基于Saber的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真與分析

摘要：利用Saber仿真軟件完成無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的研究分析。分別對控制系統(tǒng)中的位置傳感器、電子換向器、三相逆變電路進(jìn)行研究與分析，并完成仿真模型的搭建、功能驗證和性能分析，最后對各功能模塊進(jìn)行有機(jī)整合。完成控制系統(tǒng)的整體仿真試驗，仿真結(jié)果證明，系統(tǒng)設(shè)計合理，其仿真結(jié)果與理論分析相吻合。

無刷直流電機(jī)是在有刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來。1955年，美國的D.Harrison等人首次申請用晶體管換向電路代替有刷電機(jī)機(jī)械電刷的專利，標(biāo)志這現(xiàn)代無刷直流電機(jī)的誕生。

相對于有刷電機(jī)，無刷直流電機(jī)采用電子換向代替了機(jī)械換向，轉(zhuǎn)速高，輸出功率大，壽命長，散熱好，無換向火花，噪聲低，可在高空稀薄條件下工作，廣泛應(yīng)用在要求大功率重量比、響應(yīng)速度快、可靠性高的隨動系統(tǒng)中。

隨著DSP數(shù)字控制芯片功能和速度的提高，以數(shù)字信號處理器為核心的控制電路和嵌入式控制軟件將代表無刷直流電機(jī)控制的發(fā)展方向。無刷直流電機(jī)必須和電子換向器、位置反饋器配套使用，控制更加靈活，當(dāng)同時導(dǎo)致控制硬件、算法復(fù)雜度增加。

在無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計過程中利用數(shù)學(xué)仿真分析手段，可以更好的掌握系統(tǒng)的動態(tài)特性，驗證電路設(shè)計是否正確，元器件、控制參數(shù)選擇匹配是否合理，從而更加有效地進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。

本文利用Synopsys公司的電力電子仿真軟件Saber建立了無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)的仿真分析模型，對該控制系統(tǒng)中的位置傳感器、電子換向器、三相逆變電路進(jìn)行研究與分析，完成仿真模型的搭建、功能驗證和性能分析，最后利用整體模型進(jìn)行系統(tǒng)的仿真試驗。

1 電機(jī)控制系統(tǒng)總體

無刷直流控制系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

在無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，控制器根據(jù)控制策略產(chǎn)生電機(jī)速度調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)向控制信號，采用位置檢測器產(chǎn)生代表電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號，電子換向器對轉(zhuǎn)子位置信號、電機(jī)調(diào)速和方向控制信號進(jìn)行邏輯綜合，產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)信號，開關(guān)信號以一定的順序觸發(fā)逆變器中的功率開關(guān)管，將電源功率以一定的邏輯關(guān)系分配給電機(jī)定子的U、V、W三相繞組，使電機(jī)產(chǎn)生持續(xù)轉(zhuǎn)矩。下面將詳細(xì)介紹無刷電機(jī)控制系統(tǒng)各部分的設(shè)計和建模仿真。

1. 1 電機(jī)位置傳感器的建模

位置檢測器在直流無刷電動機(jī)中檢測轉(zhuǎn)子磁極位置，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換向信息，即將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號轉(zhuǎn)化為電信號，控制定子繞組換向。

本文采用霍爾傳感器進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極位置的測試。3個霍爾傳感器定子在空間位置上呈120°均勻分布，霍爾轉(zhuǎn)子為電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)于磁極。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，永磁轉(zhuǎn)子的N-S極交替變換，3個霍爾位置傳感器感應(yīng)轉(zhuǎn)子磁場的變化輸出霍爾信號HA、HB、HC，這3個信號不同的編碼組合代表電機(jī)轉(zhuǎn)子的不同位置。

根據(jù)霍爾傳感器的物理安裝位置，3相霍爾信號HA、HB、HC與轉(zhuǎn)子磁極電氣角度θ的關(guān)系式如下：

其中，-180°≤θ≤180°

建立電機(jī)霍爾傳感器的仿真分析模型，然后進(jìn)行仿真分析。當(dāng)電機(jī)的極對數(shù)為2時，對應(yīng)不同的電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角Angle，輸出霍爾信號HA、HB、HC的仿真結(jié)果如圖2所示。

