基于Saber的無(wú)刷直流電機控制系統仿真與分析

摘要：利用Saber仿真軟件完成無(wú)刷直流電機控制系統的研究分析。分別對控制系統中的位置傳感器、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)行有機整合。完成控制系統的整體仿真試驗，仿真結果證明，系統設計合理，其仿真結果與理論分析相吻合。

無(wú)刷直流電機是在有刷直流電機的基礎上發(fā)展起來(lái)。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機械電刷的專(zhuān)利，標志這現代無(wú)刷直流電機的誕生。

相對于有刷電機，無(wú)刷直流電機采用電子換向代替了機械換向，轉速高，輸出功率大，壽命長(cháng)，散熱好，無(wú)換向火花，噪聲低，可在高空稀薄條件下工作，廣泛應用在要求大功率重量比、響應速度快、可靠性高的隨動(dòng)系統中。

隨著(zhù)DSP數字控制芯片功能和速度的提高，以數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(wú)刷直流電機控制的發(fā)展方向。無(wú)刷直流電機必須和電子換向器、位置反饋器配套使用，控制更加靈活，當同時(shí)導致控制硬件、算法復雜度增加。

在無(wú)刷直流電機控制系統設計過(guò)程中利用數學(xué)仿真分析手段，可以更好的掌握系統的動(dòng)態(tài)特性，驗證電路設計是否正確，元器件、控制參數選擇匹配是否合理，從而更加有效地進(jìn)行系統設計。

本文利用Synopsys公司的電力電子仿真軟件Saber建立了無(wú)刷直流電機的控制系統的仿真分析模型，對該控制系統中的位置傳感器、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)行系統的仿真試驗。

1 電機控制系統總體

無(wú)刷直流控制系統的組成框圖如圖1所示。

在無(wú)刷直流電機控制系統中，控制器根據控制策略產(chǎn)生電機速度調節、轉向控制信號，采用位置檢測器產(chǎn)生代表電機轉子的位置信號，電子換向器對轉子位置信號、電機調速和方向控制信號進(jìn)行邏輯綜合，產(chǎn)生相應的開(kāi)關(guān)信號，開(kāi)關(guān)信號以一定的順序觸發(fā)逆變器中的功率開(kāi)關(guān)管，將電源功率以一定的邏輯關(guān)系分配給電機定子的U、V、W三相繞組，使電機產(chǎn)生持續轉矩。下面將詳細介紹無(wú)刷電機控制系統各部分的設計和建模仿真。

1. 1 電機位置傳感器的建模

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

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

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

其中，-180°≤θ≤180°

建立電機霍爾傳感器的仿真分析模型，然后進(jìn)行仿真分析。當電機的極對數為2時(shí)，對應不同的電機轉子轉角Angle，輸出霍爾信號HA、HB、HC的仿真結果如圖2所示。

在圖中可以看到，一個(gè)電氣周期內，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;當電機正轉時(shí)，HA、HB、HC編碼組合依次為：011->001->101->100->110->010->011，電機反轉時(shí)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電機位置傳感器產(chǎn)生的霍爾位置信號HA、HB、HC、電機轉向控制信號DIR和電機轉速調節信號PWM產(chǎn)生控制6個(gè)功率管開(kāi)通與關(guān)斷的控制信號S1、S2、S3、S4、S5、S6。當控制電機DIR信號為“0”時(shí)，電機負向轉動(dòng);當DIR信號為“1”時(shí)，電機正向轉動(dòng);PWM信號占空比在0～1.0之間變化，通過(guò)控制PWM信號的占空比大小實(shí)現電機速度的調節，占空比越大，電機轉速越高。

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)行調制實(shí)現電機調速的目的。

在換向邏輯實(shí)現上，為了提高系統的可靠性，采用與門(mén)、異或、非門(mén)集成邏輯門(mén)電路實(shí)現電機的邏輯換向。

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

在上圖的仿真結果可以看到，同一半橋上的兩個(gè)管不能同時(shí)導通;PWM調制信號實(shí)現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，并將之轉化為逆變電路6個(gè)功率管的柵極驅動(dòng)控制信號，通過(guò)控制功率管的開(kāi)通和關(guān)斷，將電機電源轉換為可以驅動(dòng)無(wú)刷電機運行的三相交流電U、V和W。

