光伏電梯系統(tǒng)BLDC電機(jī)仿真分析

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摘要：龐大的電梯基數(shù)以及電梯超快的增加數(shù)量已成為現(xiàn)代建筑領(lǐng)域內(nèi)最主要的耗電因素。考慮到現(xiàn)在對于新能源（太陽能的利用）的廣泛開發(fā)利用，本文設(shè)計(jì)了具有太陽能光伏陣列供能和BLDC無刷直流電機(jī)作為電梯主要部件的電梯系統(tǒng)設(shè)計(jì)。bldc無刷直流性能穩(wěn)定，應(yīng)用于冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)等家電設(shè)備中，但隨著科技的發(fā)展，在物資起吊、曳引拉動以及電梯設(shè)備運(yùn)行等高精度技術(shù)環(huán)境中的應(yīng)用同樣具有優(yōu)質(zhì)的性能。本文將采用三閉環(huán)控制系統(tǒng)對該系統(tǒng)進(jìn)行MATLAB仿真，最后得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：光伏電梯；BLDC無刷直流電機(jī)；三閉環(huán)控制；MATLAB仿真

1概述

隨著新能源的開發(fā)，光伏的利用越來越多的走進(jìn)了我們的生活當(dāng)中，并且應(yīng)用于各種場合，光伏電梯的發(fā)展是從2009年國內(nèi)首臺電梯的出現(xiàn)到2020年通力電梯公司應(yīng)用型平臺的搭建并且試驗(yàn)運(yùn)行成功。而本文將采用BLDC電機(jī)作為電梯的曳引機(jī)，無刷直流電機(jī)與一般的電機(jī)不同的是轉(zhuǎn)子為永磁鐵，而定子為多相通電繞組，電機(jī)通過霍爾傳感器收集轉(zhuǎn)子位置反饋信號從而控制不同組別的繞組通電通過PWM方波形式控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，而對于其的控制方式一般是采用開環(huán)和雙閉環(huán)來進(jìn)行控制，但開環(huán)控制的可控性差且雙閉環(huán)控制應(yīng)用廣泛并常用作于控制調(diào)速，所以本文將采用伺服電機(jī)的三閉環(huán)控制方式來對BLDC無刷直流電機(jī)進(jìn)行控制并進(jìn)行仿真分析。

2光伏電梯系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的光伏電梯系統(tǒng)框架如圖1所示，通過太陽能對光伏電池進(jìn)行充放電再將能量存儲在蓄電池中，蓄電池在BLDC電梯功能中保障電梯上下行曳引運(yùn)行，而系統(tǒng)也提供了太陽能和電網(wǎng)雙供電模式，為電梯正常運(yùn)行提供了可靠的保障。

2.1光伏發(fā)電

由于BLDC無刷直流電機(jī)只需要直流電就可以運(yùn)行起來，所以對于光伏陣列輸出電流能滿足其運(yùn)行并且可以把多余的直流電存儲于蓄電池中，由于系統(tǒng)構(gòu)成中沒有逆變器，因此該系統(tǒng)只能為直流負(fù)載供電。光伏陣列采用MPPT最大功率跟蹤法采集太陽能能源，并通過充放電控制器來控制整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行，當(dāng)電池存儲量達(dá)到飽和值時(shí)，由蓄電池對BLDC電梯進(jìn)行供電，而在其他情況則是由電網(wǎng)的交流電通過逆變變換輸出的直流電對電梯進(jìn)行供電。

2.2BLDC電機(jī)器PID控制

而對于BLDC電機(jī)最繁雜的就是它的控制模式，BLDC的控制是采用DTC控制器和電機(jī)，但對于DTC控制一般采用三閉環(huán)控制，閉環(huán)控制系統(tǒng)從反饋角度看是在系統(tǒng)的輸出端與輸入端存在反饋回路，輸出量對控制過程產(chǎn)生反作用的控制系統(tǒng)，核心是通過反饋來減少被控量的偏差。對于各種閉環(huán)控制策略中由于PID結(jié)構(gòu)簡單而被廣泛的運(yùn)用，通過對比例、積分、微分來實(shí)現(xiàn)線性控制。在多數(shù)情況下，需離散變化后方可使用，因此其離散化后的公式：式中：Ki=KpT/Ti為積分系數(shù)；Kd=KpTd/T為微分系數(shù)，e(k)、e(k-1)是第k、k-1次輸入誤差量，T為采樣周期。在PID算法控制中，Kp、Ki、Kd每一項(xiàng)都有單獨(dú)的系數(shù)，但是在真正運(yùn)用的場景中很難確定這三個(gè)系數(shù)值的大小，因此就需要大量的實(shí)驗(yàn)以及查找資料來確定合適的數(shù)據(jù)，這樣才能實(shí)現(xiàn)對電機(jī)運(yùn)行精確穩(wěn)定的控制。

