解析無刷直流永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理

杜世勤

（上海電機學院，上海 201306）

當今世界科技發(fā)展迅猛，加速了工業(yè)方面的機械設(shè)備和機電化產(chǎn)品的更新?lián)Q代，一些技術(shù)陳舊的產(chǎn)品已經(jīng)不能滿足市場的需求，因而，急需研發(fā)和生產(chǎn)一系列高性能、高精度和高效能的機電一體化設(shè)備，比如鑄造機械、空氣系統(tǒng)設(shè)備、醫(yī)療器械等，這就在一定程度上有效推進了直流無刷電動機的控制系統(tǒng)的飛速發(fā)展，更好地滿足了各個行業(yè)對新一代機械設(shè)備和機電一體化產(chǎn)品所提出的高、精、尖的要求[1]。

無刷直流永磁電動機有著直流電機調(diào)速簡單、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，還有著有刷直流電機不具備的優(yōu)點，即無需投入資源維修保養(yǎng)，電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制使其控制更為精準，節(jié)省能源的同時也可以讓電機更快響應，以更少的能源讓電機更快地達到穩(wěn)定狀態(tài)，電流環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)會讓電機的波動更小，輸出的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩更穩(wěn)定。這種電機被廣泛運用于計算機、軍工業(yè)、電力拖動等領(lǐng)域，相比于普通的直流電動機，無疑具有更好的發(fā)展前景。因此，建立起無刷直流永磁電動機的控制系統(tǒng)的仿真模型，就可以更快更準確地完成電機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計，在更短的時間創(chuàng)造更大的收益。

1 驅(qū)動無刷永磁直流電動機的基本電路及其工作模式

無刷永磁直流電動機運行系統(tǒng)主要由3 個子系統(tǒng)組成：一個是電機本體，一個是轉(zhuǎn)子位置傳感器，還有就是電力電子驅(qū)動器件和弱電控制部分。驅(qū)動管的控制電極一般要連在計算機輸出信號控制的光耦器件上，光耦器件聯(lián)系著弱電和強電，起著遠程信號傳輸和保護的功能。半橋驅(qū)動如圖1 所示，旋轉(zhuǎn)電機的一種供電方式是從A 相到B 相再到C 相，另外一種供電方式從A 相到C 相再到B 相，完成電動機的正反向旋轉(zhuǎn)，對于學過電機與拖動的學生來說，2 種方向的定子旋轉(zhuǎn)磁場一目了然，容易理解。這種半橋驅(qū)動的缺點也是顯而易見，那就是在每一個時間段，只有一相繞組在提供電能，另外兩相在空閑之中，繞組利用率不高。為了提高繞組的利用率，可以采用全橋供電方式。

圖1 半橋驅(qū)動直流無刷電機

全橋驅(qū)動電路如圖2 所示，電機以星形接法為例，采用兩兩導通方式，一種旋轉(zhuǎn)供電方式是VT6、VT1導通，接著VT1、VT2 導通，VT2、VT3 導通，VT3、VT4 導通，VT4、VT5 導通，VT5、VT6 導通，完成電氣360°一圈旋轉(zhuǎn)之后，進入第二圈，又從VT6、VT1導通，周而復始。這種全橋驅(qū)動電路的好處是A、B、C 三相繞組，一相正導通，一相負導通，兩相合力拖動電機旋轉(zhuǎn)，提高了電機繞組的利用率。

圖2 星形連接橋式驅(qū)動直流無刷電機

早期無刷直流永磁電機主要利用模擬電路進行電機控制，模擬電路雖然可以實現(xiàn)連續(xù)控制，但電路設(shè)計較為復雜，基本器件過多，空間體積較大，可靠性不高，維護檢修復雜，且無法實現(xiàn)復雜控制算法，難以適應現(xiàn)代無刷直流永磁電機控制的性能需求，當下電子技術(shù)的發(fā)展使得數(shù)字、模擬混合電路逐步取代了純模擬電路，被應用于各種場合下的控制系統(tǒng)[2]。

