基于Saber的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真與分析

鄺永變，朱劍波

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院 河南 洛陽(yáng) 471009）

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(guó)的D.Harrison等人首次申請(qǐng)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[1]。

相對(duì)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(zhǎng)，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(dòng)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(hào)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[2]。無刷直流電機(jī)必須和電子換向器、位置反饋器配套使用[3]，控制更加靈活，當(dāng)同時(shí)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(jì)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(dòng)態(tài)特性，驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)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(jì)。

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(duì)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(yàn)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(yàn)。

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。

圖1 無刷直流控制系統(tǒng)的組成框圖Fig.1 Structure diagram of BLDCM control system

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(hào)，采用位置檢測(cè)器產(chǎn)生代表電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，電子換向器對(duì)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)、電機(jī)調(diào)速和方向控制信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合，產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)信號(hào)，開關(guān)信號(hào)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[4]。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(jì)和建模仿真。

1.1 電機(jī)位置傳感器的建模

位置檢測(cè)器在直流無刷電動(dòng)機(jī)中檢測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，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(cè)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(zhuǎn)子為電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子磁極。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，永磁轉(zhuǎn)子的N-S極交替變換，3個(gè)霍爾位置傳感器感應(yīng)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的變化輸出霍爾信號(hào)HA、HB、HC，這3個(gè)信號(hào)不同的編碼組合代表電機(jī)轉(zhuǎn)子的不同位置[5]。

根據(jù)霍爾傳感器的物理安裝位置，3相霍爾信號(hào)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(duì)數(shù)為2時(shí)，對(duì)應(yīng)不同的電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角Angle，輸出霍爾信號(hào)HA、HB、HC的仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 輸出霍爾信號(hào)仿真計(jì)算結(jié)果Fig.2 Simulation results of the Hall sensors

在圖中可以看到，一個(gè)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(shí)，HA、HB、HC 編碼組合依次為：011-＞001-＞101-＞100-＞110-＞010-＞011， 電機(jī)反轉(zhuǎn)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(jù)電機(jī)位置傳感器產(chǎn)生的霍爾位置信號(hào)HA、HB、HC、電機(jī)轉(zhuǎn)向控制信號(hào)DIR和電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號(hào)PWM產(chǎn)生控制6個(gè)功率管開通與關(guān)斷的控制信號(hào) S1、S2、S3、S4、S5、S6。當(dāng)控制電機(jī) DIR 信號(hào)為“0”時(shí)，電機(jī)負(fù)向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)DIR信號(hào)為“1”時(shí)，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)；PWM信號(hào)占空比在0～1.0之間變化，通過控制PWM信號(hào)的占空比大小實(shí)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(hào)對(duì)半橋的高端管進(jìn)行調(diào)制實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的目的。

在換向邏輯實(shí)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(shí)現(xiàn)電機(jī)的邏輯換向。

設(shè)置PWM占空比為0.6時(shí)，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(gè)半橋的高端管、低端管的控制信號(hào)。

在上圖的仿真結(jié)果可以看到，同一半橋上的兩個(gè)管不能同時(shí)導(dǎo)通；PWM調(diào)制信號(hào)實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(hào)，并將之轉(zhuǎn)化為逆變電路6個(gè)功率管的柵極驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，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(dòng)無刷電機(jī)運(yùn)行的三相交流電U、V和W[6]。

在電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路中，三相逆變橋電路有6個(gè)功率管。對(duì)于Mosfet功率開關(guān)管，其導(dǎo)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(duì)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(duì)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(shí)，只要在Q4的柵極加大于閾值的電壓信號(hào)Ud即可；但對(duì)于高端的管子Q1，由于其源極電位U是浮動(dòng)的，僅靠單獨(dú)在Q1的柵極上施加電壓信號(hào)Up控制Q1導(dǎo)通比較困難。

圖3 電子換向器的仿真分析結(jié)果Fig.3 Simulation results of electronic commutators

圖4 驅(qū)動(dòng)電路的半橋電路原理圖Fig.4 diagram of half-bridge driver circuit

基于以上分析，功率開關(guān)管一般采用直接驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)兩種方式。對(duì)于隔離驅(qū)動(dòng)模式，6個(gè)功率開關(guān)器件都采用獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)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(fù)雜性，可靠性下降。而自舉型功率橋驅(qū)動(dòng)集成電路具有獨(dú)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(gè)直流電源，就可輸出半橋功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖[7]。

本文三相逆變橋的功率驅(qū)動(dòng)集成電路采用IR美國(guó)國(guó)際整流器公司生產(chǎn)的專用驅(qū)動(dòng)芯片IR2110，功率開關(guān)管選用MOSFETIRFP260N。IR2110驅(qū)動(dòng)一個(gè)半橋的電路如圖5所示。其中，C1、VD分別為自舉電容和二極管，Rg為柵極串聯(lián)電阻。

圖5 IR2110驅(qū)動(dòng)一個(gè)半橋的電路原理圖Fig.5 diagram of half-bridge driver circuit based on IR2110

自舉電容C1用來給高端IRFP260N提供懸浮電源。一個(gè)半橋的高端管在導(dǎo)通前需要先對(duì)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(shí)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[8]。自舉電容取值一般為0.1~1μF，這里選擇自舉電容值為1μF。

當(dāng)高端IRFP260N管開啟時(shí)，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(hào)G1_C、G4_C，Q1管的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào) Q1_G，柵源電壓 Q1_GS，Q1、Q2的中點(diǎn)電位 U，Q4管的柵極驅(qū)動(dòng)電壓Q4_G仿真分析結(jié)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(hào)Q4_C有效，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)集成電路IR2110后，Q2的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(shí)Q1管關(guān)斷；在時(shí)刻“2”，低端Q1功率管的控制信號(hào)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_G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(dǎo)通閾值，Q1導(dǎo)通，此時(shí)Q2關(guān)閉。可以看到，三相逆變器電路的設(shè)計(jì)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(duì)極，單相繞組電阻為1.65Ω，繞組電感為1mH，反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)ke=0.048，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為j=4.189×10-6kg*m2。設(shè)置PWM占空比為0.6，頻率為10 kHz，對(duì)整個(gè)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。

圖6 三相逆變器電路的半橋的仿真分析結(jié)果Fig.6 Simulationmodel of the inverter circuit

圖7 整體系統(tǒng)仿真分析結(jié)果Fig.7 Simulation results of thewhole control system

由上圖可以看到，由于PWM占空比為0.6，無論正向轉(zhuǎn)動(dòng)還是負(fù)向轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)均處于加速狀態(tài)；當(dāng)DIR為“0”時(shí)，電機(jī)向負(fù)方向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)DIR為“1”時(shí)，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)。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(yàn)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仿真工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(kù)，運(yùn)算精度高[9]，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(jī)控制系統(tǒng)的仿真分析，可以在掌握系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路設(shè)計(jì)的詳細(xì)設(shè)計(jì)和精細(xì)分析，對(duì)控制策略、算法進(jìn)行驗(yàn)證，從而更加有效地進(jìn)行系統(tǒng)和分系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為電機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用提供了非常有效的設(shè)計(jì)手段。

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