在圖中可以看到，一個電氣周期內(nèi)，3相霍爾位置傳感器有6種組合的編碼狀態(tài)，分別為：101、100、110、010、011、001;當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時，HA、HB、HC編碼組合依次為：011->001->101->100->110->010->011，電機(jī)反轉(zhuǎn)時HA、HB、HC編碼組合依次為：010->110->100->101->001->011->010。

1. 2 電子換向器建模

電子換向器的主要功能根據(jù)電機(jī)位置傳感器產(chǎn)生的霍爾位置信號HA、HB、HC、電機(jī)轉(zhuǎn)向控制信號DIR和電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號PWM產(chǎn)生控制6個功率管開通與關(guān)斷的控制信號S1、S2、S3、S4、S5、S6。當(dāng)控制電機(jī)DIR信號為“0”時，電機(jī)負(fù)向轉(zhuǎn)動;當(dāng)DIR信號為“1”時，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動;PWM信號占空比在0～1.0之間變化，通過控制PWM信號的占空比大小實現(xiàn)電機(jī)速度的調(diào)節(jié)，占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高。

電子換向器的輸出控制邏輯關(guān)系如下，PWM信號對半橋的高端管進(jìn)行調(diào)制實現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的目的。

在換向邏輯實現(xiàn)上，為了提高系統(tǒng)的可靠性，采用與門、異或、非門集成邏輯門電路實現(xiàn)電機(jī)的邏輯換向。

設(shè)置PWM占空比為0.6時，電子換向器的仿真分析結(jié)果如圖3所示，其中S1、S4為一個半橋的高端管、低端管的控制信號。

在上圖的仿真結(jié)果可以看到，同一半橋上的兩個管不能同時導(dǎo)通;PWM調(diào)制信號實現(xiàn)了對半橋的高端管的控制。

1.3 三相逆變器電路的建模

逆變電路的作用是接收電子換向器的控制信號，并將之轉(zhuǎn)化為逆變電路6個功率管的柵極驅(qū)動控制信號，通過控制功率管的開通和關(guān)斷，將電機(jī)電源轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動無刷電機(jī)運(yùn)行的三相交流電U、V和W。

在電機(jī)功率驅(qū)動電路中，三相逆變橋電路有6個功率管。對于Mosfet功率開關(guān)管，其導(dǎo)通的條件時柵-源之間的電壓Ugs大于某個閾值，這個閾值對于不同的功率管是不同的。

如圖4為一個三相逆變器的半橋電路原理圖。

對于低端的管子Q4，由于其源極(s)接地，所以當(dāng)控制Q4導(dǎo)通時，只要在Q4的柵極加大于閾值的電壓信號Ud即可;但對于高端的管子Q1，由于其源極電位U是浮動的，僅靠單獨在Q1的柵極上施加電壓信號Up控制Q1導(dǎo)通比較困難。

基于以上分析，功率開關(guān)管一般采用直接驅(qū)動和隔離驅(qū)動兩種方式。對于隔離驅(qū)動模式，6個功率開關(guān)器件都采用獨立的驅(qū)動電路驅(qū)動，都需要一組輔助電源，各個電路之間還要互相懸浮，增加了電路的復(fù)雜性，可靠性下降。而自舉型功率橋驅(qū)動集成電路具有獨立的低端和高端輸入通道，懸浮電壓采用內(nèi)置自舉電路完成，僅需要一個直流電源，就可輸出半橋功率開關(guān)管的驅(qū)動脈沖。

本文三相逆變橋的功率驅(qū)動集成電路采用IR美國國際整流器公司生產(chǎn)的專用驅(qū)動芯片IR2110，功率開關(guān)管選用MOSFKTIRFP260N。IR2110驅(qū)動一個半橋的電路如圖5所示。其中，C1、VD分e為自舉電容和二極管，Rg為柵極串聯(lián)電阻。

