光伏電梯系統(tǒng)BLDC電機仿真分析

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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?？紤]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)計了具有太陽能光伏陣列供能和BLDC無刷直流電機作為電梯主要部件的電梯系統(tǒng)設(shè)計。bldc無刷直流性能穩(wěn)定，應(yīng)用于冰箱、洗衣機、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)進行MATLAB仿真，最后得出實驗結(jié)果。

關(guān)鍵詞：光伏電梯；BLDC無刷直流電機；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運行成功。而本文將采用BLDC電機作為電梯的曳引機，無刷直流電機與一般的電機不同的是轉(zhuǎn)子為永磁鐵，而定子為多相通電繞組，電機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的三閉環(huán)控制方式來對BLDC無刷直流電機進行控制并進行仿真分析。

2光伏電梯系統(tǒng)

本文設(shè)計的光伏電梯系統(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無刷直流電機只需要直流電就可以運行起來，所以對于光伏陣列輸出電流能滿足其運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光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行，當(dāng)電池存儲量達到飽和值時，由蓄電池對BLDC電梯進行供電，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行供電。

2.2BLDC電機器PID控制

而對于BLDC電機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，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)簡單而被廣泛的運用，通過對比例、積分、微分來實現(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每一項都有單獨的系數(shù)，但是在真正運用的場景中很難確定這三個系數(shù)值的大小，因此就需要大量的實驗以及查找資料來確定合適的數(shù)據(jù)，這樣才能實現(xiàn)對電機運行精確穩(wěn)定的控制。

2.3BLDC電機三閉環(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位置外環(huán)，在控制電機的速度大小和旋轉(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，這可以實現(xiàn)電機調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速大小和方向，位置控制系統(tǒng)也支持直接負載外環(huán)檢測位置信號，此時的電機軸端的霍爾傳感器檢測電機轉(zhuǎn)速由最終負載端的檢測裝置來提供位置信號，這樣做的優(yōu)點在于可以減少中間傳動過程中的誤差，增強系統(tǒng)的電機轉(zhuǎn)速定位精度控制，對位置給定進行準確的跟隨，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時間周期內(nèi)脈沖個數(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、位置三個調(diào)節(jié)器以及PWM控制器為基準來實現(xiàn)對無刷直流電機的控制，現(xiàn)就對三閉環(huán)負反饋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)動器電機各相的輸出電流進行檢測，并將負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轉(zhuǎn)矩，因此一般在轉(zhuǎn)矩模式下，驅(qū)動器設(shè)定運算值越小其動態(tài)響應(yīng)的時間越短。（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算電機轉(zhuǎn)速大小從而進行負反饋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)電機編碼器或者最終負載的反饋數(shù)據(jù)來決定的，需根據(jù)實際情況確定。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，電機控制系統(tǒng)進行了三個閉環(huán)的運算過程，此時的系統(tǒng)需要進行的運算量是最大，因此動態(tài)響應(yīng)時間也是最多的，響應(yīng)速度也是最慢的?？偟膩碚f，在整個運行過程中三個模式都會使用到電流環(huán)，而電流環(huán)作為控制電機運行的基礎(chǔ)，在進行速度和位置控制的時候，控制系統(tǒng)實際也在進行電流(轉(zhuǎn)矩)的控制從而配合速度調(diào)節(jié)和位置調(diào)節(jié)達到相應(yīng)控制。

3仿真和實驗結(jié)果分析

基于MATLAB系統(tǒng)上進行SimuLink建模，對光伏電梯的BLDC電機進行了三閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真，本仿真中電機的轉(zhuǎn)速為1000rad/s，轉(zhuǎn)矩為5N*m，電機從靜止轉(zhuǎn)態(tài)到穩(wěn)定運行的時間為0.3s，而在電機運行到0.6s的時候，設(shè)置反轉(zhuǎn)信號，讓電子仿真系統(tǒng)實現(xiàn)反方向運行。該仿真結(jié)果證明了BLDC可以作為光伏電梯的曳引機，可以實現(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電機的控制系統(tǒng)，并且針對BLDC電機進行了三閉環(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，并且模擬了電機作為電梯曳引機實現(xiàn)上下運行的正反轉(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，三個控制模塊能穩(wěn)定的通過旋轉(zhuǎn)速度和方向來實現(xiàn)電機位置的調(diào)節(jié)，該系統(tǒng)幾乎無超調(diào)，運行穩(wěn)定性強。

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作者：陳軒 海濤 單位：廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院