無刷直流電機(jī)控制電路的Multisim設(shè)計實訓(xùn)

詹莊春

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 珠江學(xué)院信息工程系，廣東 廣州，510900)

Multisim是電路仿真軟件，因其中含有無刷直流電機(jī)、直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和同步電機(jī)模塊[1]，所以非常有利于對電機(jī)進(jìn)行初步的控制與分析。無刷直流電動機(jī)是最具發(fā)展前途的機(jī)電一體化電機(jī)[2]，與普通直流電機(jī)相比，它省卻了存在電接觸的電刷和換向器，聚合了直流電機(jī)機(jī)械硬特性和交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢，為需要調(diào)速的應(yīng)用場合提供了性價比更高的解決方案，但無刷直流電機(jī)突出優(yōu)勢的體現(xiàn)有賴于較高的控制技術(shù)，即轉(zhuǎn)子位置檢測技術(shù)[3]和電子換向驅(qū)動技術(shù)。在此將無刷直流電機(jī)的控制仿真放在Multisim軟件環(huán)境下進(jìn)行，目的是為應(yīng)用型教學(xué)尋求一種便捷有效的實訓(xùn)途徑。

1 無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)與控制原理

雖然無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)有很多種，永磁轉(zhuǎn)子有內(nèi)外之分，磁極數(shù)也有1、2、3對之分，定子繞組分二、三、四、五相，繞組接法也分有無中性點，但其控制原理都是一樣的[4]，如圖1(b)所示，即通過轉(zhuǎn)子位置的檢測決定逆變器的觸發(fā)導(dǎo)通，然后直流電源逆變?yōu)榻涣麟?，定子繞組將沿氣隙圓周產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子同方向旋轉(zhuǎn)。圖1(a)為常見的三相兩極外轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)，其中沿圓周間距120°固定分布的三個霍爾傳感器，是一種應(yīng)用最多的轉(zhuǎn)子位置檢測元件，霍爾傳感器的核心元件是霍爾片，即通以直流電的一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片，當(dāng)其置于永磁轉(zhuǎn)子磁場中，則輸出霍爾電勢UH∝IB。當(dāng)無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)不帶傳感器時，可采用線反電動勢檢測法來估計轉(zhuǎn)子的位置[5]，即定子繞組線圈相對切割永磁轉(zhuǎn)子磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，以此估計轉(zhuǎn)子的位置。

(a)3相2極無刷電機(jī)結(jié)構(gòu) (b)無刷直流電機(jī)控制原理 圖1 無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)與控制原理Fig.1 Structure and control principle of a brushless DC motor

2 設(shè)計思路

現(xiàn)以定子繞組A相開始正向通電時刻作為電機(jī)運行周期的起始點，逆時針為旋轉(zhuǎn)正方向。假設(shè)電機(jī)采用三相全橋逆變驅(qū)動，則在二二導(dǎo)通方式下繞組電流相序為AB-AC-BC-BA-CA-CB-AB，即一個周期共計6次換相。氣隙磁場和永磁轉(zhuǎn)子在相鄰兩次換相期間均旋轉(zhuǎn)60°，而在每相繞組正向或反向通電期間旋轉(zhuǎn)120°。若霍爾電勢的正反和繞組通電的有無均以高低電平來表示，則其輸出波形如圖2所示，圖1(a)結(jié)構(gòu)圖所示轉(zhuǎn)子位置正處于90°或270°。值得注意的是，霍爾傳感器具體位置的安裝要與定子繞組通電情況相配合，以定轉(zhuǎn)子之間能夠產(chǎn)生最大電磁力矩為原則。

圖2 霍爾電勢、繞組通電波形圖Fig.2 The waveform of Hall potential and winding energized

另一方面，相繞組反電動勢指的是對相繞組激勵電壓的反作用，根據(jù)電磁感應(yīng)原理可知相電壓與相電勢近似相等。假設(shè)相電流為矩形波，則通過設(shè)計氣隙磁通密度分布可使相電勢為梯形波，其信號被加以利用的較多[6]。而相電壓受逆變器開關(guān)管換相的影響產(chǎn)生尖脈沖，其信號被加以利用的較少[7]。從理論上來講，當(dāng)三相正弦波或梯形波交流電對稱時，線電壓與對應(yīng)的參考相電壓在相位上互差30°，線電壓差與相電壓具有相同的過零點。也就是說，若將相電壓兩兩比較，再加上比較之后信號的反向，則可得6條信號，然后對這6條信號進(jìn)行邏輯設(shè)計，就可得對應(yīng)逆變器開關(guān)管的6條觸發(fā)信號。

