基于Saber的無(wú)刷直流電機控制系統仿真

　　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。