在電機功率驅動(dòng)電路中，三相逆變橋電路有6個(gè)功率管。對于Mosfet功率開(kāi)關(guān)管，其導通的條件時(shí)柵-源之間的電壓Ugs大于某個(gè)閾值，這個(gè)閾值對于不同的功率管是不同的。

如圖4為一個(gè)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，所以當控制Q4導通時(shí)，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(dòng)的，僅靠單獨在Q1的柵極上施加電壓信號Up控制Q1導通比較困難。

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

本文三相逆變橋的功率驅動(dòng)集成電路采用IR美國國際整流器公司生產(chǎn)的專(zhuān)用驅動(dòng)芯片IR2110，功率開(kāi)關(guān)管選用MOSFKTIRFP260N。IR2110驅動(dòng)一個(gè)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(lái)給高端IRFP260N提供懸浮電源。一個(gè)半橋的高端管在導通前需要先對自舉電容C1充電，當C1兩端電壓超過(guò)閾值電壓，高端管開(kāi)始導通。自舉電容必須能夠提供功率管導通時(shí)所需要的柵極電荷，并且在控制高端管導通期間，自舉電容兩端電壓要基本保持不變。自舉電容過(guò)小，導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。

當高端IRFP260N管開(kāi)啟時(shí)，自舉二極管D1必須承受著(zhù)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(xiàn)電壓，并且應該是快恢復二極管，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管的柵極驅動(dòng)信號Q1_G，柵源電壓Q1_GS，Q1、Q2的中點(diǎn)電位U，Q4管的柵極驅動(dòng)電壓Q4_G仿真分析結果如圖6所示。

在圖6中，在時(shí)刻“1”，低端Q4功率管的控制信號Q4_C有效，經(jīng)過(guò)驅動(dòng)集成電路IR2110后，Q2的柵極驅動(dòng)信號Q2_G為11.988  V，其柵源電壓大于IRFP260的導通閾值，Q2導通，此時(shí)Q1管關(guān)斷;在時(shí)刻“2”，低端Q1功率管的控制信號Q1_C有效，經(jīng)過(guò)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(shí)Q1的柵源電壓Q1_GS為11.95V，大于功率管的導通閾值，Q1導通，此時(shí)Q2關(guān)閉?？梢钥吹?，三相逆變器電路的設計可以可靠控制功率管的開(kāi)通和關(guān)斷。

2 系統功能仿真

設置無(wú)刷直流電機參數如下，2對極，單相繞組電阻為1.65 Ω，繞組電感為1 mH，反電動(dòng)勢系數ke=0.048，轉子轉動(dòng)慣量為j=4.189 x10-6  kg*m2。設置PWM占空比為0.6，頻率為10  kHz，對整個(gè)電機控制系統進(jìn)行仿真。三相繞組的電壓U、V、W，電機轉速Wrm，電機轉子機械轉角Theta的仿真分析結果如圖7所示。

由上圖可以看到，由于PWM占空比為0.6，無(wú)論正向轉動(dòng)還是負向轉動(dòng)，電機均處于加速狀態(tài)：當DIR為“0”時(shí)，電機向負方向轉動(dòng);當DIR為“1”時(shí)，電機正向轉動(dòng)。從結果可以看到，無(wú)刷直流電機控制系統工作正常。

3 結論

本文利用仿真軟件Saber完成了無(wú)刷直流控制系統的建模與分析，系統仿真試驗證明，控制系統工作正常，仿真精度高，其仿真結果與理論分析相吻合。Matlab/Simulink仿真軟件主要適合電機控制系統研究，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、電機模型庫，運算精度高，同時(shí)具備以上兩種分析工具的優(yōu)點(diǎn)。因此，基于Saber的電機控制系統的仿真分析，可以在掌握系統的動(dòng)態(tài)特性的同時(shí)，實(shí)現對電路設計的詳細設計和精細分析，對控制策略、算法進(jìn)行驗證，從而更加有效地進(jìn)行系統和分系統設計為電機控制系統的應用提供了非常有效的設計手段。