不管模擬電子控制驅(qū)動電路，還是數(shù)字電路控制驅(qū)動電路，電機驅(qū)動自動控制系統(tǒng)是工科大學生學習自動控制技術(shù)的一個重要組成部分。特種電機中的許多產(chǎn)品用于組成自控系統(tǒng)，自整角機利用電機的自整步性，使機械上互不相連的2 根或多根轉(zhuǎn)軸自動地保持相同的轉(zhuǎn)角變化，實現(xiàn)角度信號的遠距離傳輸和指示；旋轉(zhuǎn)變壓器用于在復雜和惡劣工作環(huán)境中測量電機轉(zhuǎn)子位置信號；測速發(fā)電機把轉(zhuǎn)速信號變?yōu)殡妷盒盘栍糜跍y定電機轉(zhuǎn)速?？梢哉f，電機驅(qū)動系統(tǒng)既是手段，也是目的。伺服控制系統(tǒng)被廣泛地應用于工業(yè)生產(chǎn)和人們生活中。

形成閉環(huán)是自動控制系統(tǒng)的主要特征，無刷直流永磁電機驅(qū)動自動控制系統(tǒng)中的電機繞組和電機轉(zhuǎn)子是2 個動態(tài)變量，分別使用定子電感和電機轉(zhuǎn)動慣量的大小來描述。電機的電流和轉(zhuǎn)速是需要控制的2 個物理量，克服負載轉(zhuǎn)矩以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)是電機的本職工作，但是啟動時繞組不能承受太大的電流，即電機要給負載一定的加速度，同時不能讓電機繞組過熱燒壞。從一般到特殊，無刷直流永磁電機驅(qū)動自動控制系統(tǒng)通常也采用電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制策略。

使用傳統(tǒng)自動控制理論分析電機驅(qū)動自動控制系統(tǒng)，可以分別列出這個無刷永磁直流電動機的微分方程組進行拉普拉斯變換，消去中間變量，得出傳遞函數(shù)。得出傳遞函數(shù)的電機驅(qū)動自動控制系統(tǒng)如果不考慮非線性因素，可以有解析解，一般盡量避免直接解微分方程，使用時域分析方法、根軌跡方法和頻域法分析系統(tǒng)的穩(wěn)準快問題，計算出上述電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的控制參數(shù)。

2 無刷直流永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)的Simulink 仿真

工科學生經(jīng)常使用Matlab 編程和仿真，其中控制系統(tǒng)的仿真是用得最多的一種。經(jīng)典控制理論在電機的驅(qū)動過程中被廣泛的使用，且有較好效果。根據(jù)上述第二部分無刷直流永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)電機本體和控制策略的分析，下面采用Matlab 平臺上的Simulink 仿真模塊，用具體的一個例程，解析無刷直流永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理。

無刷直流永磁電機是控制的對象，把這個核心元件擺好后，就要對其參數(shù)進行設(shè)置。這里將梯形波反電勢電角度設(shè)置為120°，每相繞組中永磁磁鏈設(shè)置為0.184 8 Wb，當然也可以換一種設(shè)置方法，設(shè)置每千轉(zhuǎn)感應電勢數(shù)值，即電勢系數(shù)，甚至轉(zhuǎn)矩系數(shù)。電機的定子電阻為4.765 Ω，定子電感為8.5 mH，電機轉(zhuǎn)動慣量設(shè)置為0.008 kg·m2，阻尼系數(shù)設(shè)置為0.001 N·s/m，電機的極對數(shù)設(shè)置為2。采樣的電機信號有三相定子電流、3 個霍爾位置信號、角速度和電磁轉(zhuǎn)矩。電流閉環(huán)要用到3 個定子電流信號，本例程中把電流限制在10 A 以下，用它和轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出作差，作為電流環(huán)的輸入。閉環(huán)要用到角速度信號、轉(zhuǎn)速，用它和給定的2 000 r/min 作差，作為轉(zhuǎn)速環(huán)的輸入。負載轉(zhuǎn)矩給定1.5 N·m，直流母線電壓300 V，采用上述圖2 的典型逆變橋模塊，電機以2 000 r/min 帶動給定負載旋轉(zhuǎn)，最終要靠逆變橋輸出對應的三相定子繞組電壓源提供能量，不同的負載需要PWM 調(diào)制出不同的定子繞組電壓。電機控制系統(tǒng)仿真整體框圖如圖3 所示。