自舉電容C1用來給高端IRFP260N提供懸浮電源。一個半橋的高端管在導(dǎo)通前需要先對自舉電容C1充電，當(dāng)C1兩端電壓超過閾值電壓，高端管開始導(dǎo)通。自舉電容必須能夠提供功率管導(dǎo)通時所需要的柵極電荷，并且在控制高端管導(dǎo)通期間，自舉電容兩端電壓要基本保持不變。自舉電容過小，導(dǎo)致自舉電容可能有較大的紋波。自舉電容取值一般為0.1～1μF，這里選擇自舉電容值為1  μF。

當(dāng)高端IRFP260N管開啟時，自舉二極管D1必須承受著和IRFP260N漏極相同的電壓，所以二極管的反向承受電壓要大于母線電壓，并且應(yīng)該是快恢復(fù)二極管，以減少自舉電容向電源的回饋電荷。

建立逆變器電路的仿真分析模型并進(jìn)行仿真分析，高端管Q1、低端管Q4的控制信號G1_C、G4_C，Q1管的柵極驅(qū)動信號Q1_G，柵源電壓Q1_GS，Q1、Q2的中點電位U，Q4管的柵極驅(qū)動電壓Q4_G仿真分析結(jié)果如圖6所示。

在圖6中，在時刻“1”，低端Q4功率管的控制信號Q4_C有效，經(jīng)過驅(qū)動集成電路IR2110后，Q2的柵極驅(qū)動信號Q2_G為11.988  V，其柵源電壓大于IRFP260的導(dǎo)通閾值，Q2導(dǎo)通，此時Q1管關(guān)斷;在時刻“2”，低端Q1功率管的控制信號Q1_C有效，經(jīng)過IR2110后，Q1的源極電位U為90V，Q1的柵極電位Q1_C被自舉電容升高到101.95V，此時Q1的柵源電壓Q1_GS為11.95V，大于功率管的導(dǎo)通閾值，Q1導(dǎo)通，此時Q2關(guān)閉?？梢钥吹?，三相逆變器電路的設(shè)計可以可靠控制功率管的開通和關(guān)斷。

2 系統(tǒng)功能仿真

設(shè)置無刷直流電機(jī)參數(shù)如下，2對極，單相繞組電阻為1.65 Ω，繞組電感為1 mH，反電動勢系數(shù)ke=0.048，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為j=4.189 x10-6  kg*m2。設(shè)置PWM占空比為0.6，頻率為10  kHz，對整個電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。三相繞組的電壓U、V、W，電機(jī)轉(zhuǎn)速Wrm，電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)角Theta的仿真分析結(jié)果如圖7所示。

由上圖可以看到，由于PWM占空比為0.6，無論正向轉(zhuǎn)動還是負(fù)向轉(zhuǎn)動，電機(jī)均處于加速狀態(tài)：當(dāng)DIR為“0”時，電機(jī)向負(fù)方向轉(zhuǎn)動;當(dāng)DIR為“1”時，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動。從結(jié)果可以看到，無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)工作正常。

3 結(jié)論

本文利用仿真軟件Saber完成了無刷直流控制系統(tǒng)的建模與分析，系統(tǒng)仿真試驗證明，控制系統(tǒng)工作正常，仿真精度高，其仿真結(jié)果與理論分析相吻合。Matlab/Simulink仿真軟件主要適合電機(jī)控制系統(tǒng)研究，Pspice仿真丁具主要適合電力電子電路的分析，Saber軟件包含豐富的電力電子元器件、電機(jī)模型庫，運(yùn)算精度高，同時具備以上兩種分析工具的優(yōu)點。因此，基于Saber的電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真分析，可以在掌握系統(tǒng)的動態(tài)特性的同時，實現(xiàn)對電路設(shè)計的詳細(xì)設(shè)計和精細(xì)分析，對控制策略、算法進(jìn)行驗證，從而更加有效地進(jìn)行系統(tǒng)和分系統(tǒng)設(shè)計為電機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用提供了非常有效的設(shè)計手段。