基于Saber的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真

　　摘要：利用Saber仿真軟件完成無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的研究分析。分別對(duì)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，并完成仿真模型的搭建、功能驗(yàn)證和性能分析，最后對(duì)各功能模塊進(jìn)行有機(jī)整合。完成控制系統(tǒng)的整體仿真試驗(yàn)，仿真結(jié)果證明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，其仿真結(jié)果與理論分析相吻合。

　　無(wú)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(lái)。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(wú)刷直流電機(jī)的誕生。

　　相對(duì)于有刷電機(jī)，無(wú)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(wú)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(wú)刷直流電機(jī)控制的發(fā)展方向。無(wú)刷直流電機(jī)必須和電子換向器、位置反饋器配套使用，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(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)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(wú)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(wú)刷直流控制系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

　　在無(wú)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。下面將詳細(xì)介紹無(wú)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(wú)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)于磁極。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。

　　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。

　　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(guò)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(guò)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(wú)刷電機(jī)運(yùn)行的三相交流電U、V和W。

　　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。