)時間進行輸出耦合控制，得到三次調(diào)頻控制的迭代方程為：

(4)

xid=xid+Vid

(5)

式中：w為無刷直流電動機的磁損耗慣性權(quán)重；c1和c2為電功率預(yù)測約束的加速度常數(shù)；rand()和Rand()為兩個在[0,1]范圍里變化的隨機值；pid、xid分別為啟動時間順序及調(diào)頻持續(xù)時間。采用MMC子模塊跟蹤調(diào)節(jié)方法構(gòu)建無刷直流電動機調(diào)速控制的動態(tài)約束規(guī)劃模型，進行調(diào)速控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。

2 無刷直流電動機調(diào)速控制算法優(yōu)化

2.1 BLDCM模型

BLDCM是一種非線性控制系統(tǒng)，構(gòu)建BLDCM模型，能夠應(yīng)用于無刷直流電動機調(diào)速控制系統(tǒng)中，得到較好的控制效果。使用AGC電源進行無刷直流電動機調(diào)速過程中的模糊度控制，構(gòu)建無刷直流電動機調(diào)速增益調(diào)節(jié)模型。無刷直流電動機混合雙饋控制模型表示為：

(6)

式中：p1、p2為無刷直流電動機的直流輸電最大功率點因素；j為功率平衡約束參數(shù)；p3為升壓比例；β為最優(yōu)控制增量作用下的可調(diào)參數(shù)。

考慮系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，計算無刷直流電動機的調(diào)速控制誤差項，得到無刷直流電動機自適應(yīng)調(diào)節(jié)函數(shù)。

(7)

式中:α1、α2、δ1、δ2、b0為三次調(diào)頻層控制時域特征系數(shù)；kp、kd為比例系數(shù)和微分系數(shù)。通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)函數(shù)進行電動機的電容電壓監(jiān)測，得到實時性控制律為：

(8)

(9)

根據(jù)上述BLDCM模型設(shè)計，結(jié)合模糊參數(shù)約束方法進行無刷直流電動機調(diào)速自適應(yīng)控制。

2.2 電動機調(diào)速控制輸出

采用MMC子模塊跟蹤調(diào)節(jié)方法構(gòu)建無刷直流電動機調(diào)速控制的動態(tài)約束規(guī)劃模型，采用柔性直流輸電換流BLDCM模型進行無刷直流電動機的輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)控制，得到輸出的電壓增益為：

(10)

能量損失相對大小的損耗比為：

(11)

式中：Req為能量損失量。在子模塊電容電壓波動下，單邊復(fù)合次級直線感應(yīng)電機的整流擾動輸出為：

(12)

在二維電磁模型中進行擾動控制，根據(jù)并聯(lián)過程的電壓變化進行無刷直流電動機調(diào)速控制。

3 試驗分析

為了驗證本文方法實現(xiàn)無刷直流電動機調(diào)速控制的應(yīng)用性能，進行了仿真測試。選用電動機型號為57BL-1080H1-LS-B，額定輸出功率為10 MW，額定電壓220 V，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min。電動機實例如圖3所示。

圖3 電動機實例

設(shè)定無刷直流電動機的輸出磁密在1.45到2.58之間取值,單元電機等效磁路的轉(zhuǎn)矩輸出為36 N·m，三相額定電流為210 A，其他參數(shù)設(shè)計見表1。

表1 參數(shù)設(shè)計

采用MATLAB軟件為仿真試驗環(huán)境，在MATLAB平臺搭建所設(shè)計的基于BLDCM模型的無刷直流電動機調(diào)速控制系統(tǒng)。采用文獻[4]方法、文獻[5]方法作為試驗對比方法。

根據(jù)上述仿真環(huán)境和參量設(shè)置，進行無刷直流電動機調(diào)速控制，測試無刷直流電動機的輸入最大電流與時間的關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。

圖4 輸入最大電流與時間的關(guān)系

分析圖4可知，采用本文方法進行電動機調(diào)速控制，輸入電流的穩(wěn)定性較好。以此為基礎(chǔ)，分別測試本文方法及兩種對比方法的輸出功率，得到結(jié)果如圖5所示。

分析圖5得知，采用文獻[4]、文獻[5]方法進行無刷直流電動機調(diào)速控制時，其輸出功率波動較大，而采用所提方法進行無刷直流電動機調(diào)速控制時，其輸出功率波動小，平穩(wěn)性較好。

圖5 輸出功率測試對比結(jié)果

采用3種方法進行調(diào)速控制，迭代次數(shù)500次，測試控制的精度，得到結(jié)果如圖6所示。

分析圖6可知，采用文獻[4]方法進行無刷直流電動機調(diào)速控制，在迭代500次后的控制精度為0.918，采用文獻[4]方法進行無刷直流電動機調(diào)速控制的控制精度為0.911，而采用所提方法進行無刷直流電動機調(diào)速控制的控制精度為0.982。試驗結(jié)果表明，采用所提方法進行無刷直流電動機調(diào)速控制的精度較高。

圖6 控制精度測試

4 結(jié)束語

本文提出基于BLDCM模型的無刷直流電動機調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計方法。采用電磁耦合器進行無刷直流電動機的等效傳輸?shù)幕ジ旭詈峡刂疲瑯?gòu)建無刷直流電動機調(diào)速增益調(diào)節(jié)模型。采用柔性直流輸電換流BLDCM模型進行無刷直流電動機的輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)控制。分析得知，采用本文方法進行無刷直流電動機調(diào)速控制的輸出穩(wěn)定性較好，電動機的輸出功率增益得到提升。