圖3 電機控制系統(tǒng)仿真整體框圖

要采用Matlab 平臺上的Simulink 仿真模塊中的無刷直流永磁電機，就必須遵循該模塊使用說明標注的各繞組上電導通的邏輯順序，霍爾信號和反電勢信號要對應起來，否則仿真結(jié)果就會出錯。在Simulink 仿真自帶的示例中，根據(jù)霍爾信號ha、hb、hc，使用邏輯電路連線控制各相上下橋臂導電順序，本文采用編程來實現(xiàn)同樣的仿真功能。根據(jù)霍爾信號ha、hb、hc和脈寬調(diào)制信號PWM，依據(jù)本文第二部分所述，結(jié)合霍爾布置，按序?qū)ㄉ舷聵虮酃β使埽琍WM 調(diào)制可在上橋臂1、3、5 中完成，也可以在下橋臂2、4、6 中完成。本例程采用上橋臂1、3、5 中進行PWM 調(diào)制，使用matlab function 模塊，編制具體程序如下：

function[y1,y2,y3,y4,y5,y6]=fcn(ha,hb,hc,PWM)

y1=0;y2=0;y3=0;y4=0;y5=0;y6=0;

tmp=hc*4+hb*2+ha;

if tmp==4

y1=0;y2=0;y3=0;y4=1;y5=1*PWM;y6=0;

end

if tmp==6

y1=0;y2=1;y3=0;y4=0;y5=1*PWM;y6=0;

end

if tmp==2

y1=0;y2=1;y3=1*PWM;y4=0;y5=0;y6=0;

end

if tmp==3

y1=0;y2=0;y3=1*PWM;y4=0;y5=0;y6=1;

end

if tmp==1

y1=1*PWM;y2=0;y3=0;y4=0;y5=0;y6=1;

end

if tmp==5

y1=1*PWM;y2=0;y3=0;y4=1;y5=0;y6=0;

end

end

通過加入可能的負載，本例程為1.5 N·m，模擬工作環(huán)境下的電機，監(jiān)測電機的工作性能。系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流的雙閉環(huán)控制，完成對轉(zhuǎn)速和電流的監(jiān)測，如圖4 和圖5 所示。在圖4 中，可見轉(zhuǎn)速從0 開始，穩(wěn)步地運行到圖3 中指令給定的2 000 r/min，然后就穩(wěn)定地運行在這個速度上。圖5 清晰地顯示出電流環(huán)的作用，雖然在啟動時電動機的轉(zhuǎn)速較低，反電勢較小，但定子繞組中也沒有出現(xiàn)大電流，電流值約為最后穩(wěn)定運行時的2 倍。電流環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)各司其職，體現(xiàn)出仿真軟件可以節(jié)約設(shè)計成本、提高設(shè)計可視化程度、提高工科學生解決復雜工程問題的作用。

圖4 仿真轉(zhuǎn)速波形圖

圖5 定子電流波形圖

進一步，在上述電機控制仿真系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，加上轉(zhuǎn)子位置環(huán)節(jié)的控制，就可以實現(xiàn)位置伺服功能。電流環(huán)在最里面，控制無刷直流永磁電機轉(zhuǎn)子的加速度，速度環(huán)在中間，控制運行速度，位置環(huán)在最外面，使電機驅(qū)動的生產(chǎn)工件停在給定的位置處。至于PWM調(diào)制方式，有調(diào)制波為直流斬波的方波脈寬調(diào)制技術(shù)、調(diào)制波為正弦波的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)和調(diào)制波為馬鞍波的空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)[3]。馬鞍波是通過對基波正弦信號注入3 次諧波形成的，和正弦波相比，馬鞍波的電壓利用率更高，可有效減小負載電流中的諧波成分，降低轉(zhuǎn)速波動[3]。集成多種PWM 調(diào)制的直流無刷電機控制系統(tǒng)設(shè)計能進一步完善無刷直流永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能。

3 總結(jié)和展望

結(jié)合無刷直流永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理，可以在上述單管導通和上下橋臂雙管導通2 種驅(qū)動電路的基礎(chǔ)之上，進一步學習相關(guān)的專著，掌握上下橋臂三管導通的驅(qū)動電路，并把相關(guān)的更高層次的自動控制設(shè)計技術(shù)應用進去。電機的驅(qū)動系統(tǒng)是自動控制原理最經(jīng)典有效的應用場合，通過解析無刷直流永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理，滿足霍爾信號和反電勢信號的對應關(guān)系，借助Matlab 平臺，采用電流和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)的控制策略，使用其中的Simulink 模塊仿真，通過圖形顯示轉(zhuǎn)速和電流的變化情況，用以提高工科學生理論聯(lián)系實際的能力。