2.3BLDC電機(jī)三閉環(huán)控制策略

所謂三閉環(huán)控制系統(tǒng)就是在速度-電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的方式上再外加一個(gè)位置外環(huán)，在控制電機(jī)的速度大小和旋轉(zhuǎn)方向的基礎(chǔ)上，添加了轉(zhuǎn)子位置角度控制。一般轉(zhuǎn)子速度控制是通過輸入給定值或改變脈沖頻率，這可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速大小和方向，位置控制系統(tǒng)也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測位置信號，此時(shí)的電機(jī)軸端的霍爾傳感器檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速由最終負(fù)載端的檢測裝置來提供位置信號，這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少中間傳動過程中的誤差，增強(qiáng)系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速定位精度控制，對位置給定進(jìn)行準(zhǔn)確的跟隨，位置控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)動速度的大小通常是通過外部輸入的脈沖頻率來改變的，轉(zhuǎn)動的角度是通過單個(gè)時(shí)間周期內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)來確定的。BDLC三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，系統(tǒng)主要有電流、速度、位置三個(gè)調(diào)節(jié)器以及PWM控制器為基準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)對無刷直流電機(jī)的控制，現(xiàn)就對三閉環(huán)負(fù)反饋PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)，分別做出以下介紹：（1）其中內(nèi)環(huán)為電流內(nèi)環(huán)，該內(nèi)環(huán)完全在處于DTC驅(qū)動器內(nèi)部，通過霍爾裝置對驅(qū)動器電機(jī)各相的輸出電流進(jìn)行檢測，并將負(fù)反饋信息輸入給電流調(diào)節(jié)器，再通過PWM控制設(shè)定來進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，從而使得輸出電流盡量與設(shè)定電流保持一致性，電流內(nèi)環(huán)主要的功能就是控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，因此一般在轉(zhuǎn)矩模式下，驅(qū)動器設(shè)定運(yùn)算值越小其動態(tài)響應(yīng)的時(shí)間越短。（2）處于二環(huán)的是速度環(huán)，通過檢測霍爾傳感器反饋回來的信號頻率來計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速大小從而進(jìn)行負(fù)反饋PID調(diào)節(jié)，其環(huán)內(nèi)PID輸出就直接作為電流環(huán)的設(shè)定值，所以速度環(huán)的整體性控制范圍就將速度環(huán)和電流環(huán)包含在內(nèi)。（3）處于三環(huán)的是位置環(huán)，該環(huán)節(jié)的功能是給定與調(diào)解轉(zhuǎn)子位置的，其環(huán)內(nèi)直接將速度環(huán)的設(shè)定的設(shè)定值作為PID輸出。其反饋信號是根據(jù)電機(jī)編碼器或者最終負(fù)載的反饋數(shù)據(jù)來決定的，需根據(jù)實(shí)際情況確定。由于速度環(huán)的設(shè)定作為位置控制環(huán)內(nèi)部的輸出，在位置控制模式下，電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了三個(gè)閉環(huán)的運(yùn)算過程，此時(shí)的系統(tǒng)需要進(jìn)行的運(yùn)算量是最大，因此動態(tài)響應(yīng)時(shí)間也是最多的，響應(yīng)速度也是最慢的。總的來說，在整個(gè)運(yùn)行過程中三個(gè)模式都會使用到電流環(huán)，而電流環(huán)作為控制電機(jī)運(yùn)行的基礎(chǔ)，在進(jìn)行速度和位置控制的時(shí)候，控制系統(tǒng)實(shí)際也在進(jìn)行電流(轉(zhuǎn)矩)的控制從而配合速度調(diào)節(jié)和位置調(diào)節(jié)達(dá)到相應(yīng)控制。

3仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

基于MATLAB系統(tǒng)上進(jìn)行SimuLink建模，對光伏電梯的BLDC電機(jī)進(jìn)行了三閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真，本仿真中電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1000rad/s，轉(zhuǎn)矩為5N*m，電機(jī)從靜止轉(zhuǎn)態(tài)到穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間為0.3s，而在電機(jī)運(yùn)行到0.6s的時(shí)候，設(shè)置反轉(zhuǎn)信號，讓電子仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)反方向運(yùn)行。該仿真結(jié)果證明了BLDC可以作為光伏電梯的曳引機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)轎廂上升、下降的速度和轎廂移動距離的精確控制，電機(jī)仿真轉(zhuǎn)矩如圖4所示，轉(zhuǎn)速如圖5所示，霍爾傳感器相電流反饋信號如圖6所示。

4結(jié)論

通過對光伏電梯的分析，研究了太陽能發(fā)電和BLDC電機(jī)的控制系統(tǒng)，并且針對BLDC電機(jī)進(jìn)行了三閉環(huán)控制分析，在Simulink環(huán)境下搭建了電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩三閉環(huán)的控制的仿真模型，并且模擬了電機(jī)作為電梯曳引機(jī)實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)行的正反轉(zhuǎn)模式。仿真結(jié)果可以表明該系統(tǒng)表現(xiàn)出了優(yōu)良的穩(wěn)定動態(tài)性，三個(gè)控制模塊能穩(wěn)定的通過旋轉(zhuǎn)速度和方向來實(shí)現(xiàn)電機(jī)位置的調(diào)節(jié)，該系統(tǒng)幾乎無超調(diào)，運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng)。

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作者：陳軒 海濤 單位：廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院