無刷直流電動機調壓系統(tǒng)BUCK直流變換仿真

張旭（煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122）

無刷直流電動機調壓系統(tǒng)BUCK直流變換仿真

張旭
（煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122）

為了提高無刷直流電動機調壓系統(tǒng)電壓轉換效率、降低功率消耗，提出基于BUCK變換的斬波調壓技術。在闡述BUCK模式下無刷直流電動機電路結構、數(shù)學模型基礎上，對直流變換器和BUCK直流變換技術進行分析。利用MATLAB軟件SIMULINK模塊對BUCK直流變換器進行建模，對20kHz工作頻率下BUCK直流變換進行仿真，得到開關管門極觸發(fā)脈沖、電感電壓、電感電流、輸出電壓、開關管電流和二極管電流仿真曲線。仿真結果與理論分析波形基本一致，表明BUCK直流變換器模型的合理性。

電動機；MATLAB；直流變換；BUCK

本文引用格式：張旭.無刷直流電動機調壓系統(tǒng)BUCK直流變換仿真［J］.新型工業(yè)化，2016，6（7）：56-60.

0　引言

工業(yè)技術的不斷發(fā)展，在很大程度上得益于電機理論及其控制技術的不斷發(fā)展。上個世紀80年代以來，電動機作為電能與機械能之間轉換的重要設備，在國民經濟的各個領域和人民日常生活中獲得廣泛應用。假如把電力傳動或電力拖動設備視為一個整體，電動機則是整體的“心臟”，為這個整體的運轉提供動力來源。在全球能源匱乏、降低能耗被提上各個行業(yè)發(fā)展趨勢的大背景下，高效率、智能化電機技術將成為電動機行業(yè)發(fā)展的最終目標。

電動機按照工作電流分為直流電動機和交流電動機，與交流電動機相比直流電動機具有輸出轉矩高、功率特性好、調速穩(wěn)定等優(yōu)點，在一些高精度的需求場合直流電動機具有廣泛應用。有刷直流電動機采用機械電刷改變各個繞組的電流方向，具有噪聲大、易產生電火花及無線干擾等問題。針對有刷直流電動機弊端，1917年，Boliger提出以電子換相（整流管）取代機械換相（電刷）的技術，從此國內外學者開始對無刷直流電動機的本體及控制技術開展大量的研究工作。伴隨電力電子技術的不斷進步，大功率電力電子器件（GTR、IGBT等）相繼問世，以及釹鐵硼等永磁材料的應用，均為無刷直流電動機技術的高速發(fā)展奠定基礎。如今無刷直流電動機技術集電機理論、變速機構、位置檢測及控制理論等于一體，在航空航天、智能開關驅動機構、高精密機床執(zhí)行元件、醫(yī)療衛(wèi)生等領域具有大量應用。

1　BUCK變換無刷直流電動機模型

無刷直流電動機通常采用三相六狀態(tài)120°導通的控制方式，在整個360°電角度一個周期內具有六種工作狀態(tài)。繞組導通方式根據(jù)輸出轉矩優(yōu)先原則，每個時刻三相繞組種的兩個導通，BUCK變換控制方式下三相全橋驅動系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1　BUCK變換控制方式下三相全橋電路結構圖Fig.1　Circuit structure of BUCK switch control mode three-phase full bridge

在BUCK變換控制方式下，三相全橋中的6個功率管不需要進行PWM調制，在控制過程中僅起到換相作用。直流母線電壓ud的表達式為：

式中：uin為BUCK變換器輸入端的電壓，D為BUCK變換器開關管的占空比。

無刷直流電動機的三相繞組平衡方程為：

式中：ua、ub、uc為無刷直流電動機三相繞組的相電壓；ia、ib、ic為無刷直流電動機三相繞組的相電流；、R為無刷直流電動機三相繞組的相電阻；L為無刷直流電動機三相繞組的相電感；ea、eb、ec為無刷直流電動機三相繞組的相反電動勢；un為中性點電壓。

2　BUCK直流變換

根據(jù)輸入與輸出之間是否具有電氣隔離可以將直流變換器分為直流變換器（無電氣隔離）和有隔離直流變換器兩種。根據(jù)使用功率管個數(shù)又可以將直流變換器分為單管直流變換器、雙管直流變換器和四管直流變換器，其中單管直流變換器分為壓降式（BUCK）直流變換器、升壓式（BOOST）直流變換器、庫克式（CUK）直流變換器、升降壓式（BUCK-BOOST）直流變換器、瑞泰式（ZETA）直流變換器、賽皮克式（SEPIC）直流變換器等；BUCK直流變換器和BOOST直流變換器是最基礎的直流變換器，其他形式的直流變換器都是從中派生而來的。

BUCK直流變換器是一種將輸出電壓轉變成小于或等于輸入電壓的單管非隔離直流變換器。BUCK直流變換器的主電路由二極管D、開關管T、LC并聯(lián)構成的輸出濾波電路組成，電路圖如圖2所示。BUCK直流變換器電路的電源為電壓源性質，負載為電流源性質，電路實現(xiàn)將直流電壓Ui轉變成較小的直流電壓Uo的功能。