3 電子換向觸發(fā)信號的實現(xiàn)

在Multisim元器件庫中選出三相交流電源、反相器、電壓比較器、二輸入與門模型，構(gòu)建反電動勢檢測法邏輯電路，如圖3(a)所示。對圖3(a)電路進(jìn)行單元測試，結(jié)果是：交流電相序為CBA，脈沖s6～s1依次輸出。在Multisim元器件庫中選出時鐘源、反相器、二輸入與門模型，構(gòu)建霍爾電勢檢測法邏輯電路，如圖3(b)所示。對圖3(b)電路進(jìn)行單元測試，結(jié)果是：當(dāng)設(shè)置霍爾電勢相序為ABC時，脈沖s1～s6依次輸出；而當(dāng)霍爾電勢相序為CBA時，脈沖s6～s1依次輸出。圖3電路輸出的邏輯波形與圖2理論分析的一致。

圖3 電子換向觸發(fā)信號邏輯電路Fig.3 The logic circuit of the electronic commutation trigger signal

4 控制系統(tǒng)邏輯電路

分別將反電動勢和霍爾電勢檢測法的電子換向觸發(fā)邏輯電路封裝為兩個子模塊，又從Multisim元器件庫中挑選具有霍爾電勢和反電動勢輸出的無刷直流電機(jī)、負(fù)載、帶續(xù)流二極管場控功率三極管六只、可調(diào)直流電源、三極雙向投刀開關(guān)和示波器儀表，再按圖4所示進(jìn)行連線，從而構(gòu)建控制系統(tǒng)邏輯電路。雙投開關(guān)的作用是實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置檢測法的轉(zhuǎn)換，在電機(jī)啟動時采用霍爾傳感器，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升至給定值或定時時間到則為反電動勢。三相橋式功率開關(guān)管的觸發(fā)信號備有三套，其中霍爾電勢檢測法的兩套分別實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。調(diào)節(jié)直流電源可調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖4 控制系統(tǒng)邏輯電路Fig.4 The logic circuit of the control system

5 仿真測試

首先，對元器件模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。無刷直流電機(jī)：定子相繞組電抗0.15mH、定子相繞組電阻0.6Ω、轉(zhuǎn)速系數(shù)0.06/(Vs/rad)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)0.06/(Nm/A)、磁極對數(shù)1，負(fù)載轉(zhuǎn)矩0.6e-3Nm，功率管觸發(fā)電壓5V、導(dǎo)通內(nèi)阻10mΩ、關(guān)斷阻抗1MΩ，續(xù)流二極管導(dǎo)通內(nèi)阻10mΩ、關(guān)斷阻抗1MΩ，可調(diào)電壓最大值100V、最小值0V?？刂葡到y(tǒng)仿真測試輸出波形如圖5所示，實現(xiàn)了無刷直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及調(diào)速。圖5(a)中，轉(zhuǎn)速n(rad/s)=測速電壓×轉(zhuǎn)速系數(shù)，電磁轉(zhuǎn)矩Te(Nm)=轉(zhuǎn)矩電壓÷定子相繞組阻抗÷轉(zhuǎn)矩系數(shù)。根據(jù)電機(jī)學(xué)理論可知，電磁轉(zhuǎn)矩正比于電樞電流，電樞電流在電機(jī)起動或電壓波動瞬間較大，相電勢即感應(yīng)電動勢正比于轉(zhuǎn)速，可看出該系統(tǒng)測試結(jié)果與理論分析一致。

(a)電機(jī)轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩隨時間的變化

(b)電機(jī)起動階段相電壓、相電勢、霍爾電勢、觸發(fā)脈沖之間的相位關(guān)系圖5 控制系統(tǒng)仿真測試輸出波形Fig.5 The output waveform of the control system simulation test

6 結(jié)語

通過本次的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)邏輯電路設(shè)計，可以看出，Multisim電路仿真軟件專業(yè)性很強(qiáng)[8]，無刷直流電機(jī)的初步控制與分析得以實現(xiàn)，實訓(xùn)效果很好。應(yīng)用Multisim不足之處是沒有得出電流和電壓差輸出波形，無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置在起動瞬間始終為初始值。為了改善電機(jī)運行的動態(tài)性能，可以考慮在Multisim平臺增加電流滯環(huán)控制環(huán)節(jié)[9]，關(guān)于無位置傳感器無刷直流電機(jī)實際起動時如何檢測轉(zhuǎn)子位置的問題，還有待進(jìn)一步研究與設(shè)計。