圖2　BUCK直流變換器電路圖Fig.2　Circuit of BUCK DC converter

在分析BUCK直流變換器穩(wěn)定狀態(tài)下特性，對公式的推導過程進行簡化，并作如下假設：

（1）電路中開關管和二極管為理想元件，能夠在瞬間導通和截至，同時沒有導通壓降和截至漏電流；

（2）電感為理想元件，電感工作在線性未飽和區(qū)域，且寄生電阻為零；

（3）電感和電容為理想元件，電容的等效串聯(lián)電阻為零；

（4）輸出電壓紋波系數(shù)低，紋波電壓與輸出電壓相比可以忽略不計。

根據(jù)流過電感中的電流是否連續(xù)，BUCK直流變換器具有連續(xù)導電模式、不連續(xù)導電模式及臨界模式三種工作狀態(tài)。連續(xù)導電模式是指流過輸出濾波電感的電流總大于零，不連續(xù)導電模式是指在開關管關斷的期間內有流過輸出濾波電感電流為零的情況。在連續(xù)導電和不連續(xù)導電兩種工作方式之間有一個邊界，稱為電感電流臨界連續(xù)狀態(tài)，即在開關管關斷的末期，輸出濾波電感的電流剛好降為零。

BUCK直流變換器連續(xù)工作模式下開關管T導通，續(xù)流二極管由于反向偏置而截止，電容C開始充電，直流輸入電源Uin利用電感L為負載供電。T導通過程，流經電感的電流iL線性增加，磁場的能量也不斷增加。負載電阻兩端電壓Uo上正下負，流過的電流為io。BUCK直流變換器T導通時電路如圖3所示。

圖3　BUCK直流變換器T導通時電路Fig.3　Circuit of BUCK DC converter T conduction

在穩(wěn)態(tài)分析過程中，假設輸出濾波電容足夠大，輸出電壓波形可以看成是平直的。因為穩(wěn)態(tài)過程中電容的平均電流為0，所以BUCK直流變換器的電感平均電流與輸出電路平均電流大體相等，即為io。在連續(xù)導電狀態(tài)下電感的電流一直大于0，所以前一個周期結束到下一個周期開始的過程電流為連續(xù)的。BUCK直流變換器連續(xù)模式下的理論工作波形如圖4所示。

圖4　UCK直流變換器連續(xù)模式下的理論工作波形Fig.4　Waveform of BUCK the theoretical work DC converter continuous mode

3　BUCK直流變換仿真

根據(jù)BUCK直流變換器仿真需求，利用MATLAB軟件SIMULINK模塊中的PSB工具箱對BUCK直流變換器進行建模。PSB工具箱內部集成了很多電力系統(tǒng)器件模型，搭建的仿真模型與實際電路相似，為建模、仿真和數(shù)據(jù)分析提供便利條件。通過Multimeter、Bus Selector及Scope等模塊對電壓和電流信號進行檢測、顯示。搭建BUCK直流變換器仿真模型如圖5所示，在含有開關管的MATLAB仿真模型中，為了獲得較好的仿真效果和較快在仿真速度，通常選擇剛性積分仿真算法。

圖5　BUCK直流變換器仿真模型Fig.5　Simulation model of BUCK DC converter

BUCK直流變換器仿真輸入電壓為200V，輸出電壓50V，紋波電壓為輸出電壓的0.2％，負載電阻為20Ω，對工作頻率20kHz進行仿真，結果如圖6所示。圖6從上向下依次是開關管門極觸發(fā)脈沖、電感電壓、電感電流、輸出電壓、開關管電流和二極管電流，各個波形與圖4的理論波形規(guī)律一致。

圖6　BUCK直流變換器仿真曲線Fig.6　Simulation curve of BUCK DC converter

4　結論

無刷直流電動機在國民經濟的各個領域廣泛應用，其驅動系統(tǒng)直流轉換是控制系統(tǒng)設計必須考慮的問題。分析了BUCK直流變換器輸出特性，利用MATLAB進行建模仿真分析，表明所建立模型的合理性，本文的研究內容對無刷直流電機驅動系統(tǒng)設計具有一定的參考性。

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Simulation on BUCK DC Transformer of Brushless DC Motor Voltage Regulation System

ZHANG Xu
（CCTEG Shenyang Research Institute，F(xiàn)ushun Liaoning 113122，China）

In order to improve the brushless DC motor voltage regulation system voltage conversion effciency and reduce power consumption，based on BUCK transformer chopper voltage regulation technology was put forward.In this paper elaborated the circuit structure and mathematical model of brushless DC motor with BUCK mode，analyzed technology of DC converter and BUCK dc transform.Take advantage of MATLAB software SIMULINK module modeling BUCK DC converter，simulation for BUCK DC transform under the 20kHz working frequency，got the switch tube gate trigger pulse，inductive voltage and inductance current，output voltage，switching tube and diode current simulation curve.The simulation results and theoretical analysis of waveform basically the same，the rationality was proved of BUCK DC converter model.

Motor；MATLAB；DC transformer；BUCK

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.07.010

ZHANG Xu.Simulation on BUCK DC Transformer of Brushless DC Motor Voltage Regulation System［J］.The Journal of New Industrialization，2016，6（7）：56-60.